Способ передачи генетической информации бактерий

клетка-реципиент приобре­тает донорские свойства (см. рис. 5.4, 1А).

Если F-фактор или другая трансмиссивная плазмида встраиваются в хромосому клетки-донора, то плазмида и хромосома начинают функционировать в виде единого трансмис­сивного репликона, что делает возможным пе­ренос бактериальных генов в бесплазмидную клетку-реципиент, т. е. процесс конъюгации. Штаммы, в которых плазмида находится в интегрированном состоянии, переносят свои хромосомные гены бесплазмидным клеткам с высокой частотой и поэтому называются Hfr (от англ. high frequency of recombination — высо­кая частота рекомбинации)

Процесс переноса хромосомных генов в слу­чае скрещивания: Hfr xF

всегда начинается с расщепления ДНК в одной и той же точке, месте интеграции F-фактора или другой транс­миссивной плазмиды. Одна нить донорской ДНК передается через конъюгационный мос­тик в реципиентную клетку. Процесс сопро­вождается достраиванием комплементарной нити до образования двунитчатой структуры. Перенос хромосомных генов при конъюга­ции всегда имеет одинаковую направленность, противоположную встроенной плазмиде. Сама трансмиссивная плазмида передается послед­ней. Переданная в реципиентную клетку и до-

строенная до двунитчатой структуры нить ДНК донора рекомбинирует с гомологичным участ­ком реципиентной ДНК с образованием ста­бильной генетической структуры. Вследствие хрупкости конъюгационного мостика половой фактор редко передается в клетку-реципиент, поэтому образовавшиеся рекомбинант донор­скими функциями как правило не обладает.

Вследствие направленности передачи генов ко­нъюгация используется для картирования генома бактерий и построения генетической карты.

Трансдукцией называют передачу бактери-альной ДНК посредством бактериофага.

Этот процесс был открыт в 1951 г. Н. Циндером и Дж. Ледербергом. В процессе репликации фага внутри бактерий (см. разд. 3.5) фрагмент бактериальной ДНК проникает в фаговую частицу и переносится в реципиен-тную бактерию во время фаговой инфекции. Существует два типа трансдукции:

общая трансдукция — перенос бактериофа­гом фрагмента любой части бактериальной хромосомы — происходит вследствие того, что бактериальная ДНК фрагментируется после фаговой инфекции и кусочек бактериальной ДНК того же размера, что и фаговая ДНК, проникает в вирусную, формируя дефектную фаговую частицу с частотой приблизительно 1 на 1000 фаговых частиц (рис. 5.4, 2А). При инфицировании клетки-реципиента дефек­тной фаговой частицей ДНК клетки-донора «впрыскивается» в нее и рекомбинирует го­мологичной рекомбинацией с гомологичным участком хромосомы-реципиента с образова­нием стабильного рекомбинанта. Этим типом трансдукции обладают Р-фаги;

специфическая трансдукция — наблюдается в том случае, когда фаговая ДНК интегрирует в бактериальную хромосому с образованием профага. В процессе исключения ДНК-фага из бактериальной хромосомы в результате случайного процесса захватывается приле­гающий к месту включения фаговой ДНК фрагмент бактериальной хромосомы, стано­вясь дефектным фагом (рис. 5.4, 2Б). Так как большинство умеренных бактериофагов

интегрирует в бактериальную хромосому в специфических участках, для таких бакте­риофагов характерен перенос в клетку-ре­ципиент определенного участка бактериаль­ной ДНК клетки-донора. ДНК дефектного фага рекомбинирует с ДНК клетки-реципи­ента сайт-специфической рекомбинацией. Рекомбинант становится меродиплоидом по привнесенному гену. В частности, бактери-офагпередает специфической трансдукцией gal-ген у Е. coli.

Феномен трансформации впервые был опи­сан в 1928 г. Ф. Гриффитсом, обнаружившим превращение бескапсульного R-штамма пнев­мококков (Streptococcus pneumoniae) в штамм, образующий капсулу S-формы. Гриффите ввел мышам одновременно небольшое количество авирулентных R-клеток и убитых нагреванием S-клеток. R-клетки были получены от штамма, капсульное вещество которого принадлежало к типу S II, а убитые нагреванием S-штаммы принадлежали к типу SIII. Из крови погибших мышей были выделены вирулентные пневмо­кокки с капсулой S III.

Природу трансформирующего фактора в 1944 г. установили О. Эвери, К. Мак-Леод, М. Мак-Карти, которые показали, что ДНК, экстрагированная из инкапсулированных пневмококков, может трансформировать не-капсулированные пневмококки в инкапсу­лированную форму. Таким образом, было до­казано, что именно ДНК является носителем генетической информации.

Процесс трансформации может самопро­извольно происходить в природе у некоторых видов бактерий, чаще у грамположительных, когда ДНК, выделенная из погибших клеток, захватывается реципиентными клетками.

Процесс трансформации зависит от ком­петентности клетки-реципиента и состо­яния донорской трансформирующей ДНК. Компетентность — это способность бактери­альной клетки поглощать ДНК. Она зависит от присутствия особых белков в клеточной мембране, обладающих специфическим аф­финитетом к ДНК. Состояние компетентнос­ти у грамположительных бактерий связано с определенными фазами кривой роста.

Трансформирующей активностью обла­дает только двунитчатая высокоспирализо-ванная молекула ДНК.

Это связано с тем, что в клетку-реципиент проникает только одна нить ДНК, тогда как другая — на клеточной мембране — подвер­гается деградации с освобождением энергии, которая необходима для проникновения в клетку сохранившейся нити. Высокий моле­кулярный вес трансформирующей ДНК уве­личивает шанс рекомбинации, так как внутри клетки трансформирующая нить ДНК подвер­гается воздействию эндонуклеаз. Интеграция с хромосомой требует наличия гомологичных с ней участков у трансформирующей ДНК. Рекомбинация происходит на одной нити, в результате чего образуется гетеродуплексная молекула, одна нить которой имеет гено­тип реципиента, а другая — рекомбинантный генотип. Рекомбинантные трансформанты формируются только после цикла реплика­ции (рис. 5.4, 3).

В настоящее время этот метод является ос­новным методом генной инженерии, исполь­зуемым при конструировании рекомбинант-ных штаммов с заданным геномом.

Дата добавления: 2016-02-04 ; просмотров: 2520 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Общая характеристика способов обмена генетической информацией у бактерий

У бактерий, как и у высших организмов, существуют механизмы, которые обеспечивают перекомбинацию генетического материала между родственными, но генетически неидентичными клетками. В результате такого обмена возникает потомство с новой комбинацией наследственных признаков – рекомбинанты. Однако способы обмена генетической информацией и процессы формирования рекомбинантов у бактерий отличаются от существующих у эукариот, что вносит своеобразие в рекомбинационный анализ генетической организации бактериальной хромосомы.

Известны три механизма передачи генетического материала у бактерий: конъюгация, трансформация и трансдукция.

Конъюгация – это направленный перенос генетического материала из клетки-донора в клетку-реципиент при непосредственном физическом контакте между ними.

Трансформация – способ передачи генетической информации от клеток-доноров к клеткам-реципиентам с помощью химически чистой ДНК.

Трансдукция – это перенос генетического материала из клеток-доноров в клетки-реципиенты с помощью бактериофагов.

Основная отличительная черта всех трех механизмов – это однонаправленный перенос от одной клетки (донора) к другой (реципиенту) части генетического материала (рис.5). Вследствие такого обмена возникает не полноценная диплоидная зигота, а частично диплоидная (меродиплоидная) зигота, или, так называемая, мерозигота. В мерозиготе генетический материал реципиентной клетки представлен целой хромосомой, а материал донорной клетки только фрагментом хромосомы или частью генома.

Рис. 5. Механизмы передачи генетического материала у бактерий и судьба перенесенного фрагмента

Судьба перенесенного фрагмента донорной ДНК в мерозиготе неоднозначна и зависит от многих факторов. Обычно он не способен к самостоятельной редупликации в клетке реципиента, так как не является репликоном, но некоторое время может в ней сохраняться и даже функционировать (транскрибироваться). В этом случае фрагмент ДНК донора при каждом делении мерозиготы будет передаваться лишь одной из дочерних клеток (однолинейная передача). Однако такое состояние не стабильно и может привести либо к утере фрагмента, либо к включению его в хромосому реципиентной клетки за счет рекомбинации (кроссинговера или конверсии) с ее гомологичной последовательностью.

Важно отметить ту особенность рекомбинации у бактерий, что только четное число обменов между хромосомой реципиента и переданным фрагментом донора дает полноценную хромосому. Единичный или нечетный кроссинговер приводит к размыканию хромосомы и дупликации концевых фрагментов (рис.5). Следовательно, элементарным регистрируемым актом рекомбинации в мерозиготе является двойной кроссинговер. Результатом двойного (или четного) обмена является реципрокная интеграция донорного фрагмента в реципиентную хромосому и участка реципиентной хромосомы в донорный фрагмент. Так как донорный фрагмент обычно не реплицируется и в дальнейшем теряется, регистрируется только интеграция в хромосому. Включенный фрагмент (или его участок) будет реплицироваться совместно с хромосомой реципиента и передаваться потомству. В результате в популяции реципиентных клеток появятся стабильные рекомбинанты, получившие некоторые признаки донора. Отмеченная особенность рекомбинации приводит к нереципрокности и уменьшенному вдвое выходу рекомбинантов.

Следует также напомнить, что бактериальные клетки в различных условиях могут содержать несколько копий геномных молекул ДНК. Поэтому рекомбинанты появляются не сразу, а после 3-4 последовательных делений, когда клетки становятся гаплоидными (несут одинаковые копии).

Размер перенесенного фрагмента хромосомы донора зависит от способа передачи генетического материала. Например, при трансдукции он ограничен объемом головки бактериофага, в которую может быть ошибочно упакована ДНК клетки-хозяина. При трансформации длина переносимой молекулы очень мала и зависит от способа приготовления препарата ДНК и специфики конкретной системы. Только при конъюгации размер переносимого генетического материала может значительно колебаться и в редких случаях достигать размера полного генома.

Дата добавления: 2015-02-07 ; просмотров: 2402 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник