Наследуемая изменчивость микробов. Генетические рекомбинации: трансформация, трансдукция, конъюгация. Плазмиды

Наследственная (генотипическая) изменчивость, связанная с мутациями,. мутационная

изменчивость. Основу мутации составляют изменения последовательности нуклеотидов в ДНК,

полная или частичная их утрата, т. е. происходит структурная перестройка генов,

проявляющаяся фенотипически в виде измененного признака.

Наследственная изменчивость, связанная с рекомбинациями, называется рекомбинационной

изменчивостью.

5.1. Рекомбинации у бактерий

Рекомбинация (ре + лат. combinatio. соединение). возникновение новых

последовательностей ДНК в результате разрывов и последующих восстановлений ее молекул. В

итоге таких изменений ДНК бактерий появляются так называемые рекомбинан-тные штаммы, или

рекомбинанты. Процесс рекомбинации у бактерий имеет некоторые отличия, связанные с

особенностями их генетического аппарата, форм генетического обмена. Именно на микробных

объектах были открыты формы переноса генетического материала - - трансформация,

трансдукция, конъюгация, неизвестные классической генетике, с помощью которых изучаются

молекулярные механизмы генетических рекомбинаций.*

В процессе генетического переноса участвуют бактерия-реципиент и бактерия-донор. Степень

участия их неравномерна: в ре-ципиентную клетку попадает лишь фрагмент экзогенной ДНК

бактерии-донора, который взаимодействует с цельной хромосомой реципиента, в результате

чего происходит частичное перераспределение (рекомбинация) генетического материала с

образованием рекомбинанта. Все этапы рекомбинации у бактерий обеспечиваются

соответствующими ферментами: рестриктазами, лигазами и др. У бактерий различают три типа

рекомбинаций: общую, ²незаконную⌡ и сайт-специфическую. Общая, или гомологичная,

классическая, рекомбинация происходит, если в структуре взаимодействующей ДНК имеются

гомологичные участки (от греч. homologia. соответствие). Так называемая ²незаконная⌡

рекомбинация для своего осуществления не требует значительной гомологии ДНК

взаимодействующих структур.

для интеграции с негомологичными участками репликонов. Транспозоны - - более сложные

генетические структуры ДНК, І которые содержат в своем составе IS-элементы и

дополнительные гены (например, гены лекарственной устойчивости и др). Подвижные

генетические элементы вызывают повреждение или инактивацию генов, слияние репликонов,

распространение re- j нов среди бактерий.

Общая рекомбинация наиболее эффективна при внутривидо- ] вом генетическом

обмене, ²незаконная⌡ рекомбинация играет важную роль не только в пределах отдельных

видов, но и между бактериями различных видов и родов.

Третьей разновидностью рекомбинации является так называемая сайт-специфическая

рекомбинация (от англ, seit. местоположение, участок), для осуществления которой

необходи- | мы строго определенные последовательности ДНК и специаль- '< ные ферменты.

Сайт-специфическая рекомбинация происходит в I менее протяженных участках генома (в

пределах 10.20 пар нук-леотидов), например при включении профага в строго ограниченные

участки (сайты) хромосомы.

Наиболее изучены три типа передачи ДНК, отличающиеся I друг от друга способом ее

транспортировки: трансформация, 1 трансдукция, конъюгация (рис. 5.1).

5.1.1. Трансформация

Трансформация (от лат. transformatio. превращение) заключается в том, что ДНК,

выделенная из бактерий в свободной растворимой форме, передается бактерии-реципиенту.

При трансформации рекомбинация происходит, если ДНК бактерий род- I ственны друг другу.

В этом случае возможен обмен гомологичных участков собственной и проникшей извне ДНК.

Впервые І явление трансформации описал Ф. Гриффите (1928). Он вводил ] мышам живой

невирулентный бескапсульный R-штамм пневмо- і кокка и одновременно убитый вирулентный

капсульный S-штамм І пневмококка. Из крови погибших мышей был выделен вирулентный

пневмококк, имеющий капсулу убитого S-штамма пневмококка. Таким образом, убитый S-штамм

пневмококка передал наследственную способность капсулообразования R-штамму пневмококка.

О. Звери, К. Мак-Леод и М. Мак-Карти (1944) доказали, что трансформирующим агентом в

этом случае является ДНК. Путем трансформации могут быть перенесены различные признаки:

капсулообразование, устойчивость к антибиотикам, синтез ферментов.

Изучение бактериальной трансформации позволило установить роль ДНК как материального

субстрата наследственности. При

изучении генетической трансформации у бактерий были разработаны методы экстракции и

очистки ДНК, биохимические и биофизические методы ее анализа.

5.1.2. Трансдукция

Трансдукция (от лат. transductio. перенос, перемещение). передача ДНК от бактерии-

донора к бактерии-реципиенту при участии бактериофага. Различают неспецифическую (общую)

трансдукцию, при которой возможен перенос любого фрагмента ДНК донора, и специфическую.

перенос определенного фрагмента ДНК донора только в определенные участки ДНК реципиента.

Неспецифическая трансдукция обусловлена включением ДНК донора в головку фага

дополнительно к геному фага или вместо генома фага (дефектные фаги). Специфическая

трансдукция обусловлена замещением некоторых генов фага генами хромосомы клетки-донора.

Фаговая ДНК, несущая фрагменты хромосомы клетки-донора, включается в строго определенные

участки хромосомы клетки-реципиента. Таким образом, привносятся новые гены и ДНК фага в

виде профага репродуцируется вместе с хромосомой, т.е. этот процесс сопровождается

лизоге-нией. Если фрагмент ДНК, переносимый фагом, не вступает в рекомбинацию с

хромосомой реципиента и не реплицируется, но с него считывается информация о синтезе

соответствующего продукта, такая трансдукция называется абортивной,

5.1.3. Конъюгация

Конъюгация (от лат. conjugatio. соединение) описана Дж. Ле-дербергом и Э. Татумом

(1946), работавшими с мутантами кишечной палочки. Конъюгация бактерий состоит в переходе

генетического материала (ДНК) из клетки-донора (²мужской⌡) в клетку-реципиент

(²женскую⌡) при контакте 'клеток между собой.

Мужская клетка содержит F-фактор, или половой фактор (от англ, fertility.

плодовитость), который контролирует синтез так называемых половых пилей, или F-пилей.

Клетки, не содержащие F-фактора, являются женскими; при получении F-фактора.ни

превращаются в ²мужские⌡ и сами становятся донорами. F-фактор располагается в цитоплазме

в виде кольцевой двунитча-той молекулы ДНК, т. е. является плазмидой. Молекула F-фак-

тора значительно меньше хромосомы и содержит гены, контролирующие процесс конъюгации, в

том числе синтез F-пилей. При конъюгации F-пили соединяют ²мужскую⌡ и ²женскую⌡ клетки,

обеспечивая переход ДНК через конъюгационный мое-

тик или F-пили. Клетки, содержащие F-фактор в цитоплазме, обозначаются F+; они передают

F-фактор клеткам, обозначаемым F" (²женским⌡), не утрачивая донорской способности, так і

как оставляют копии F-фактора. Если F-фактор включается в хромосому, то бактерии

приобретают способность передавать фрагменты хромосомной ДНК и называются Hfr-клетками

(от англ, high frequency of recombination. высокая частота рекомбинаций), т.е.

бактериями с высокой частотой рекомбинаций. При конъюгации клеток Hfr и клеток F~

хромосома разрывается и передается с определенного участка (начальной точки) в клет- j

ку F", продолжая реплицироваться. Перенос всей хромосомы і может длиться до 100 мин.

Переносимая ДНК взаимодействует с ДНК реципиента -происходит гомологичная рекомбинация.

Прерывая процесс конъюгации бактерий, можно определять последовательность распо- і

ложения генов в хромосоме. Иногда F-фактор может при выходе из хромосомы захватывать

небольшую ее часть, образуя так 1 называемый замещенный фактор -- F'.

При конъюгации происходит только частичный перенос генетического материала, поэтому ее

не следует отождествлять полностью с половым процессом у других организмов.

Важными факторами генетической изменчивости являются 1 плазмиды.

5.2. Плазмиды

Плазмиды. внехромосомные мобильные генетические структуры бактерий, представляющие

собой замкнутые кольца двунитчатой ДНК. По размерам составляют 0,1.5 % ДНК хромосомы.

Плазмиды способны автономно копироваться (реплицироваться) и существовать в цитоплазме

клетки, поэтому в клетке может быть несколько копий плазмид. Плазмиды могут включаться

(интегрировать) в хромосому и реплицироваться вместе с ней. Различают трансмиссивные и

нетрансмиссивные плазмиды. Трансмиссивные (конъюгативные) плазмиды могут передаваться из

одной бактерии в другую.

Термин ²плазмиды⌡ впервые введен американским ученым Дж. Ледербергом (1952) для

обозначения полового фактора бактерий. Плазмиды несут гены, не обязательные для клетки-

хозяина, придают бактериям дополнительные свойства, которые в определенных условиях

окружающей среды обеспечивают их временные преимущества по сравнению с бесплазмидными

бактериями.

У бактерий различных видов обнаружены R-плазмиды, несущие гены, ответственные за

множественную устойчивость к ле-

карственным препаратам. антибиотикам, сульфаниламидам и др., F-плазмиды, или половой

фактор бактерий, определяющий их способность к конъюгации и образованию половых пилей,

Ent-плазмиды, детерминирующие продукцию энтеротоксина.

Плазмиды могут определять вирулентность бактерий, напри-мер возбудителей чумы,

столбняка, способность почвенных бактерий использовать необычные источники углерода,

контролировать синтез белковых антибиотикоподобных веществ. бакте-риоцинов,

детерминируемых плазмидами бактериоциногении, и т.д. Существование множества других

плазмид у микроорганизмов позволяет полагать, что аналогичные структуры широко

распространены у самых разнообразных микроорганизмов.

Плазмиды подвержены рекомбинациям, мутациям, могут быть элиминированы (удалены) из

бактерий, что, однако, не влияет на их основные свойства. Плазмиды являются удобной

моделью для экспериментов по искусственной реконструкции генетического материала, широко

используются в генетической инженерии для получения рекомбинантных штаммов (см. главу

6). Благодаря быстрому самокопированию и возможности конъюгаци-онной передачи плазмид

внутри вида, между видами или даже родами плазмиды играют важную роль в эволюции

бактерий.

17. Бактериофаги. Взаимодействие фага с бактериальной клеткой. Умеренные и вирулентные бактериофаги. Лизогения.

Вирусы бактерий (бактериофаги).

Естественной средой обитания фагов является бактериальная клетка, поэтому фаги распространены повсеместно (например, в сточных водах). Фагам присущи биологические особенности, свойственные и другим вирусам.

Наиболее морфологически распространенный тип фагов характеризуется наличием головки- икосаэдра, отростка (хвоста) со спиральной симметрией (часто имеет полый стержень и сократительный чехол), шипов и отростков (нитей), т.е. внешне несколько напоминают сперматозоид.

Взаимодействие фагов с клеткой (бактерией) строго специфично, т.е. бактериофаги способны инфицировать только определенные виды и фаготипы бактерий.

Основные этапы взаимодействия фагов и бактерий.

1.Адсорбция (взаимодействие специфических рецепторов).

2.Внедрение вирусной ДНК (инъекция фага) осуществляется за счет лизирования веществами типа лизоцима участка клеточной стенки, сокращения чехла, вталкивания стержня хвоста через цитоплазматическую мембрану в клетку, впрыскивание ДНК в цитоплазму.

3.Репродукция фага.

4.Выход дочерних популяций.

Основные свойства фагов.

Различают вирулентные фаги, способные вызвать продуктивную форму процесса, и умеренные фаги, вызывающие редуктивную фаговую инфекцию (редукцию фага). В последнем случае геном фага в клетке не не реплицируется, а внедряется (интегрируется) в хромосому клетки хозяина (ДНК в ДНК), фаг превращается в профаг. Этот процесс получил название лизогении. Если в результате внедрения фага в хромосому бактериальной клетки она приобретает новые наследуемые признаки, такую форму изменчивости бактерий называют лизогенной (фаговой) конверсией. Бактериальную клетку, несущую в своем геноме профаг, называют лизогенной, поскольку профаг при нарушении синтеза особого белка- репрессора может перейти в литический цикл развития, вызвать продуктивную инфекцию с лизисом бактерии.

Умеренные фаги имеют важное значение в обмене генетическим материалом между бактериями- в трансдукции (одна из форм генетического обмена). Например, способностью вырабатывать экзотоксин обладают только возбудитель дифтерии, в хромосому которого интегрирован умеренный профаг, несущий оперон tox, отвечающий за синтез дифтерийного экзотоксина. Умеренный фаг tox вызывает лизогенную конверсию нетоксигенной дифтерийной палочки в токсигенную.

По спектру действия на бактерии фаги разделяют на:

- поливалентные (лизируют близкородственные бактерии, например сальмонеллы);

- моновалентные (лизируют бактерии одного вида);

- типоспецифические (лизируют только определенные фаговары возбудителя).

На плотных средах фаги обнаруживают чаще с помощью спот (spot) - теста (образование негативного пятна при росте колоний) или методом агаровых слоев (титрования по Грациа).

Дата добавления: 2015-04-24