Или генетическая рекомбинация

У бактерий наблюдается и половое размножение, но в самой примитивной форме. Половое размножение бактерий отличается от полового размножения эукари- от тем, что у бактерий не образуются гаметы и не про- исходит слияния клеток. Однако главнейшее событие полового размножения, а именно обмен генетическим материалом, происходит и в этом случае. Этот про- цесс называется генетической рекомбинацией. Часть ДНК (очень редко вся ДНК) клетки-донора перено- сится в клетку-реципиент, ДНК которой генетически отличается от ДНК донора. При этом перенесенная ДНК замещает часть ДНК реципиента. В процессе за- мещения ДНК участвуют ферменты, расщепляющие и вновь соединяющие цепи ДНК. При этом образует- ся ДНК, которая содержит гены обеих родительских клеток. Такую ДНК называют рекомбинантной. У по- томства, или рекомбинантов, наблюдается заметное разнообразие признаков, вызванное смешением генов. Такое разнообразие признаков очень важно для эволю- ции и является главным преимуществом полового раз- множения.

Известны три способа получения рекомбинан- тов. Это — в порядке их открытия — трансформация, конъюгация и трансдукция.

При трансформации клетки донора и реципиен- та не контактируют друг с другом. Этот процесс от- крыл в 1928 г. Гриффит (Griffith), работая с пневмо- кокками — бактериями, вызывающими пневмонию. У пневмококков имеются колонии двух типов, кото-

рые различаются по внешнему виду. Одни колонии — шероховатые (R — от англ. rough — шероховатый), другие — гладкие (S — от англ. smooth — гладкий, ровный). R-штаммы не патогенны и не образуют кап- сулы; S-штаммы патогенны, и у них имеются тол- стые капсулы. Гриффит обнаружил, что если мышам ввести живые R-клетки и мертвые (убитые нагрева- нием) S-клетки, то мыши погибают через несколь- ко дней, а в крови у них можно обнаружить живые S-клетки. На этом основании Гриффит сделал вывод, что из мертвых S-клеток высвобождается какой-то фактор, который придает R-клеткам способность об- разовывать капсулу и предохраняет их от разрушения в организме животного-хозяина. Оказалось, что такая

«трансформация» наследуется. Поскольку молекулы

«наследственности» в то время еще не были известны (хотя, правда, и предполагали, что это белки), очень много усилий было потрачено на то, чтобы идентифи- цировать трансформирующий фактор.

В заключение следует сказать, что половое раз- множение (в любой форме) — довольно редкое собы- тие у бактерий. Но поскольку число бактерий в каждой колонии огромно, половое размножение наблюдается сравнительно часто. Такое размножение более прими- тивно, чем у эукариот; полный обмен геномами (сум- марной ДНК) происходит только при конъюгации, что действительно встречается лишь изредка. Половое размножение бактерий имеет особое значение пото- му, что именно таким путем передается устойчивость к антибиотикам и дезинфицирующим средствам. В се- редине двадцатого века был описан половой процесс у бактерий. Это процесс, при котором бактерии обме- ниваются своей генетической информацией. На ри- сунке 17 представлена схема этого процесса. Он назы- вается конъюгацией. Во время конъюгации образуется цитоплазматический мостик, по которому происходит перенос молекулы ДНК из одной клетки в другую. У кишечной палочки имеется молекула ДНК, которая называется F-фактор (fertility factor — фактор плодо- витости). Молекула F-фактора  способна  встроиться в геномную ДНК. В F-факторе кодируется специаль- ный белок, который образует половые ворсинки, они называются F-пили. Эти самые ворсинки прикрепля- ются к другой клетке, которые F-фактор не содержат, и F-фактор инициирует репликацию. В процессе ре- пликации образуется две копии молекулы ДНК, при- чем одна копия остается в исходной клетке, а вторая копия переносится в другую клетку. То есть, генетиче- ская информация из одной клетки попадает в другую.

Донорная хромосома содержит такие же гены, как и тот кусок ДНК, который был перенесен в клетку. Однако варианты генов в исходной, донорной клетке, и в клетке-реципиенте могут отличаться. Например, в исходной клетке ген кодировал синтез фермента лак- тазы (расщепляет молочный сахар лактозу), а в реце- пиенте такой же ген испорчен, то есть лактазу не ко-

дирует из-за какой-то мутации. При этом бактерия не способна использовать сахар лактозу в среде.

нут. За это время успевает перейти не вся хромосома, а только ее кусочек. Чем дольше длится конъюгация, тем больший кусочек успевает перейти из одной клет- ки в другую. Этот процесс позволяет определить ка- кие маркеры поступили в клетку, если исходно клетки различались по нескольким генам. F-фактор способен встраиваться в разные участки хромосомы, и когда на- чинается передача, разные маркеры попадают в дру- гую клетку. После конъюгации клетки встряхивали, и мостики между ними разрывались. Это встряхива- ние проводили через 2, 3, 5 минут, и смотрели, какие маркеры (и, соответственно, какой фрагмент хромо- сомы) за это время войдут. По этим данным строили генетическую карту (расположение друг относительно друга генетических маркеров). Генетическая карта ки-

«Мale»

E. Coli

«Female»

E. Coli

шечной палочки была построена в 60-х годах. На этой карте были гены-маркеры, расположенные по всей кольцевой хромосоме, а координаты генов на карте

Схематическое изображение

конъюгации у E. Coli

Рис. 17. Половой процесс у бактерий (Бидл и Тейтум, 1946; У. Хейс, 1952)

 

ДНК реципиента и хозяйская ДНК обменивают- ся гомологичными (то есть содержащими одинаковые гены) кусками. Образуется новое сочетание генов в хо- зяйской клетки. Среди ее старых генов оказывается встроен кусок с новым геном, прибывшим из клетки- донора. Этот процесс обмена кусками ДНК называется рекомбинацией. Та ДНК, которая в процессе рекомби- нации оказалась не включенной в хромосому, дегради- рует и исчезает. Новый ген проявляет себя — клетка оказывается способной расщеплять тот сахар, который раньше использовать не могла. В такой ситуации ген лактазы называют генетическим «маркером», он мар- кирует участок хромосомы, связанный с определен- ным свойством бактерии (способностью расщеплять сахар, которую может детектировать исследователь). Процесс репликации у кишечной палочки продолжа- ется 20 минут, а процесс конъюгации длится 3-5 ми-

обозначались в минутах. Итоговая карта, построен- ная в 60-х годах, имела координаты в промежутке от 0 до 90 минут. Поэтому один известный микробио- лог шутил, что кишечная палочка — это удивительный организм, у которой жизнь длится 20 минут, а половой процесс — 90 минут.

При трансдукции небольшой двухцепочечный фрагмент ДНК попадает из клетки-донора в клетку- реципиент вместе с бактериофагом (одна из групп ви- русов). Возможный механизм трансдукции изображен на рисунке 18 ниже:

Некоторые вирусы способны встраивать свою ДНК в ДНК бактерий; такая встроенная ДНК репли- цируется одновременно с ДНК хозяина и передается от одного поколения бактерий к другому. Время от вре- мени такая ДНК активируется и начинает кодировать образование новых вирусов. ДНК хозяина (бактерии) разрывается, а высвобожденные фрагменты иногда за- хватываются внутрь новых вирусных частиц, порой даже вытесняя ДНК самого вируса. Такие новые «ви- русы», или трансдуцирующие частицы, затем перено- сят ДНК в клетки других бактерий.

 

Рис. 18. Механизм трансдукции

Глава 2. ГРИБЫ