11.1. Общая схема организации генетического материала бактериальной клетки

Организация генетического материала у бактерий основана на общем для всех форм на Земле принципе. Поэтому данный материал излагается с учетом знания студентами курса общей генетики: освещаются лишь те генетические особенности, которые характерны для прокариотической клетки. Наследственная информация бактерий, как и у всех форм клеточной жизни (в отличие от вирусов), хранится в ДНК которая в прокариотической клетке представлена двумя типами молекул.

А. Жизненно важные признаки, без которых бактериальная клетка не может существовать, закодированы в нуклеоиде

Б. Не жизненно важные признаки закодированы у бактерий во внехромосомных факторах наследственности: плазмидах, транспозонах, IS-последовательностях и умеренных бактериофагах. Без этих признаков бактериальная клетка может существовать в обычных условиях, но дополнительные признаки, закодированные во внехромосомных факторах наследственности, придают ряду клеток популяции дополнительные возможности выживания при изменении условий внешней среды и, за счет повышения гетерогенности популяции, усиливают адаптационные возможности последней. Например, признак устойчивости к пенициллину в обычных условиях не востребован и не влияет на жизнеспособность бактериальной клетки, но при появлении этого антибиотика во внешней среде выжить могут только те бактерии, которые имеют плазмиду, кодирующую соответствующий признак. А выжить в присутствии пенициллина смогут только те бактериальные популяции, в составе которых есть клетки, несущие соответствующую плазмиду.

1. По способности к саморепликации внехромосомные факторы наследственности делятся на две группы: автономные и неавтономные.

а. Автономными внехромосомными факторами наследственности у бактерий являются плазмиды. Это значит, что они способны реплицироваться самостоятельно, обладая собственным соответствующим опероном.

б. Неавтономными внехромосомными факторами наследственности у бактерий являются транспозоны, IS-последовательности и умеренные фаги. Не обладая собственным опероном, обеспечивающим репликацию, они могут реплицироваться только в молекуле ДНК, обладающей таким опероном – или в нуклеоиде или в плазмиде.

2. Все внехромосомные факторы наследственности у бактерий могут встраиваться в нуклеоид (и, соответственно, выходить из его состава). В зависимости от места встраивания в нуклеоид внехромосомные факторы наследственности также делятся на две группы.

а. Только в гомологичных участках могут встраиваться в нуклеоид плазмиды и умеренные бактериофаги. Это значит, что для конкретной плазмиды и для конкретного умеренного бактериофага есть только одно место в нуклеоиде, где эта конкретная плазмида или этот конкретный бактериофаг могут включиться в состав нуклеоида.

б. В любых участках могут встраиваться в нуклеоид транспозоны и IS-последовательности.

11.2. Плазмиды

Плазмиды – внехромосомные автономные факторы наследственности у бактерий.

А. Плазмиды, как и другие внехромосомные факторы наследственности бактерий, увеличивают генетическую гетерогенность бактериальной популяции. Это и можно рассматривать как их основную функцию, которые они выполняют вместе с транспозонами, IS-последовательностями и умеренными бактериофагами. Конкретно же плазмиды выделяют две функции: регуляторную и кодирующую.

1. Плазмиды могут нести те же гены, которые имеются в нуклеоиде. Если один из этих генов нуклеоида по какой-либо причине «замолчит», то «включиться идентичный гены плазмиды – нужный признак по-прежнему будет присутствовать в фенотипе бактериальной клетки. Эта функция плазмид называется регуляторной.

2. Кодирующая функция плазмид заключается в том, что в них могут находиться гены, отсутствующие в бактериальной хромосоме (т.е. нуклеоиде). Собственно эта функция плазмид совпадает с общей функцией всех внехромосомных факторов наследственности – повышать гетерогенность генотипа популяции.

Б. Как и большинство других внехромосомных факторов наследственности, плазмиды могут существовать в бактериальной клетке в двух состояниях.

1. Если плазмида находится вне нуклеоида, в цитоплазме, говорят о ее автономном состоянии 2. Плазмида, включенная в состав нуклеоида, находится в интегрированном состоянии.

В. В зависимости от содержания tra-оперона плазмиды также делятся на две группы.

1. Плазмиды, содержащие в своем состав tra-оперон, называются конъюгативными, потому что такие плазмиды могут обуславливать передачу генетического материала от донорской клетки к реципиентной в процессе конъюгации а. Tra-оперон детерминирует образование конъюгативных пилей.

б. Кроме этого tra-оперон детерминирует цепь событий, которая называется мобилизацией на перенос. При этом участок двухцепочечной ДНК сначала расплетается, затем одна его цепочка переходит через конъюгативную пилю в другую, реципиентную, бактериальную клетку, где уже достраивается комплиментарная вторая нить. Таким образом, донорская клетка при конъюгации не теряет генетический материал, а реципиентная – приобретает его (несмотря на кажущийся смысл определения конъюгации как «перенос генетического материала от донорской к реципиентной клетке с помощью конъюгативных пилей).

1. Tra-оперон может мобилизовывать на перенос саму конъюгативную плазмиду

2. Tra-оперон может мобилизовывать на перенос другую, неконъюгативную, плазмиду 3. Tra-оперон может мобилизовывать на перенос участок нуклеоида донорской клетки 2. Плазмиды, не несущие tra-оперона, называются, соответственно, неконъюгативными, т.к. не способны обуславливать процесс конъюгации.

Г. На две группы делятся плазмиды и по степени контроля над их репликацией со стороны нуклеоида.

1. Большие плазмиды (т.е. имеющие относительно большой молекулярный вес) находятся под строгим контролем со стороны нуклеоида над своей репликацией. Нуклеоид «позволяет» им, как правило, лишь одно «лишнее» деление. Соответственно в клетке такие плазмиды находятся в одной или двух копиях.

2. Малые плазмиды (т.е. имеющие относительно малый молекулярный вес) находятся под ослабленным контролем со стороны нуклеоида над своей репликацией и могут делиться значительно чаще его – поэтому в бактериальной клетке может одновременно находится до 30 копий таких плазмид.

Д. Наконец, плазмиды классифицируются на группы несовместимости. Дело в том, что родственные плазмиды не могут одновременно находиться в одной бактериальной клетке, т.к. если одна из них уже в ней присутствует, то другая проникнуть в нее уже не сможет (такое явление называется иммунитет к суперинфекции и касается также взаимоотношения вирусов с чувствительной клеткой). В результате родственные друг другу плазмиды, не совместимые в одной клетке, составляют одну группу несовместимости. В настоящее время таких групп несовместимости насчитывается среди плазмид более двадцати.

11.3. F-плазмиды

F-плазмиды представляют собой собственно tra-оперон, без каких-либо дополнительных генов. Эту плазмиду называют еще половым фактором или фактором фертильности (откуда и название) потому что наличие F-плазмиды превращает клетку в возможного донора наследственного материала при конъюгации (т.е. в «мужскую» клетку), соответственно клетка, лишенная F-плазмиды, является потенциальным реципиентом генетического материала при конъюгации («женской» клеткой). Реципиентная клетка, получив при конъюгации F-плазмиду, превращается тем самым из женской в мужскую (т.е. происходит «смена пола»).

А. F-плазмида, находящаяся в интегрированном состоянии, носит название Hfr-плазмиды (high frequency of recombination – высокая частота рекомбинации). Если донорская клетка при конъюгации содержит Hfr-фактор, то при конъюгации разрыв цепочки нуклеоида происходит в месте прикрепления этого фактора и в конъюгационный мостик начинает входить противоположенный от места нахождения Hfr-фактора конец ДНК. Так как конъюгационный мостик не стоек, контакт между клетками при конъюгации кратковременен и вся цепочка ДНК нуклеоида просто не успевает перейти в реципиентную клетку. Следовательно, сам Hfr-фактор при этом виде конъюгации не передается (не происходит смена пола), а внедрившийся в реципиентную клетку фрагмент нуклеоида с высокой частотой (т.к. конъюгация происходит, как правило, между клетками одного вида) рекомбинирует с хромосомой реципиентной клетки.

Б. F-плазмида, находясь в автономном состоянии, сама переходит при конъюгации в реципиентную клетку. При этом реципиентная клетка превращается из «женской» в «мужскую» (т.е. происходит смена пола), но внедрившийся в реципиентную клетку генетический материал, представленный плазмидным генами, редко рекомбинирует с бактериальной хромосомой, потому что имеет по отношению к хромосомному генетическому материалу сравнительно низкую степень гомологии.

В. Половой фактор может переходить из автономного состояния в интеграционное и из интеграционного – в автономное. Последний процесс может сопровождаться обменом прилегающих частей плазмиды и нуклеотида, в результате чего перешедшая в автономное состояние плазмида окажется рекомбинационной – будет содержать фрагмент нуклеоида, оставив в нем взамен него свой фрагмент. Такая плазмида обозначается как F’-плазмида. Если донорская клетка при конъюгации несет F’-плазмиду, то она переходит в реципиентную клетку, производя у последней «смену пола», но при этом и обуславливает высокую частоту рекомбинации (благодаря включенному фрагменту нуклеоида). Формирование различных состояний F-плазмиды, описанное выше иллюстрируется на Рис. 11-3-1.

11.4. R-плазмиды

R-плазмиды – это плазмиды, детерминирующие множественную лекарственную устойчивость (или резистентность, откуда и название) бактериальной клетки к антибактериальным веществам (прежде всего антибиотикам).

А. Состав R-плазмиды определяется наличием в нем двух основных оперонов. 1. Если в состав R-плазмиды входит tra-оперон, то в этом случае R-плазмида является конъюгативной. Tra-оперон в составе этой плазмиды называется RTF-фактор (resistance transfer factor – фактор, передающий устойчивость). Гены, детерминирующие устойчивость к антибиотикам, формируют так называемый r-оперон (если быть более точным, то устойчивость к каждому антибиотику детерминирует отдельный r-оперон – т.е. в состав R-плазмиды входит несколько r-оперонов), который, в свою очередь, тоже может существовать как самостоятельная плазмида. Другими словами, конъюгативная R-плазмида состоит из двух плазмид: RTF-фактора и r-фактора (что можно понимать как включение меньшей r-плазмиды в состав большей RTF-).

2. Неконъюгативная форма этой плазмиды состоит только из r-оперона(-ов).

Б. В состав r-оперона может входить множество генов.

1. Во-первых, это гены, детерминирующие синтез специфических ферментов.а. Это могут быть ферменты, инактивирующие антибиотик.б. Или ферменты, модифицирующие антибиотик. При этом модифицированный антибиотик (например, фосфорилированный) теряет свою антибактериальную активность.в. Наконец, это могут быть ферменты, которые снижают проницаемость клеточной стенки к данному антибиотику, в результате чего он не может проникнуть внутрь бактериальной клетки и «добраться» до мишени своего действия (например, до рибосом, чтобы блокировать здесь синтез белка).

2. И во-вторых, r-оперона может содержать целый транспозон или его часть – IS-пос­ледовательность В. Из состава r-оперона становятся понятны основные механизмы устойчивости бактерий к антибиотикам, обусловленные наличием R-плазмид. Их три.1. R-плазмида может детерминировать способность бактериальной клетки инактивировать антибиотик.2. Или R-плазмида может детерминировать способность бактериальной клетки таким образом модифицировать антибиотик, что он в результате потеряет свою антибактериальную активность.3. И, наконец, R-плазмида может детерминировать снижение проницаемости клеточной стенки для данного антибиотика и, таким образом, закрыть ему доступ к мишени его действия.

Г. R-плазмида не всегда передается посредством конъюгации.1. У грамположительных бактерий R-плазмида чаще всего передается посредством трансдукции.2. Посредством конъюгации R-плазмида чаще всего передается у грамотрицательных бактерий.

11.5Бактериоциногенные плазмиды присущи практически всем видам бактерий. Они детерминируют синтез антибиотикоподобных веществ – бактериоцинов. Мы рассмотрим эти плазмиды на примере кишечной палочки. У нее бактериоциногенные плазмиды называются колициногенными (как и у других бактерий – по названию вида) или Col-плазмидами (наиболее многочисленная группа колициногенных плазмид), а бактериоцины – колицинами А. Состав Col-плазмиды определяется наличием в нем двух основных оперонов.

1. Эта плазмида содержит, во-первых, гены, детерминирующие синтез колицинов.

а. Колицины представляют собой белки.б. Насчитывается более 25 типов колицинов.в. Колицины не действуют на клетку, несущую колициногенную плазмиду идентичного типа.г. Колицины убивают бактериальную клетку, но не лизируют ее, что предотвращает появление в среде обитания оставшихся в живых бактерий токсических продуктов клеточного распада.

2. И, во-вторых, Col-плазмида содержит tra-оперон. Соответственно она относится к конъюгативным плазмидам.

Б. Col-плазмида отличается от других плазмид рядом присущих только ей особенностей.

1. В отличие от других конъюгативных плазмид Col-плазмида редко интегрирует в нуклеоид. Хотя все конъюгативные плазмиды по определению способны это делать, иначе они не смогли бы мобилизовывать на перенос участок бактериальной хромосомы 2. Col-плазмида обычно репрессирована, т.е. информация с нее не снимается. Т.е. признак, который она детерминирует, в обычных условиях клетке не нужен.3. Когда же данный признак становится востребован и Col-плазмида дерепрессируется, то бактериальная клетка синтезирует колицины и погибает. Другими словами, Col-плазмида является потенциально летальной.

В. Значение Col-плазмиды можно рассматривать с двух точек зрения.

1. Биологическое значение Col-плазмиды заключается в том, что с ее помощью достигается разрежение популяции при недостатке питательного субстрата. Происходит это по следующей схеме (Рис. 11.5-1).

а. В популяции присутствуют клетки с различными типами Col-плазмиды (на рисунке помечены различным цветом). При истощении питательной среды Col-плазмида в одной из клеток дерепрессируется, эта клетка синтезирует соответствующий тип колицина и погибает.б. Колицины действуют только на те клетки, которые не содержат Col-плазмиду, детерминирующую синтез колицинов именно этого типа. Соответственно клетки, содержащие Col-плазмиду, детерминирующую синтез колицинов данного типа остаются живыми.в. Все же другие клетки популяции, несущие Col-плазмиды других типов, погибают, популяция разряжается («едоков» становится меньше) и, как результат, может продлить свою жизнь на обедненной среде.

2. Медицинское значение Col-плазмида плазмиды заключается в том, что с ее помощью кишечные палочки, в норме заселяющие кишечник человека, регулируют нормальный микробиоценоз – совокупность микроорганизмов, населяющих кишечных здорового человека, так как колицины действуют не только на клетки своего вида, но и на клетки других видов бактерий кишечной группы.

11.6. Транспозоны

Транспозоны, впрочем, как и IS-последовательности, часто называют «прыгающими генами». Вследствие своей способности, в отличие от плазмид и умеренных фагов, внедряться в молекулу ДНК (нуклеоид, плазмиду или умеренный фаг) в любых, а не только в гомологичных, участках, они могут менять место своей локализации в той молекуле ДНК, в которой они интегрированы. Кроме того, они могут «перескакивать» также и из одной молекулы ДНК в другую.

А. Транспозонам обычно дается следующее определение: это нуклеотидные последовательности (от 2 000 до 20 000 пар нуклеотидов), способные менять место своей локализации в молекуле ДНК и мигрировать из одной молекулы ДНК в другую.

Б. В бактериальной клетке они могут находиться в двух состояниях.

1. Транспозон может находиться в интегрированном состоянии, т.е. быть встроенным в репликон (нуклеоид или плазмиду) и, соответственно, реплицироваться в составе этого репликона.

2. Транспозон может находиться в бактериальной клетке и в автономном состоянии (т.е. вне репликона). В этом случае он замыкается в кольцо, но, будучи не в состоянии самореплицироваться, при делении клетки переходит только в одну из двух вновь образованных.

В. Транспозон состоит из трех основных частей.

1. Он содержит особые концевые структуры, которые отличают транспозон от других фрагментов ДНК, встречающихся в бактериальной клетке, и являющихся, таким образом, маркерами именно этого внехромосомного фактора наследственности.

2. Способность транспозона менять место своей локализации в молекуле ДНК и мигрировать из одной молекулы ДНК в другую детерминируют особые гены транспозиции (собственно, это и есть IS-последовательности).

3. Кроме этого, транспозон содержит гены, детерминирующие синтез белков, обуславливающих наличие у содержащей данный транспозон бактериальной клетки дополнительных признаков.

а. Часто такие гены детерминируют способность бактериальной клетки синтезировать тот или иной белковый токсин.

б. Не менее часто транспозон детерминирует устойчивость клетки к какому-либо антибиотику (именно одному, в отличие от R-плазмиды).

в. Реже транспозон детерминирует синтез белков, обуславливающих другие признаки.

11.7. IS-последовательности

IS-последовательности (insert sequences – вставные последовательности) входят в состав транспозона, обеспечивая его способность к транспозиции.

А. IS-последовательностям обычно дается следующее определение: это вставки нуклеотидных последовательностей (порядка 1 000 пар нуклеотидов), способных к транспозиции.

Б. IS-последовательности принципиально отличаются от транспозонов.

1. Во-первых, они содержат только гены транспозиции.

2. Во-вторых, они не обнаружены в свободном состоянии.

В. IS-последовательности выполняют три основные функции.

1. С их помощью осуществляется координация взаимодействия внехромосомных факторов наследственности между собой и с бактериальной хромосомой для обеспечения их рекомбинации.

2. Кроме этого они могут осуществлять регуляторную функцию (т.е. регулировать транскрипции генов путём их «включения/выключения»).

3. Наконец, IS-последовательности могут индуцировать мутации (инверсии, дупликации на протяжении 5-9 пар нуклеотидов).

11.8. Механизмы фаговой конверсии

Здесь, после изложения сведений о бактериофаге и о внехромосомных факторах наследственности у бактерий, можно обобщить сведения о механизмах фаговой конверсии (см. раздел 10.4.Б.2), когда в результате лизогенизации (т.е. встраивание в геном умеренного бактериофага) бактерия приобретает дополнительный признак.

А. Во-первых это явление может быть обусловлено дерепрессией гена профага, как об этом было сказано выше (см. раздел 10.4.Б.2).

Б. Во-вторых дополнительный признак может детерминироваться геном бактерии-донора, внесенным в геном бактерии-реципиента дефектным фагом при специализированной трансдукции (см. раздел 10.4.В.2).

В. И в-третьих, если умеренный бактериофаг интегрировался около поврежденного промотора одного из генов, то функцию этого неработающего промотора может «взять на себя» промотор профага, восстановив тем самым экспрессию «молчавшего» гена бактерии-реципиента.

12.1. Модификации у бактерий

Модификациями называются фенотипическая изменчивость у бактерий.

А. Модификации не сопровождаются первичными изменениями в ДНК.

Б. Вследствие этого, модификации, как правило, вскоре утрачиваются.

12.2. Мутации у бактерий

При мутационной изменчивости у бактерий происходят изменения в первичной структуре ДНК, которые выражаются в наследственно закреплённой утрате или изменении какого-либо признака (или признаков).

А. По происхождению мутации у бактерий классифицируются на спонтанные и индуцированные.

1. Спонтанные мутации трудно или невозможно связать с действием определённого фактора (мутагена).

а. Наиболее часто спонтанные мутации происходят вследствие ошибки в работе ДНК-полимеразы при репликации ДНК.

б. Вторую группу спонтанных мутаций составляют инсертационные мутации, которые происходят вследствие встраивания в нуклеоид внехромосомных факторов наследственности.

2. Индуцированные мутации у бактерий вызываются в эксперименте действием конкретного мутагена.

Б. По направленности мутации у бактерий классифицируются на прямые и обратные.

1. Прямые мутации сопровождаются потерей или изменением признака и появлением мутантного генотипа.

2. Обратные мутации, или реверсии, происходят в мутантном генотипе и вызывают его возврат к нормальному, до появления прямой мутации, генотипу.

а. При истинных реверсиях происходит восстановления и генотипа и фенотипа.

б. При супрессорных реверсиях восстанавливается только фенотип, а генотип продолжает оставаться мутантным.

12.3. SR-диссоциация

SR-диссоциацией называется такое явление, когда в чистой культуре, образующей S-формы колоний, появляются R-формы. При этом изменение формы колонии является внешним проявлением изменений свойств образующих ее бактериальных клеток. У бактерий, в норме образующих R-формы колоний, также наблюдается диссоциация, которая, наоборот, проявляется в появлении S-форм колоний. Однако, механизм RS-диссоциации не известен и этот вид диссоциации здесь не рассматривается.

А. По своему механизму SR-диссоциация – это инсертационная мутация, приводящая к утрате генов, контролирующих синтез полисахаридных звеньев ЛПС наружной мембраны клеточной стенки. Из-за этого все свойства, функционально связанные с клеточной стенкой (форма, наличие капсулы и жгутиков, чувствительность к бактериофагам, метаболическая активность и т.д.) изменяются и как конечный результат – изменяется форма колонии.

Б. Диссоциация имеет для бактерий важное биологическое значение.

1. R-формы колоний более устойчивы к физико-химическим факторам внешней среды.

2. S-формы более устойчивы к фагоцитозу и действию антител.

В. Диссоциация значительно усложняют выделение и идентификацию чистой культуры. В этом заключается большое значение диссоциации для микробиологической диагностики.

12.4. Мутагены

Под мутагенами понимают химические вещества или физические факторы, вызывающие предмутационные изменения в ДНК, которые в результате ошибок репарирующих ферментов или в процессе репарации переходят в мутацию. Важно понимать, что мутагены вызывают не мутацию, а состояние, которое может перейти в мутацию, если клетка будет не в состоянии «справиться с ситуацией». По механизму своего действия мутагены можно классифицировать на четыре основных группы.

А. Мутагены могут вызывать замену пар оснований. Так действуют, например, аналоги азотистых оснований.

Б. Мутагены могут вызывать выпадения или вставки оснований. Так действуют, например, акридиновые красители.

В. Мутагены могут таким образом нарушать работу ДНК-полимеразы, что в молекуле ДНК будут образовываться тиминовые димеры. Так, например, действует на бактерии ультрафиолет.

Г. И, наконец, некоторые мутагены оказывают множественный эффект действия. Такие мутагены (например, нитрозосоединения) называются супермутагенами.

12.5. Репарации

Этим термином обозначают процесс восстановления повреждённой ДНК ферментами репарационных систем бактериальной клетки. в качестве примера разберем экспериментальные модели фотореактивации (как пример репарации, осуществляемой одним ферментом) и систему темновой репарации (как пример репарации, осуществляемой последовательной активацией группы ферментов).

А. Репарация путем фотореактивации осуществляется следующим образом.

1. Бактериальная культура облучается ультрафиолетом, (в качестве мутагена).

2. Ультрафиолет вызывает в геноме бактериальной культуры образование тиминовых димеров (т.е. появляется индуцированная мутация).

3. Затем культура освещается видимым светом.

4. Видимый свет вызывает активация специального репарационного фермента.

5. Активированный репарационный фермент одномоментно расщепляет тиминовые димеры, ликвидирую тем самым мутацию.

Б. Система темновой репарации работает следующим образом.

1. Бактериальная культура облучается ультрафиолетом, в результате чего в ее геноме (рассмотрим для простоты случай с появлением мутации только в одной нити ДНК) появляется мутация – на определенном участке формируются тиминовые димеры (Рис. 12.5-1).

2. Мутантная культура помещается в темноту для активации ферментов темновой репарации. Первой активируется эндонуклеаза, которая надрезает с обеих сторон мутантный участок (Рис. 12.5-2).

3. Затем ДНК-полимераза I удаляет поврежденный участок (Рис. 12.5-3).

4. Вслед за этим на матрице второй, неповрежденной, нити ДНК синтезируется новый, не содержащий мутации, участок (с помощью ДНК-полимеразы I или III) (Рис. 12.5-4).

5. И, наконец, лигаза «вшивает» новый участок в цепь ДНК (Рис. 12.5-5).

13.1. Виды генетических рекомбинаций у бактерий

Под рекомбинационной изменчивостью понимают изменчивость, происходящую в результате включения в ДНК реципиентной клетки участка ДНК донорской клетки. У бактерий насчитывают пять видов генетических рекомбинаций

А. Трансформация – непосредственная передача генетического материала от донорской к реципиентной клетке. В бактериальной популяции в результате аутолиза клеток всегда присутствует внеклеточная ДНК. Некоторые клетки обладают соответствующими рецепторами для ее адсорбции и ферментами для ее транспорта внутрь своей клетки и последующей рекомбинации экзогенной ДНК с ДНК бактериальной хромосомы. Такие клетки называются компетентными.

Б. Трансдукция – передача генетического материала от донорской к реципиентной клетке с помощью дефектных бактериофагов (см. раздел 10.4).

1. При неспецифической (общей) трансдукции может передаваться любой, случайный, признак, который присутствует у всего клона, образованного рекомбинантной клеткой.

2. При абортивной трансдукции также передается любой, случайный, признак, но он скоро теряется, так как при каждом делении клеток экзогенная ДНК не рекомбинирует с бактериальной хромосомой, как в случае с общей трансдукцией, а остается в цитоплазме и переходит только в одну из двух разделившихся клеток.

3. При специфической трансдукции каждый бактериофаг передает только ему присущий признак, который, как и в случае с общей трансдукцией, присутствует у всего клона, образованного рекомбинантной клеткой.

В. Конъюгация – передача генетического материала от донорской к реципиентной клетке с помощью конъюгационных пилей (см. раздел 11.3).

1. Если конъюгация обусловлена плазмидой, находящейся в автономном состоянии, то донорской клетке передается сама эта плазмида (см. раздел 11.3.Б), в том числе несущая в своем составе или другую, неконъюгационную, плазмиду (см. раздел 11.4.А.1) или участок бактериальной хромосомы (см. раздел 11.3.В).

2. Если конъюгация обусловлена плазмидой, находящейся в интегрированном состоянии, то донорской клетке передается не эта плазмида, а участок бактериальной хромосомы (см. раздел 11.3.А).

Г. Лизогенизация по определению является видом рекомбинационной изменчивости у бактерий, так как при ней в геном реципиентной клетки внедряется экзогенный генетический материал – геном умеренного фага (см. раздел 10.4.Б). Изменения генома при этом виде рекомбинационной изменчивости не сопровождаются фенотипическими изменениями.

Д. Фаговая конверсия – отличается от лизогенизации лишь тем, что фенотип донорской клетки изменяется

13.2. Генная инженерия в медицинской микробиологии

В медицинской микробиологии все шире используются методы генной инженерии, с помощью которых «заставляют» микроорганизмы продуцировать нужные медицинской практике препараты (вакцины, гормоны, интерфероны, цитокины и др.), путем внесения в их геном соответствующего гена, т.е. получения рекомбинантного штамма с нужными свойствами путем «направленной» рекомбинационной изменчивости. Разберем принципиальный алгоритм такого методы на примере получения рекомбинантной вакцины для профилактики гепатита В.

А. Из генома вируса гепатита В вырезают ген, детерминирующего синтез HBs-Ag – белка, индуцирующего иммунный ответ против вируса. Затем внедряют его с помощью одного из видов рекомбинационной изменчивости в геном дрожжевой клетки (как вариант может использоваться кишечная палочка).

Б. Затем добиваются манифестация гена – его дерепрессии, так как экзогенный генетический материал, интегрированный в хромосому, как правило, репрессируется. С дерепрессированного же гена снимается информация, и рекомбинантная клетка начинает продуцировать соответствующий белок.

В. Клональная культура, содержащая рекомбинантные клетки, выращивается в хемостате, где синтезирует большое количество HBs-Ag.

Г. Затем отделяют культуральную среду от микробных клеток и проводят очистку HBs-Ag.

Д. В результате получается вакцина, содержащая HBs-Ag, но не содержащая ни самих вирусных частиц, ни их фрагментов.

Современный период развития микробиологии характеризуется исследованием микроорганизмов на генетическом уровне. В связи с этим в современной медицине все большее распространение получают генетические методы микробиологической диагностики: определение процентного содержания гуанина и цитозина в бактериальном геноме, метод молекулярной гибридизации и особенно – полимеразная цепная реакция (ПЦР).