Тема: Генетика микроорганизмов 1. Конъюгация, трансдукция, трансформация. 2. Изменчивость микроорганизмов. 3. Использование достижений генетики бактерий.
Наследственный аппарат бактерий имеет ряд особенностей: бактерии - гаплоидные организмы, т. е. они имеют 1 хромосому. В связи с этим при наследовании признаков отсутствует явление доминантности; бактерии обладают высокой скоростью размножения, в связи с чем за короткий промежуток времени (сутки) сменяется несколько десятков поколений бактерий. Это дает возможность изучать огромные по численности популяции и достаточно легко выявлять даже редкие по частоте мутации. Наследственный аппарат бактерий представлен хромосомой. У бактерий она одна. Хромосома бактерий - это молекула ДНК. Длина этой молекулы достигает 1, 0 мм и, чтобы "уместиться" в бактериальной клетке, она не линейная, как у эукариотов, а суперспирализована в петли и свернута в кольцо. Это кольцо в одной точке прикреплено к цитоплазматической мембране. На бактериальной хромосоме располагаются отдельные гены. У кишечной палочки, например, их более 2 тыс.
2. Функциональными единицами генома бактерий, кроме хромосомных генов, являются: IS-последовательности; транспозоны; плазмиды. IS-последовательности (англ. insertion - вставка, sequence - последовательность)- короткие фрагменты ДНК. Они не несут структурных (кодирующих тот или иной белок) генов, а содержат только гены, ответственные за транспозицию (способность IS-последовательностей перемещаться по хромосоме и встраиваться в различные ее участки). ISпоследовательности одинаковы у разных видов бактерий. Транспозоны - это молекулы ДНК, более крупные, чем IS последовательности. Помимо генов, ответственных за транспозицию, они содержат и структурный ген, кодирующий тот или иной признак. Транспозоны (Tn-элементы) состоят из 2000 -25 000 пар нуклеотидов, содержат фрагмент ДНК, несущий специфические гены, и два концевых ISэлемента. Каждый транспозон обычно содержит гены, привносящие важные для бактерии характеристики типа множественной устойчивости к антибактериальным агентам. В общем, для транспозонов характерны те же гены, что и для плазмид (гены устойчивости к антибиотикам, токсинообразования, дополнительных ферментов метаболизма). Транспозоны легко перемещаются по хромосоме. Их положение сказывается на экспрессии как их собственных структурных генов, так и соседних хромосомных. Транспозоны могут существовать и вне хромосомы,
Плазмиды - кольцевые суперспиралевидные молекулы ДНК. Их молекулярная масса колеблется в широких пределах и может быть в сотни раз больше, чем у транспозонов. Плазмиды содержат структурные гены, наделяющие бактериальную клетку разными, весьма важными для нее свойствами: R-плазмиды - лекарственной устойчивостью; Col-плазмиды - способностью синтезировать колицины; F-плазмиды - передавать генетическую информацию; Тох-плазмиды - синтезировать токсин; Плазмиды биодеградации - разрушать тот или иной субстрат и т. д. Плазмиды могут быть интегрированы в хромосому (в отличие от ISпоследовательностей и транспозонов, встраиваются в строго определенные участки), а могут существовать автономно. В этом случае они обладают способностью к автономной репликации, и именно поэтому в клетке может быть 2, 4, 8 копий такой плазмиды. Многие плазмиды имеют в своем составе гены трансмиссивности и способны передаваться от одной клетки к другой при конъюгации (обмене генетической информацией). Такие плазмиды называются трансмиссивными.
У бактерий различают 2 вида изменчивости - фенотипическую и генотипическую. Фенотипическая изменчивость - модификация - не затрагивает генотип, но затрагивает большинство особей популяции. Модификации не передаются по наследству и с течением времени затухают, т. е. возвращаются к исходному фенотипу через большее (длительные модификации) или меньшее (кратковре менные модификации) исло поколений. ч Генотипическая изменчивость затрагивает генотип. В ее основе лежат мутации и рекомбинации. Мутации бактерий принципиально не отличаются от мутаций эукариотических клеток. Особенностью мутаций у бактерий является относительная легкость их выявления, так как имеется возможность работать с большими по численности популяциями бактерий. По происхождению мутации могут быть: спонтанными; индуцированными. По протяженности: точечными; генными; хромосомными. По направленности: прямыми; - обратными.
Рекомбинации (обмен генетическим материалом) у бактерий отличаются от рекомбинаций у эукариот: у бактерий имеется несколько механизмов рекомбинаций; при рекомбинациях у бактерий образуется не зигота, как у эукариот, а мерозигота (несет полностью генетическую информацию реципиента и часть генетической информации донора в виде дополнения); у бактериальной клетки-рекомбината изменяется не только качество, но и количество генетической информации.
Конъюгация У бактерий - способ переноса генетического материала от одной бактериальной клетки к другой. При этом две бактерии соединяются тонким мостиком, через который из одной клетки (донора) в другую (реципиент) переходит отрезок нити дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Наследственные свойства реципиента изменяются в соответствии с количеством генетической информации, заключённой в переданном кусочке ДНК.
Конъюгация Конъюгация (от лат. conjugatio - соединение), парасексуальный процесс - однонаправленный перенос части генетического материала (плазмид, бактериальной хромосомы) при непосредственном контакте двух бактериальных клеток. Открыт в 1946 году Дж. Ледербергом и Э. Тайтемом. Имеет большое значение в природе, поскольку способствует обмену полезными признаками при отсутствии истинного полового процесса. Из всех процессов горизонтального переноса генов конъюгация позволяет передавать наибольшее количество генетической информации.
Конъюгация - обмен генетической информацией у бактерий путем передачи ее от донора к реципиенту при их прямом контакте. После образования между донором и реципиентом конъюгационного мостика одна нить ДНК-донора поступает по нему в клетку-реципиент. Чем дольше контакт, тем большая часть донорской ДНК может быть передана реципиенту. Основываясь на прерывании конъюгации через определенные промежутки времени, можно определить порядок расположения генов на хромосоме бактерий - построить хромосомные карты бактерий (произвести картирование бактерий). Донорской функцией обладают F+-клетки.
Трансдукция Эстер Ледерберг удалось выделить бактериофаг лямбда, ДНК вирус, из Escherichia coli K 12 в 1950 году. Собственно открытие трансдукции связано с именем Джошуа Ледерберга. В 1952 году они совместно с Нортоном Циндером обнаружили общую трансдукцию. В 1953 Ледербергом и др. было показано существование абортивной трансдукции, в 1956 - специфической.
Трансдукция- обмен генетической информацией у бактерий путем передачи ее от донора к реципиенту с помощью умеренных (трансдуцирующих) бактериофагов. Трансдуцирующие фаги могут переносить 1 или более генов (признаков). Трансдукиия бывает: специфической - переносится всегда один и тот же ген; неспецифической - передаются разные гены. Это связано с локализацией трансдуиируюших фагов в геноме донора: в случае специфической трансдукции они располагаются всегда в одном месте хромосомы; при неспецифической их локализация непостоянна.
Рис. 2. Трансдукция 1 - бактерия - донор (В+), 2 - фаг, 3 - размножение, 4 - адсорбция, 5 - бактерия - реципиент (В-), 6 - бактерия – реципиент с новым свойством.
Трансформация - это обмен генетической информацией у бактерий путем введения в бактериальную клетку реципиент готового препарата ДНК (специально приготовленного или непосредственно выделенного из клетки-донора). Чаще всего передача генетической информации происходит при культивировании реципиента на питательной среде, содержащей ДНК донора. Для восприятия донорской ДНК при трансформации клеткареципиент должна находиться в определенном физиологическом состоянии (компетентности), которое достигается специальными методами обработки бактериальной популяции или возникает спонтанно. При трансформации передаются единичные (чаще 1) признаки. Трансформация является самым объективным свидетельством связи ДНК или ее фрагментов с тем или иным фенотипическим признаком, поскольку в реципиентную клетку вводится чистый препарат ДНК.
Рис. 3. Трансформация капсульный штамм бактерии (1) при посеве дает рост (6). После кипячения этой культуры рост отсутствует (7). Аналогичен результат такого опыта с бескапсульным штаммом (4 -рост +, 8 -рост -). Объединение в одну емкость экстракта касульного (1) и живой культуры бескапсульного (3) штаммов с последующим высевом дает рост капсульного штамма (5).
Свойства клеток колоний S – и R- форм S-форма R-форма Колонии шероховатые, непрозрачные с неровными краями, часто морщинистые Жгутики часто отсутствуют Капсулы или слизистый слой отсутствует Биохимически менее активны Слабовирулентные или авирулентные Неполноценны в антигенном отношении Слабочувствительны к фагу Взвесь быстро оседает, осадок крошковидный, клетки полиморфные Колонии прозрачные, с гладкой блестящей поверхностью, круглые, с ровными краями, выпуклые Подвижные виды имеют жгутики У капсульных видов хорошо видна капсула или слизистый слой Биохимически более активны У патогенных видов выражены вирулентные свойства Полноценны в антигенном отношении Чувствительны к фагу Взвесь клеток в физиологическом растворе гомогенная, стойкая, клетки нормальных размеров
Рекомбинация у прокариот. Трансформация. Конъюгация. Трансдукция. Особенности построения генетических карт у прокариот.
Генетическая рекомбинация
Генотипическая изменчивость прокариот наблюдается в результате рекомбинации генетт-го материала за счет частичного объединения геномов двух клеток и проявляется в фенотипе бактерий. К рекомбинативной изменчивости генетт-го материала прокариот приводят трансформация, трансдукция и конъюгация.
В отличие от эукариот, у которых при половом процессе происходит образование истинной зиготы, объединяющей генетт.материал обоих родителей, у прокариот при всех трех вышеуказанных процессах наблюдается лишь частичный перенос генет-го материала из клетки-донора в клетку-реципиент, что приводит к обр-ию неполноценной зиготы – мерозиготы . Т.о., прокариотная клетка-реципиент становится частично диплоидной, сохраняя в основном генотип клетки-реципиента и приобретая лишь отдельные свойства клетки-донора.
Ответственность за рекомбинации несут специальные гены клетки-реципиента, получившие название rec-генов
. Механизм рекомбинаций включает ряд последовательных стадий:
1) разрыв нитей ДНК клетки-реципиента;
2) встраивание фрагментов ДНК, привнесенных из клетки-донора в геном клетки-реципиента;
3) репликация рекомбинативной ДНК, дающей начало потомству клеток с измененным геномом.
Доказательства вышеуказанного механизма рекомбинации были экспериментально получены при изучении процесса конъюгации кишечной палочки (E.coli) с использованием меченных по фосфору (Р 32) клеток-доноров.
Трансформация (от лат.– преобразование) – изменение генома и свойств бактерий в рез-те переноса информации при проникновении фрагмента свободной ДНК из среды в кл-ку. При трансформации не требуется непосредственного контакта м/у клеткой-донором и клеткой-реципиентом. Источником трансформирующей ДНК может служить свежеубитая культура бактерий или чистые препараты ДНК, экстрагированной из нее.
Явление трансформации у бактерий впервые наблюдал Ф. Гриффитс в 1928 г. Он обнаружил, что при совместном ведении в организм мышей убитого вирулентного капсульного пневмококка S-типа с живым авирулентным бескапсульным пневмококком R-типа все животные погибают. При этом из крови погибших мышей наряду с бескапсульными пневмококками R-типа выделяются вирулентные капсульные пневмококки S-типа. Гриффитс не сумел объяснить явление трансформации. Лишь в 1944 г. О. Эвери, К. Мак-Леод и М. Мак-Карти выделили трансформирующее вещество из убитых клеток капсульных пневмококков и показали, что им является ДНК, чувствительная к ДНК-полимеразе.
Процесс трансформации проходит в несколько этапов
:
1) адсорбция трансформирующей ДНК на поверхности компетентной клетки-реципиента;
2) ферментативное расщепление трансформирующей ДНК с образованием фрагментов со средней молекулярной массой (4-5)·10 6 ;
3) проникновение фрагментов ДНК в клетку-реципиент, сопровождающееся деградацией одной из цепей ДНК и образованием одноцепочечных фрагментов;
4) интеграция – включение фрагментов трансформирующей ДНК в ДНК клетки-реципиента путем генетт-го обмена;
5) экспрессия – интенсивное размножение трансформированных клеток, потомство которых будет иметь измененный ген в молекуле ДНК.
Трансформирующий фрагмент ДНК обычно соответствует 0,3% бактериальной хромосомы, или примерно 15 генам. В клетку-реципиент проникает очень малый фрагмент ДНК, что обуславливает трансформацию только одного признака и редко двух. Путем трансформации из одной клетки в другую могут быть перенесены такие признаки бактерий, как устойчивость к лекарств.препаратам, способность к синтезу капсульных полисахаридов, ферментов, определенных метаболитов и т.д. При трансформации не происходит добавления качественно нового наследственного признака, наблюдается лишь замена одного признака другим.
Трансдукция заключается в переносе генетт-го материала из клетки-донора в клетку-реципиент умеренным бактериофагом. Явление трансдукции в 1952 г. открыли Н. Циндер и Дж. Ледерберг на примере двух штаммов сальмонелл.
По механизму взаимодействия с бактериальной клеткой фаги подразделяются на вирулентные и умеренные. Вирулентные фаги, проникая в клетку, обусловливают формирование новых фагов и лизис бактерий. Заражение клеток умеренными фагами не всегда сопровождается лизисом бактерий, часть их выживает и становится лизогенными. В лизогенных бактериях ДНК-фага включается в ДНК-клетки и умеренный фаг превращается в профаг, утрачивая при этом способность лизировать бактериальную клетку. Профаг ведет себя как часть бактериальной хромосомы и репродуцируется в ее составе в течение ряда поколений. Освобождение умеренных фагов из клеток лизогенных бактерий происходит спонтанно либо под действием лизогенных бактерий происходит спонтанно либо под действием индуцированных агентов – ультрафиолетовых лучей, ионизирующей радиации и химических мутагенов.
В процессе репродукции некоторых умеренных фагов небольшой фрагмент бактериальной хромосомы, включается в геном фага. Трансдуцирующий фаг переносит фрагмент ДНК предыдущего хозяина в новую чувствительную к нему бактериальную клетку. Т.о., бактериальная клетка-реципиент становится частичной зиготой.
У бактерий различают 3 типа трансдукции : специализированную, общую и абортивную.
Специализированная - в геном фага включаются строго определенные гены ДНК бактерии-донора, расположенные на хромосоме бактерии непосредственно рядом с профагом. Прилегающие к профагу гены выщепляются из бактер-ой хромосомы, а часть генов профага остается в ее составе. Освобождающиеся из клетки-донора трансдуцирующие дефектные фаги вызывают лизогенезацию клетки-реципиента. ДНК дефектного фага включается в состав хромосомы клетки-реципиента, привнося в нее и гены бактерии-донора.
Общая - отличается от специализ-ой тем, что в состав ДНК фага включается любой фрагмент ДНК бактерии-донора. Т.о., при общей трансдукции трансдуцирующие фаги переносят из хромосомы бактерии-донора любые гены, контролирующие различные признаки, в клетку бактерии-реципиента.
Абортивная - фрагмент хромосомы клетки-донора, привнесенный трансдуцирующим фагом в клетку-реципиент, не включается в ее хромосому, а локализуется в цитоплазме и при делении клетки-реципиента передается только одной из образующихся клеток.
Трансдукция в эксперименте показана на кишечных бактериях, псевдомонадах, стафилококках, бациллах и актиномицетах. Трансдукция определяет появление разновидностей бактерий с новыми свойствами, устойчивость к лекарственным препаратам, синтез ферментов, аминокислот и др.
В экспериментах по генной инженерии трансдукция открывает не только широкие возможности межвидовой гибридизации бактерий, но и возможность получения гибридов среди разных групп прокариот.
Конъюгация происходит при непосредственном контакте бактер-ых кл-ок и предусматривает направленный перенос генетт-го материала из клетки-донора в клетку-реципиент. Феномен конъюгации в 1946 г. описали Дж. Ледерберг и Э. Тейтум на примере кишеч.палочки (E.coli) штамма К 12 .
Способность бактерий к конъюгации связана с наличием у них полового F-фактора, относящегося к числу конъюгативных плазмид. Клетки, несущие F-фактор, обозначаются F + ; клетки, лишенные F-фактора, - F ¯ . F-фактор (F-плазмида) в клетках F + обычно находится в изолированном состоянии от бактериальной хр-мы и является цитоплазматической структурой. Бактер-ые клетки, содержащие F-фактор, отличаются от остальных клеток рядом свойств: измененным поверхностным зарядом и способностью синтезировать дополнительные поверхностные структуры F-пили.
Процесс конъюгации начинается с прикрепления конца F-пили клетки-донора к клетке-реципиенту. В теч.неск-их минут клетка-донор и клетка-реципиент сближаются, возможно, за счет сокращения F-пили и вступают в непосредственный контакт. Ч/з цитоплазматический мостик по каналу F-пили, менее чем за 5 мин, происходит передача полового F-фактора, независимо от бактериальной хромосомы, из цитоплазмы клетки-донора F + в цитоплазму клетки-реципиента F ¯ . При этом клетка-донор не теряет своей донорной способности, так как в ней остаются копии F-фактора.
Среди популяции клеток F + имеются бактерии, способные при конъюгации передавать не F-фактор, а фрагмент бактериальной хромосомы. Эти клетки бактерий и образованные ими штаммы обозначаются Hfr (high frequency of recombination), что означает бактерии с высокой частотой рекомбинации. Рекомбинации м/у кл-ми Hfr и кл-ми F ¯ происходят в тысячу раз чаще, чем между клетками F + и F ¯ . Отличие клеток Hfr от клеток F + заключается в том, что половой F-фактор у них включён в бактериальную хромосому. Во время конъюгации в клетке-доноре Hfr идет процесс репликации ДНК. При этом одна из реплицирующихся цепей ДНК ч/з конъюгационный мостик проникает в клетку-реципиент F ¯ , вторая остается в клетке-доноре Hfr, затем каждая из этих цепей достраивается комплементарной нитью. Конъюгационный мостик непрочен, он легко разрывается, поэтому из клетки-донора Hfr в клетку-реципиент F ¯ передается не вся хромосома, а лишь ее фрагмент.
М/у перенесенным из клетки Hfr фрагментом хромосомы и гомологичным участком хромосомы клетки F ¯ происходит генет-ий обмен. В результате часть донорной ДНК встраивается в ДНК реципиента, а соответствующая часть реципиентной ДНК исключается из нее. Эффективность включения донорной ДНК в хромосому реципиента высока и составляет примерно 0,5.
Конъюгацию прокариот не следует отождествлять с половым процессом эукариот, т.к.при конъюгации в клетку F ¯ передается только часть генет-го материала клетки F + , в результате чего образуется неполноценная мерозигота. Основу последней составляет геном клетки-реципиента с привнесенной частью генома клетки-донора.
Наряду со стабильностью и точностью наследственных свойств генетический аппарат прокариот характеризуется изменчивостью, которая проявляется в форме мутаций и рекомбинаций.
Спонтанные мутации прокариот следует считать начальным видом изменчивости, возникшим параллельно началу функционирования их ДНК как генетической структуры. Возможно, что на протяжении миллионов лет мутации были единственным механизмом изменчивости прокариот.
Скачком в эволюции прокариот явилось появление рекомбинативной изменчивости, заключающейся в частичном объединении генет-ой информации двух прокариотных клеток донора и реципиента. Т.о. возник новый дополнительный материал для естеств.отбора, ускоряющий процесс эволюции. Из трех вышерассмотренных рекомбинативных процессов наиболее совершенным является конъюгация, т.к.она обеспечивает более полный обмен генетической информации м/у двумя клетками. Известны случаи, когда при длительной конъюгации (90 мин) двух клеток E.coli наблюдается вхождение всей хромосомы клетки-донора в клетку-реципиент.
Эффективность генет-их рекомбинаций оказывается высокой только для близкородственных бактерий, имеющих родство в пределах вида.
Особенности построения генетических карт у прокариот
Для построения генетт.карт у прокариот используется явление конъюгации – переноса генетт-го материала из одной клетки в другую с помощью спец.кольцевых молекул ДНК (плазмид, в частности, с помощью F–плазмиды).
Вероятность переноса определенного гена в клетку–реципиент зависит от его удаления от F–плазмидной ДНК, а точнее, от точки О, в которой начинается репликация F–плазмидной ДНК. Чем больше время конъюгации, тем выше вероятность переноса данного гена. Это дает возможность составить генетическую карту бактерий в минутах конъюгации. Например, у кишечной палочки ген thr (оперон из трех генов, контролирующих биосинтез треонина) находится в нулевой точке (то есть непосредственно рядом с F–плазмидной ДНК), ген lac переносится через 8 мин, ген recE – через 30 мин, ген argR – через 70 мин и т.д.
Генетические рекомбинации у эукариот - это образование индивидуумов с новым сочетанием признаков в результате полового процесса. Новая особь получает несколько генов от одного родителя и несколько от другого, генетически отличающегося родителя. Благодаря процессу рекомбинации увеличивается число наследственных изменений, на которые может воздействовать отбор.
У прокариот генетическая рекомбинация относится к так называемым парасексуальным процессам. У этих организмов известны три процесса, посредством которых генетический материал от двух различных родителей может рекомбинироваться. Это трансформация, конъюгация и трансдукция. Однако ни в одном из этих процессов не происходит истинного слияния клеток или полного слияния нуклеоидов. Лишь часть генетического материала клетки-донора передается клетке-реципиенту. Реципиент, таким образом, становится диплоидным, потому что часть его генетического материала дополняется генетическим материалом донора.
В такой неполной зиготе, называемой мерозиготой, сформированной в результате переноса генов, генетический материал реципиентной клетки называется эндогенным, а генетический фрагмент, переданный из донора,- экзогенным. Обычно экзогенная и эндогенная части соединяются и обмениваются сегментами немедленно после переноса.
Трансформация - это процесс переноса генов, при котором часть ДНК клетки-донора, полученная либо эстрагированием, либо при естественном лизисе клеток, может проникать в родственную (одного и того же вида или близкородственных видов) бактериальную клетку-реципиент. В результате происходит включение в ДНК реципиента фрагментов хромосомы ДНК донора, что обусловливает изменение признаков бактерии-реципиента.
Процесс трансформации можно подразделить на несколько стадий: 1 - контакт ДНК с поверхностью клетки; 2 - проникновение ДНК в клетку; 3 - соединение трансформирующей ДНК с соответствующим фрагментом хромосомы реципиента. Дальнейший процесс связан с рекомбинацией части экзогенной молекулы трансформирующей ДНК с реципиентной эндогенной хромосомной ДНК. Последняя стадия - репликация включенной в хромосому новой информации.
В лабораторных условиях трансформация осуществляется следующим образом. ДНК определенного штамма бактерий извлекают, очищают и смешивают с клетками бактерий другого штамма, отличающегося от первого одним или несколькими наследственными свойствами. Культуру подопытного микроорганизма оставляют расти. Среди потомства можно обнаружить небольшое количество клеток с некоторыми свойствами штамма, из которого была извлечена ДНК.
Очень редко бывает, что единичная бактериальная клетка приобретает в результате трансформации более чем одно новое свойство. Передача через ДНК большего числа признаков наблюдается лишь в том случае, если культура микроба-донора генетически близка к клеткам микроба-реципиента.
С помощью трансформирующей ДНК могут передаваться такие признаки, как капсулообразование, синтез необходимых клетке веществ, ферментативная активность, устойчивость к ядам, антибиотикам и другим лекарственным веществам.
Трансформацию наблюдали у многих бактерий, в частности у представителей родов Bacillus, Rhizobium, Streptococcus и др.
Конъюгация - процесс, при котором сблизившиеся родительские клетки соединяются обычно с помощью конъюгационных мостиков, через последние происходит обмен генетическим материалам. Конъюгацию исследовали у различных бактерий (Escherichia, Shigella, Salmonella, Pseudomonas), в частности она хорошо изучена у Escherichia coli.
Возможность клетки стать донором определяется специфическим половым фактором F (от англ. fertility - плодовитость), который при конъюгации переносится из одной бактериальной клетки в другую. Эти клетки были названы F+-клетками. Клетки бактерий, не имеющие F-фактора, являются реципиентами генетического материала и обозначаются F - Половой фактор F относится к числу конъюгативных плазмид и представляет собой циркулярно замкнутую молекулу ДНК с молекулярной массой 64х106 а. е.м. F-плазмида обусловливает образование на поверхности клетки одной или двух так называемых половых фимбрий, или F-pili, способствующих соединению клеток-доноров с клетками - реципиентами, а также независимую от хромосомы репликацию собственной ДНК и образование продуктов, которые обеспечивают перенос генетического материала как самой F-плазмиды, так и хромосомы клетки. F-плазмида располагается в цитоплазме автономно, вне бактериальной хромосомы. Однако она обладает способностью включаться (иитегрировать) в определенные места бактериальной хромосомы и становиться ее частью.
В результате интеграции F-плазмиды в состав бактериальной хромосомы образуется так называемый Hfr-штамм (High frequency of recombination - высокая частота рекомбинации). Когда происходит скрещивание Hfr-штамма с F - - бактериями, то, как правило, F - фактор не
Передается, а гены хромосомы бактерий передаются с довольно высокой частотой. В начале процесса конъюгации клетки-доноры F+ или Hfr соединяются с клетками-реципиентами (благодаря наличию у доноров F-pili). Впоследствии между клетками образуется конъюгационный мостик и через него, из клетки-донора в клетку-реципиент, передается генетический материал или F-плазмиды, или хромосомы. Обычно при конъюгации передается только одна цепь ДНК-донора, а вторая цепь (комплементарная) достраивается в клетке реципиента. Перенос, как правило, начинается с одного конца хромосомы и продолжается с последующим переносом других участков ее (рис. 21).
Переносу генетического материала можно препятствовать в любое время, разделяя конъюгирующие пары с помощью сильного встряхивания суспензии микроорганизмов, находящихся в жидкой среде. В этом случае только некоторые свойства мужских клеток переносятся в женскую клетку и могут проявиться в потомстве. Рано или поздно перенос прекращается в большинстве конъюгирующих пар и тогда, когда их искусственно не разделяют. Это происходит потому, что конъюгационный мостик непрочен и легко разрушается, не влияя на жизнеспособность клеток.
Таким образом, в результате конъюгации реципиентная клетка F - превращается в мерозиготу, содержащую из-за самопроизвольного прерывания переноса генетического материала только часть хромосомы-донора F+ в дополнение к собственной хромосоме. В результате процесса кроссинговера (перекрест хромосом, при котором гены меняются местами), наблюдающегося и у других организмов, образуется новая комбинация генетического материала. В зависимости от места расположения подвергающегося обмену генетического материала в потомстве могут возникнуть рекомбинанты разного типа.
Трансдукция - процесс переноса генетического материала от одной бактериальной клетки к другой посредством бактериофага. Другими словами, фаг при этом играет как бы роль гаметы, перенося в клетку - реципиент фрагмент ДНК клетки-донора. Трансдукция происходит при участии умеренных фагов.
Известны три главных типа трансдукции: общая (неспецифическая), локализованная (специфическая) и абортивная. При неспецифической трансдукции происходит передача различных фрагментов ДНК от бактерий-доноров к бактериям - реципиентам с помощью умеренных трансдуцирующих фагов. При этом принесенный фагом фрагмент ДНК донора способен включаться в гомологическую область ДНК клетки - реципиента путем рекомбинации.
Специфическая трансдукция характеризуется способностью фага переносить от бактерий - доноров к бактериям - реципиентам только определенные гены. Это обусловлено тем, что образование трансдуцирующего фага происходит в результате соединения его ДНК со строго определенными бактериальными генами, расположенными на хромосоме клетки-донора. Считают, что каждая частица фага переносит или только один бактериальный ген, или несколько близколежащих генов.
При Абортивной трансдукции принесенный фагом фрагмент хромосомы клетки - донора не включается в хромосому клетки-реципиента, а располагается в ее цитоплазме автономно и в таком виде может функционировать. В процессе деления клетки - реципиента трансдуцированный фрагмент ДНК - донора может передаваться только одной из двух дочерних клеток, то есть наследуется однолинейно, в связи, с чем утрачивается в потомстве.
При трансдукции возможен перенос генов, контролирующих питательные особенности бактерий, их устойчивость к лекарственным веществам, ферментативную активность, двигательный аппарат (жгутики) и другие свойства.
Перенос признаков с помощью процесса трансдукции обнаружен у представителей родов Bacillus, Pseudomonas, Salmonella, Escherichia и др.
Процесс образования геномов, содержащих генетический материал от двух родительских форм . У бактерий осуществляется в результате конъюгации, трансформации, трансдукции.
Рекомбинации подразделяют на законные и незаконные. Законная рекомбинация требует наличия протяженных, комплементарных участков ДНК в рекомбинируемых молекулах. Она происходит только между близкородственными видами микроорганизмов.
Незаконная рекомбинация не требует наличия протяженных комплементарных участков ДНК.
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. Клетки, способные воспринимать донор
ную ДНК, называются компетентными. Состояние компетентности непродолжительно. Оно возникает в определенный период роста бактериальной культуры.В состоянии компетентности клеточная стенка бактерий становится проницаемой для высокополимерных фрагментов ДНК. По-видимому, это связано с тем, что трансформируемый фрагмент ДНК связывается с белком, образуя трансформасому, в которой он переносится в бактериальную клетку. Процесс трансформации:
1).Адсорбция ДНК-донора на клетке-реципиенте.
2) проникновение ДНК внутрь клетки-реципиента;
3) соединение ДНК с гомологичным участком хромосомы реципиента с последующей рекомбинацией.
После проникновения внутрь клетки трансформирующая ДНК деспирализуется. Затем происходит физическое включение любой из двух нитей ДНК донора в геном реципиента.
Трансдукция - процесс переноса бактериальной ДНК из одной клетки в другую бактериофагом .
Неспецифическая : трансдуцирующие фаги являются только переносчиком генетического материала от одних бактерий к другим, поскольку сама фагоная ДНК не участвует в образовании рекомбинантов.
Специфическая
: характеризуется способностью фага переносить определенные гены от бактерии-донора к бактерии-
реципиенту.
Абортивная : принесенный фагом фрагмент ДНК бактерии донора не включается в хромосому бактерии реципиента, а располагается в цитоплазме.
Конъюга́ция - однонаправленный перенос части генетического материала при непосредственном контакте двух бактериальных клеток.
Первым этапом является прикрепление клетки-донора к реципиентной клетке с помощью половых ворсинок.Затем между обеими клетками образуется конъюгационный мостик через который из клетки-донора в клетку-реципиент могут передаваться F-фактор и другие плазмиды, находящиеся в цитоплазме бактерии-донора в автономном состоянии.
Транспозиция - перемещение определенных генетических элементов из одного места на хромосоме в другое.
микроб пищеварение инфекция
Рекомбинация -- процесс обмена генетическим материалом путем разрыва и соединения разных молекул. Рекомбинация происходит при репарации двунитевых разрывов в ДНК и для продолжения репликации в случае остановки репликационной вилки у эукариот, бактерий и архей. У вирусов возможна рекомбинация между молекулами РНК их геномов.
Рекомбинация у эукариот обычно происходит в ходе кроссинговера в процессе мейоза, в частности, при формировании сперматозоидов и яйцеклеток у животных. Рекомбинация, наряду с репликацией ДНК, транскрипцией РНК и трансляцией белков, относится к фундаментальным, раноГомологичная рекомбинация
Гомологичная рекомбинация
Классификация типов гомологичной рекомбинации: аллельная, эктопическая и гомеологичная; реципрокная (кроссинговер) и нереципрокная (генная конверсия).
Реципрокная рекомбинация. Ранние представления о природе кроссинговера: гипотезы “разрыв и соединение” и “выборочное копирование”. Опыты Мезелсона по доказательству механизма “разрыв и соединение”. Разработка методических подходов к изучению молекулярных механизмов рекомбинации. Два этапа формирования рекомбинантной ДНК: “состыкованная” (joint) и первичная рекомбинантная молекулы.
Генетический контроль гомологичной рекомбинации у бактериофагов. Система Red у бактериофага l. Экзонуклеаза l. Система Orf. Бактериофаг Т4: роль генов 30, 32, 43, 46, 47, 49 и uvsX. Энзимология рекомбинационных реакций: эндо- и экзонуклеазы, ДНК-полимераза, ДНК-лигаза, белок UvsX, белок SSB и другие белки. Процессы “вытеснения нити”, образования D-петли, “миграции ветвления”, коррекции гетеродуплекса. Основные стадии кроссинговера: пресинапсис, синапсис и постсинапсис. Схемы кроссинговера у бактериофагов. Общность процессов рекомбинации и репарации ДНК.
Основные модели гомологичной рекомбинации. Модель Холлидея. Предпосылки модели, сущность, значение. Развитие модели в последующих исследованиях, ее современное состояние. Модель Мезелсона-Рэдинга. Модель репарации двунитевых разрывов (ДНР) ДНК у дрожжей (Жостак и др.) применительно к кроссинговеру и конверсии.
Рекомбинация при трансформации хромосомной ДНК у бактерий. Параметры рекомбинации. Размеры интегрируемых фрагментов донорной ДНК. Кинетика и эффективность трансформации. Доказательства интеграции однонитевых фрагментов донорной ДНК. Генетический контроль и основные этапы процесса трансформации у Bacillus subtilis и Streptococcus pneumoniae. Донорно-реципиентный комплекс. Генетический контроль и механизм рекомбинации при трансформации у Haemophilus influenzae. Трансформосома.
Рекомбинация при конъюгации у Escherichia coli. Характеристика конъюгационного переноса ДНК. Механизмы интеграции донорной ДНК в хромосому реципиентной клетки.
Генетический контроль гомологичной рекомбинации у E.coli. Гены, участвующие в пресинапсисе: recA, recB, recC, recD, recE, recJ и др. Плейотропный эффект мутаций recB и recC. АТФ-зависимая RecBCD-нуклеаза, ее актвности, механизмы действия и роли в различных генетических процессах. Chi-сайт как горячая точка рекомбинации. Универсальность АТФ-зависимых нуклеаз для бактерий. Гены, контролирующие процесс синапсиса: recA, recF, recO, recR, ssb и др. Свойства recA-мутантов. Белок RecA, его характеристика. Реакции, катализируемые белком RecA, его ключевая роль в первых этапах процесса кроссинговера: пресинапсисе и синапсисе. Природа синапсиса при гомологичной рекомбинации. RecA-ДНК-филаменты, их структура и функции в рекомбинации. Схема кроссинговера у E.coli с участием RecBCD-нуклеазы и белка RecA. RecA-гомологи у других прокариотических и эукариотических организмов. Роль белка SSB. Гены постсинапсиса: ruvA, ruvB, ruvC, recG и их продукты. Pоль в осуществлении миграции полухиазмы Холлидея и в ее разрешении.
Супрессорные мутации sbcA, sbcB, sbcC и sbcD. Экзонуклеазы I и VIII. SbcCD-нуклеаза. Три пути рекомбинации хромосомной ДНК у E.coli K-12 по Кларку: RecBCD, RecF и RecE, их характеристика. Роль путей RecF и RecE в гомологичной рекомбинации плазмид.
Особенности процесса кроссинговера у эукариот. Мейотический кроссинговер. Роль синаптонемного комплекса. Генетический контроль мейотической рекомбинации. Разнообразие RecA-подобных белков (рекомбиназ) у эукариот.
Митотический кроссинговер: соотношение между реципрокной и нереципрокной рекомбинацией. Кроссинговер в G1-клетках. Различия в генетическом контроле мейотического и митотического кроссинговера у дрожжей-сахаромицетов.
Горячие точки рекомбинации у эукариот. Роль ДНР ДНК в инициации мейотического и митотического кроссинговера.
Рекомбинационная репарация ДНР в хромосомной и плазмидной ДНК у дрожжей. Генетический контроль и разнообразие механизмов: модель Жостака и др. и ее модификации, механизмы “разрыв и копирование”, “отжиг комплементарных цепей ДНК” (“single-strand annealing”), “гомолог-зовисимое лигирование”.
Эктопическая рекомбинация, ее генетический контроль, молекулярные механизмы и биологическое значение.
Конверсия гена (коррекция рекомбинационного гетеродуплекса). Нереципрокность внутригенной рекомбинации. Гипотеза коррекции неспаренных оснований (Холлидей). Генетический контроль и пути коррекции гетеродуплексов у E.coli. Системы репарации неспаренных оснований с образованием и застройкой протяженных брешей в гетеродуплексе. Система Mut HLSU, ее характеристика. Молекулярная модель коррекции гетеродуплекса с участием системы MutHLSU. Эволюционный консерватизм белков MutL и MutS. Роль белков MutL и MutS в процессах коррекции неспаренных оснований и в регуляции гомеологичной рекомбинации. Системы коррекции неспаренных оснований у E.coli с формированием и застройкой коротких брешей. Коррекция гетеродуплексов при бактериальной трансформации, ее генетический контроль (система Hex), влияние на результаты генетического картирования. Коррекция и высокая отрицательная интерференция.
Конверсия гена у эукариот. Тетрадный анализ межаллельных скрещиваний. Типы тетрад. Полярность конверсии, ее причины. Коконверсия. Протяженность участка конверсии. Вопрос о связи мейотической конверсии с реципрокной рекомбинацией фланговых маркеров. Митотическая аллельная генная конверсия. Эктопическая мейотическая и митотическая конверсия. Переключение локусов MAT у гомоталличных дрожжей. Генетический контроль конверсии гена у экариот на примерах дрожжей и человека. Эукариотические гомологи бактериальных белков MutL и MutS - семейства белков PMS, MHL, MHS и др., их функции в рекомбинации и других клеточных процессах. Сложность систем коррекции неспаренных оснований у эукариот, основанная на участии разнообразных гомологов батериальных белков MutL и MutS.
Роли конверсии в эволюции и в онтогенезе. Соотношение между процессами кроссинговера и конверсии в различных генетических системах. Конверсионные процессы, осуществляющиеся независимо от кроссинговера.
Рекомбинационные процессы, не нуждающиеся в гомологии для синапсиса
Сайт-специфическая рекомбинация. Распространение сайт-специфических рекомбинационных систем у прокариот и эукариот, их функции. Сайт-специфические топоизомеразы типа I как ключевые белки сайт-специфической рекомбинации у бактериофагов, бактерий и дрожжей. Два семейства сайт-специфических топоизомераз I - интегразы и резолвазы.
Сайт-специфическая рекомбинация при интеграции и эксцизии фага l. Схема Кемпбела. Различия между генетическими картами вегетативного фага и профага. Структура сайтов attP и attB. Система Int. Int-белок как представитель семейства интеграз. Белок IHF E.coli. Интасома. Молекулярная модель интеграции и эксцизии фага l. Антипараллельное выстраивание att-сайтов при синапсисе. Природа синапсиса при сайт-специфической рекомбинации.
Сайт-специфические инверсии ДНК у бактериофагов и бактерий (система Din) и у дрожжей. Ключевые белки рекомбинации - инвертазы как представители семейства резолваз. Рекомбинационные энхансеры для сайт-специфических инверсий. Белок Fis E.coli. Инвертасома. Молекулярная модель рекомбинации, осуществляемой резолвазами. Роль сайт-специфических инверсий в регуляции экспрессии генов.
Транспозиции подвижных генетических элементов. Транспозиции у прокариот. Подвижные генетические элементы: IS-элементы, транспозоны (Tn), фаг Мu. Структура подвижных элементов. Функции, контролируемые различными подвижными элементами. Транспозаза. Участие белков клетки-хозяина в транспозиции. Вопрос о специфичности интеграции подвижного элемента в ДНК-мишень. Общность реакций, составляющих процессы транспозиции у разных типов подвижных элементов прокариот и эукариот.
Генетическая организация простых транспозонов семейства Tn3. Гены tnpA и tnpR, их продукты. Репликативная транспозиция, два этапа процесса. Молекулярная модель Шапиро. Генетический контроль и молекулярный механизм нерепликативной транспозиции у сложных транспозонов Tn5, Tn9 и Tn10. Генетический контроль и механизмы транспозиции у фага Mu. Транспозосома.
Конъюгативные транспозоны грамположительных и грамотрицательных бактерий, их классификация. Генетический контроль и механизмы транспозиции. Биологическое значение.
Подвижные генетические элементы эукариот (дрожжи, растения, дрозофила, млекопитающие). Классификация эукариотических подвижных элементов. Элементы со структурой прокариотического типа. Ретротранспозоны типа I у дрожжей, растений и животных, их структура, генетический контроль и механизм транспозиции, классификация. Ретротранспозоны типа II: особенности строения, распространение, механизм транспозиции.
Генетические эффекты, вызываемые подвижными элементами у прокариот и эукариот: изменения экспрессии генов, генные мутации, хромосомные перестройки, гибридный дисгенезиз. Участие подвижных элементов в организации структуры хромосом. Роль в онтогенезе живых организмов и в эволюции генетического материала. Подвижные элементы как инструмент генетических исследований.
Незаконная рекомбинация. Круг явлений, относимых к незаконной рекомбинации. Негомологичная рекомбинация у бактерий, катализируемая ДНК-гиразой. Молекулярная модель (Икеда). Негомологичная рекомбинации с участием ДНК-зависимой протеинкиназы у позвоночных. Роль в репарации двунитевых разрывов, интеграции экзогенной ДНК в хромосомы и в перестройках иммуноглобулиновых последовательностей ДНК.
Запрограммированные рекомбинационные перестройки генетического материала в онтогенезе
Состыковка разобщенных частей генов с помощью сайт-специфической рекомбинации в процессе споруляции у Bacillus subtilis и при формировании гетероцист у нитчатых цианобактерий. Перестройка генетического материала при образовании макронуклеуса у ресничных инфузорий. Диминуция хроматина у ряда представителей беспозвоночных.
Сайт-специфическая рекомбинация у позвоночных, участвующая в перестройках иммуноглобулиновых последовательностей ДНК. Структура молекул иммуноглобулинов. Организация и структура последовательностей ДНК, участвующих в формировании генов, кодирующих иммуноглобулины. Роль продуктов генов RAG1 и RAG2. Механизм сайт-специфической рекомбинации при состыковке кодирующих сегментов генов иммуноглобулинов. Участие других генетических процесов в формировании генов иммуноглобулинов: гомологичная рекомбинация (эктопический митотический кроссинговер, эктопическая митотическая конверсия), незаконная рекомбинация, гипермутагенез, альтернативный сплайсинг. Приуроченность этих процессов к определенным стадиям дифференцировки B-лимфоцитов.
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 прокариот
В любой популяции лишь часть бактерий способна к поглощению из среды молекул ДНК. Состояние клеток, при котором это возможно, называют состоянием компетентности. Обычно максимальное число компетентных клеток наблюдается в конце фазы логарифмического роста.
В состоянии компетентности бактерии вырабатывают особый низкомолекулярный белок (фактор компетентности), активизирующий синтез аутолизина, эндонуклеазы I и ДНК-связывающего белка. Аутолизин частично разрушает клеточную стенку, что позволяет ДНК пройти через неё, а также снижает устойчивость бактерий к осмотическому шоку. В состоянии компетентности также снижается общая интенсивность метаболизма. Возможно искусственное приведение клеток в состояние компетентности. Для этого применяют среды с высоким содержанием ионов кальция, цезия, рубидия, электропорацию или заменяют клетки реципиента протопластами без клеточных стенок.
Эффективность трансформации определяется количеством колоний, выросших на чашке Петри после добавления к клеткам 1 мкг суперскрученной плазмидной ДНК и рассева клеток на питательную среду. Современные методы позволяют добиваться эффективности 106--109.
Поглощаемая ДНК должна быть двухнитевой (эффективность трансформации однонитевой ДНК на порядки ниже, однако несколько возрастает в кислой среде), её длина -- не менее 450 пар оснований. Оптимальное pH для прохождения процесса -- около 7. Для некоторых бактерий (Neisseria gonorrhoeae, Hemophilus) поглощаемая ДНК должна содержать определённые последовательности.
ДНК необратимо адсорбируются на ДНК-связывающем белке, после чего одна из нитей разрезается эндонуклеазой на фрагменты длиной 2--4 тыс. пар оснований и проникает в клетку, вторая полностью разрушается. В случае, если эти фрагменты имеют высокую степень гомологии с какими-либо участками бактериальной хромосомы, возможна замена этих участков на них. Поэтому эффективность трансформации зависит от эволюционного расстояния между донором и реципиентом. Общее время процесса не превышает нескольких минут. Впоследствии, при делении, в одну дочернюю клетку попадает ДНК, построенная на основе исходной нити ДНК, в другую -- на основе нити с включённым чужеродным фрагментом (выщепление)
Трансформация эукариотических клеток с использованием синтетических полимерных катионов
Доставка чужеродных нуклеиновых кислот внутрь интактных клеток, или трансформация, лежит в основе многих методов генной инженерии. Транспортировка функциональных генов в ткани может сделать возможной коррекцию генной недостаточности и мутаций, следствием которых являются тяжелые наследственные патологии или раковые опухоли. В настоящее время разработан целый ряд приемов для введения ДНК в клетки, среди которых наиболее распространены преципитация фосфатом кальция или диэтиламиноэтил-декстраном (ДЕАЕ-декстраном), электропорация, микроинъекция, встраивание ДНК в реконструированную оболочку вирусов или липосомы (искусственные мембранные липидные везикулы).
Несмотря на разнообразие этих методов, поиск новых путей трансформации про- и эукариотических клеток продолжается. С одной стороны, это вызвано необходимостью повышения эффективности трансформации, с другой - перечисленные выше методы применимы лишь для ограниченного числа клеточных линий и неэффективны при попытках введения в клетки РНК. Наконец, большинство этих подходов не может быть использовано для генетической трансформации in vivo.
В качестве переносчиков ДНК используются ретровирусные векторы, векторы на основе ДНК-содержащих вирусов и ВИЧ, липосомы на основе катионных липидов, полимерные ДНК-связывающие катионы. Использование синтетических полимеров в качестве переносчиков ДНК имеет ряд преимуществ: удобство хранения и очистки, простота тестирования токсичности и безопасности и, что особенно важно для генной терапии, снижение риска патогенетических и иммунологических осложнений.
При смешивании растворов линейных поликатионов и ДНК формируются интерполиэлектролитные комплексы (ИПЭК) за счет образования кооперативной системы межцепных электростатических связей. При этом поликатионные цепи окружают молекулу ДНК, образуя сферы или тороиды, в зависимости от типа полимера. Включение в ИПЭК приводит к компактизации ДНК, повышению ее устойчивости к действию нуклеаз, способствует усилению ее взаимодействия с клеточной мембраной и повышению трансформирующей активности по отношению как к прокариотическим, так и эукариотическим клеткам. Соединяя молекулы поликатиона с лигандами, способными к специфическому связыванию с клеточной мембраной, можно обеспечить проникновение ИПЭК в клетку по рецепторному пути, а в организме - адресную доставку к клеткам-мишеням.
Системы доставки ДНК для применения в генной терапии должны обеспечивать проникновение ДНК в нужный орган, ткань, или в конкретную группу клеток, а затем - в клеточное ядро. Антисмысловые олигонуклеотиды, а именно они чаще всего используются в генной терапии, должны найти ту мРНК или участок хромосомной ДНК, против которой они направлены. Введенный ген должен войти в состав конструкции, способной его экспрессировать.
Однако это довольно сложная проблема. При введении нуклеиновой кислоты или олигонуклеотида в организм они не попадут преимущественно к нужной ткани или нужному органу, а та их часть, которая окажется в нужном месте, лишь в незначительной мере сможет пройти сквозь гидрофобную клеточную мембрану. Кроме того, в ходе эволюции были выработаны механизмы защиты клеток организма от вторжения факторов внешней среды, в том числе и чужеродной ДНК. Оказавшись внутри клетки, чужеродная ДНК может локализоваться не там, где это необходимо и, более того, может оказаться в лизосомах, где будет разрушена под действием нуклеаз.
Проникновение в клетку и внутриклеточный транспорт ИПЭК происходит, возможно, за счет образования и последовательного разрушения эндосом. На каждом из этапов этого процесса существенная часть материала теряется. Скудное высвобождение векторов из эндосом в цитоплазму и неэффективный перенос их в ядро приводят к низкой эффективности трансгенной экспрессии.
Рестрикционная карта плазмиды pBR 322:
цифрами указана нумерация нуклеотидов;
тонкие черточки - единичные сайты, узнаваемые рестриктазами;
толстые серые стрелки сверху - направление транскрипции;
Pbla - промотор гена Ampr - устойчивость к ампициллину;
Ptet- промотор гена Tetr- устойчивость к тетрациклину;
TТ1 - Rho-независимый терминатор транскрипции (положение 3140-3160); ТТ2 - положение 3080-3110; ROP - белок, способствующий образованию дуплексов между РНК 1 и РНК 2 (негативный регулятор копийности); РНК 1 - контрольная РНК (контролирует копийность плазмиды); РНК 2 - «праймерная» РНК (служит затравкой для репликации); толстые черные стрелки - направление транскрипции РНК 1 и РНК 2
Векторы на основе фага М13
Можно выделить три пути повышения эффективности переноса ДНК в эукариотические клетки с помощью синтетических поликатионов. Во-первых, это повышение специфичности трансфекции за счет лигандов, соединенных с молекулой поликатиона и обеспечивающих избирательное взаимодействие комплексов с клетками определенного фенотипа. Во-вторых - повышение эффективности трансформации за счет подбора генов или олигонуклеотидов, внедряемых в клетку. В-третьих - повышение частоты трансфекции, которое достигается за счет применения лигандов, более эффективно взаимодействующих с клеточной мембраной, и веществ, дестабилизирующих мембрану. Кроме того, возможен синтез новых поликатионов.
В лаборатории молекулярной вирусологии и генной инженерии НИИ гриппа РАМН в Санкт-Петербурге проводится изучение средств доставки ДНК и вирусных частиц в клетки. В этой работе используется набор полимерных носителей, синтезированный сотрудниками Института высокомолекулярных соединений РАН. В качестве экспрессионных векторов использовались плазмиды: pUC 18, содержащая цитомегаловирусный промотор и ген b-галактозидазы, и pBR 322, содержащая цитомегаловирусный промотор и ген зеленого флуоресцирующего белка водорослей.
В результате проведенных исследований было выяснено, что наибольшую трансфекционную активность имеют ИПЭК поли-(2-(диметиламино)этил)метакрилата (PDMAEMA) с низкими молекулярными массами. Дальнейшие исследования позволят разработать новые подходы к решению актуальных проблем в вирусологии, молекулярной и клеточной биологии, генной инженерии, генной терапии.
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.
Общая (неспецифическая) трансдукция
Осуществляется фагом P1, существующим в бактериальной клетке в виде плазмиды, фагами P22 и Mu, встраивающимися в любой участок бактериальной хромосомы. После индуцирования профага с вероятностью в 10?5 на одну клетку возможна ошибочная упаковка фрагмента ДНК бактерии в капсид фага, ДНК самого фага в нём в этом случае нет. Длина этого фрагмента равна длине нормальной фаговой ДНК, его происхождение может быть любым: случайный участок хромосомы, плазмида, другие умеренные фаги.
Попадая в другую бактериальную клетку, фрагмент ДНК может включаться в её геном, обычно путём гомологичной рекомбинации. Перенесённые фагом плазмиды способны замыкаться в кольцо и реплицироваться уже в новой клетке. В ряде случае фрагмент ДНК не встраивается в хромосому реципиента, не реплицируется, но сохраняется в клетке и транскрибируется. Это явление носит название абортивной трансдукции.
Специфическая трансдукция
Наиболее хорошо изучена специфическая трансдукция на примере фага л. Этот фаг встраивается только в один участок (att-сайт) хромосомы E. coli с определённой последовательностью нуклеотидов (гомологичной att-участку в ДНК фага). Во время индукции его исключение может пройти с ошибкой (вероятность 10?3--10?5 на клетку): вырезается фрагмент тех же размеров что и ДНК фага, но с началом не в том месте. При этом часть генов фага теряется, а часть генов E. coli захватывается им. Вероятность переноса гена в этом случае падает при увеличении расстояния от него до att-сайта.
Для каждого специфически встраивающегося в хромосому умеренного фага характерен свой att-сайт и, соответственно, расположенные рядом с ним гены, которые он способен передавать. Ряд фагов может встраиваться в любое место на хромосоме и переносить любые гены по механизму специфической трансдукции. Кроме того, в хромосоме обычно есть последовательности, частично гомологичные att-участку ДНК фага. При повреждении полностью гомологичного att-сайта можно добиться включения фага в хромосому по этим последовательностям и передачу в ходе специфической трансдукции генов, соседних уже с ними.
Когда умеренный фаг, несущий бактериальные гены, встраивается в хромосому новой бактерии-хозяина, она содержит уже два одинаковых гена -- собственный и принесённый извне. Поскольку фаг лишён части собственных генов, часто он не может индуцироваться и размножиться. Однако при заражении этой же клетки «вспомогательным» фагом того же вида, индуцирование дефектного фага становится возможным. Из хромосомы выходят и реплицируются как ДНК нормального «вспомогательного» фага, так и ДНК дефектного, вместе с переносимыми им бактериальными генами. Поэтому около 50% образующихся фаговых частиц несут бактериальную ДНК. Это явление носит название трансдукции с высокой частотой (HFT от англ. high frequency transduction).
Конъюгамция (от лат. conjugatio -- соединение), парасексуальный процесс -- однонаправленный перенос части генетического материала (плазмид, бактериальной хромосомы) при непосредственном контакте двух бактериальных клеток. Открыт в 1946 году Дж. Ледербергом и Э. Тайтемом. Имеет большое значение в природе, поскольку способствует обмену полезными признаками при отсутствии истинного полового процесса. Из всех процессов горизонтального переноса генов конъюгация позволяет передавать наибольшее количество генетической информации.
Механизм
Для успешного установления контакта двух клеток в клетке-доноре должна присутствовать конъюгативная (половая, трансмиссивная) плазмида. Первой из них была открыта F-плазмида: эписома (способная встраиваться в бактериальную хромосому), длиной около 100 тыс. пар оснований. Плазмида несёт гены, кодирующие ряд функций. Одна из них -- образование половых пилей, отвечающих за приклепление к клетке-реципиенту.
Конъюгативные плазмиды также кодируют белки, противодействующие прикреплению пилей других бактерий к клеточной стенке данной. Поэтому клетки, уже содержащие трансмиссивные плазмиды, на несколько порядков реже выступают в роли реципиентов при конъюгации.
Плазмидой кодируется эндонуклеаза, разрезающая одну из нитей её ДНК в определённой точке (oriT). Затем разрезанная цепь раскручивается и 5"-концом переносится в клетку-реципиент. Выдвигалось предположение, что ДНК передаётся по каналам в половых пилях, но к настоящему времени показано, что перенос идёт через поры в клеточной стенке. В первом сегменте поступающей в клетку реципиента нити ДНК расположены антирестрикционные гены. Эти гены должны транскрибироваться в реципиенте сразу же после своего поступления туда, чтобы обеспечить накопление белков, блокирующих процесс разрушения ДНК рестриктазами. Наконец, переданная цепь замыкается в кольцо и на её основе восстанавливается двунитевая структура ДНК плазмиды. Весь процесс длится несколько минут.
Конъюгативная плазмида может встраиваться в хромосому путём гомологичной рекомбинации с участием IS-элементов. Конъюгация при этом идёт по тому же механизу, однако реципиенту передаётся не только плазмида, но и хромосомный материала донора. В этом случае процесс затягивается на часы, часто происходит разрыв передаваемой нити ДНК. Путём искусственного прекращения передачи ДНК в разное время и наблюдения за тем, какие гены были при этом переданы, была получена карта хромосомы кишечной палочки (E. coli) и показано её кольцевое строение.
При выщеплении из хромосомы плазмида может захватывать её фрагмент и переносить его с собой в другую клетку (аналогия с трансдукцией). Данный процесс носит название сексдукции.
Некоторые мелкие плазмиды, называемые мобилизуемыми, могут быть перенесены при конъюгации с помощью аппарата переноса «хелперной» трансмиссивной плазмиды. Для этого они должны содержать последовательности, аналогичные oriT конъюгативной плазмиды и распознаваемые её эндонуклеазами.
