21. Микроорганизмы как объекты генетики. Явления трансформации и трансдукции у бактерий . Карты расположения генов у бактерий.

1) При выделении микроорганизмов, в отличие от растений и животных, был использован совершенно другой критерий — величина особи. Поэтому сюда отнесены такие сложноорганизованные существа, как водоросли и грибы, имеющие истинные ядра и типичные для высших организмов хромосомы, с одной стороны, и вирусы и фаги — с другой. Последние представляют собой неклеточные формы, паразитирующие на бактериях (бактериофаги), растениях и животных (вирусы). Роль хромосомы у них играет молекула ДНК или РНК. Промежуточное положение занимают бактерии. Бактерии более сложно организованы, чем вирусы, но ядро их не отделено от цитоплазмы, а функцию хромосомы также выполняют нити ДНКДеление клетки осуществляется без образования веретена. Величина микроорганизмов варьирует в широких пределах: от 10 ммк до нескольких десятков микрон.

Однако микроорганизмы имеют общие особенности, которые и сделали их основным объектом молекулярной генетики. Основной особенностью является короткий жизненный цикл. Так, например, многие бактериофаги, вирусы и бактерии заканчивают жизненный цикл в течение 20—30 минут, грибы за 1—2 часа, а водоросль хлорелла за 1 сутки. Эта их особенность обеспечивает возможность получения огромного числа поколений в короткие сроки. Другая особенность микроорганизмов — большая скорость размножения — обеспечивает получение огромного количества особей одновременно, что дает возможность обнаруживать такие генетические явления, которые встречаются с частотой один на миллион и реже. Третья особенность — наличие у многих микроорганизмов двух способов размножения (бесполого и полового). Это создает возможность получения рекомбинаций в ходе полового размножения и изучения продуктов рекомбинаций непосредственно после мейоза в гаплофазе при бесполом размножении.

Все это несравненно увеличивает разрешающую способность генетического анализа.

Своеобразной заменой полового процесса у фагов и вирусов является способность их проникать в клетку хозяина по нескольку частиц сразу. Во время совместного размножения этих частиц и происходит процесс рекомбинации их генетического материала.

Кроме того, микроорганизмы легко выращивать в строго контролируемых условиях, используя жидкие или твердые среды определенного состава, регулируя температуру и т. д.

2) Бактерии гаплоидны: у них только один набор генов в хромосоме. Передача генетического материала у бактерий осуществляется тремя способами: конъюгацией, трансдукцией и трансформацией.

Конъюгация бактерий происходит при контакте мужской и женской клеток При этом генетический материал переходит с помощью так называемой половой пили (F-пили). Образующиеся клерки (рекомбинанты) наследуют большинство своих признаков от женских клеток, а от мужских получают только часть генов (фрагменты генома). Мужская клетка содержит F-фактор (половой фактор). Клетки, не содержащие F-фактор, являются женскими. F-фактор может располагаться в цитоплазме в виде кольцевой двухнитчатой молекулы ДНК, являясь плазмидой, или может включаться в бактериальную хромосому (Hfr-клетки), способствуя более частому переносу в другую клетку.

Трансформация — процесс поглощения клеткой организма свободной молекулы ДНК из среды и встраивания её в геном, что приводит к появлению у такой клетки новых для неё наследуемых признаков, характерных для организма-донора ДНК. Иногда под трансформацией понимают любые процессы горизонтального переноса генов, в том числе трансдукцию, конъюгацию и т. д. Трансформация заключается в том, что ДНК, выделенная из бактерии в свободной растворимой форме, передается бактерии-реципиенту. При трансформации рекомбинация происходит, если ДНК бактерий родственны друг другу. В этом случае возможен обмен гомологичных участков собственной и проникшей извне ДНК.

Трансдукция (от лат. transductio — перемещение) — процесс переноса бактериальной ДНК из одной клетки в другую бактериофагом. Общая трансдукция используется в генетике бактерий для картирования генома и конструирования штаммов. К трансдукции способны как умеренные фаги, так и вирулентные, последние, однако, уничтожают популяцию бактерий, поэтому трансдукция с их помощью не имеет большого значения ни в природе, ни при проведении исследований.При трансдукции происходит передача ДНК от бактерии-донора к бактерии-реципиенту при участии бактериофагов. Различают неспецифическую (общую) трансдукцию, при которой возможен перенос любого фрагмента ДНК-донора, и специфическую, осуществляющуюся переносом фрагмента ДНК-донора только в определенные участки ДНК-реципиента. Неспецифическая трансдукция обусловлена включением в головку фага ДНК-донора дополнительно к геному фага или вместо генома фага. Специфическая трансдукция обусловлена замещением некоторых генов фага генами клетки-хозяина. Если фрагмент ДНК не вступает в рекомбинацию с хромосомой реципиента и не реплицируется, но с него считывается информация о синтезе соответствующего генного продукта, такая трансдукция называется абортивной.

3) Интересный способ построения генетической карты для бактерий был использован Э.Вольманом и Ф.Жакобом . При конъюгации бактерий одноцепочечная молекула ДНК переходит из одной бактерии в другую, там она достраивается и замыкается в кольцо. При этом существуют штаммы бактерий-доноров - тех, которые передают свою ДНК, и штаммы бактерий-реципиентов - тех, которые ДНК получают (иногда говорят, что доноры - это "мужской пол" у бактерий, а реципиенты - "женский").

Вольман и Жакоб смешивали штаммы доноров и реципиентов кишечной палочки . Между бактериями начиналась конъюгация. А затем исследователи резко встряхивали пробирку с культурой бактерий, так что клетки конъюгирующих бактерий отделялись друг от друга, а молекула ДНК разрывалась. Такое встряхивание производили через разное время после начала конъюгации (через 5, 10, 20, 30, 40... мин). Если встряхивание производили раньше, чем через 8 мин после смешивания культур, в реципиентах вообще не обнаруживали чужой ДНК. Если пробирки встряхивали через 10 мин, т.е. в начале конъюгации, в бактерию-реципиента успевал проникнуть небольшой кусочек чужой ДНК; если через 20 мин, в реципиента успевало попасть примерно 20% молекулы ДНК и т.д. ( рис. 115 ). После этого изучали, какие чужие гены попадали в реципиента с кусочками ДНК разной длины. Так строили генетическую карту бактерии. К 1985 г. на генетическую карту кишечной палочки удалось нанести таким методом более 1000 генов.

Сходным образом можно получить генетические карты бактериофагов , которые "впрыскивают" свою ДНК в бактерию. Возможность составления карт показывает, что каждый ген имеет свое определенное место на хромосоме.