Виды изменчивости. Генетические рекомбинации (трансформация, коньюгация, трансдукция.

Свойства микроорганизмов, как и любых других организмов, определяются их генотипом, т.е. совокупностью генов данной особи. Фенотип представляет собой результат взаимодействия между генотипом и окружающей средой, т.е. проявление генотипа в конкретных условиях обитания. В основе изменчивости лежит либо изменение реакции генотипа на факторы окружающей среды, либо изменение самого генотипа в результате мутации генов или их рекомбинации. В связи с этим фенотипическую изменчивость подразделяют на наследственную и ненаследственную. Диссоциации могут сопровождаться изменениями биохимических, морфологических, антигенных и патогенных свойств возбудителей.

Ненаследственная (средовая, модификационная)изменчивость обусловлена влиянием внутри- и внеклеточных факторов на проявление генотипа. При устранении фактора, вызвавшего модификацию, данные изменения исчезают. Стандартное проявление модификации – разделение однородной популяции на два или несколько типов. Этот феномен получил название диссоциации микробов. Обычно диссоциации возникают в условиях, неблагоприятных для исходной популяции (высокая концентрация ионов, неоптимальная температура, избыточно щелочная среда). Простыми проявлениями диссоциаций являются изменения вида и структуры бактериальных колоний на твердых питательных средах и особенности роста в жидких средах. Например, при неблагоприятных условиях (воздействие УФО) кишечная палочка способна наряду с типичными S-колониями образовывать не типичные для нее R-колонии (диссоциация), что является проявлением модификационной (генетически не закрепленной) изменчивости.

Наследственная (генотипическая) изменчивость, связанная с мутациями, – мутационная изменчивость. Основу мутации составляют изменения последовательности нуклеотидов в ДНК, происходит структурная перестройка генов, проявляющаяся фенотипически в виде измененного признака. Наследственная изменчивость, связанная с рекомбинациями, называется рекомбинационной изменчивостью.

Длительное время считалось, что бактерии – изолированные генетические системы, и каждая особь имеет одного (и только одного) родителя, то есть их изменчивость вызвана лишь мутациями. Однако, был обнаружен факт прямой передачи генетической информации.

Генетическая рекомбинация – это взаимодействие между двумя геномами, т.е. между двумя ДНК, обладающими различными генотипами, которое приводит к образованию рекомбинантной ДНК, формированию дочернего генома, сочетающего гены обоих родителей. У бактерий возможны следующие генетические рекомбинации:

• конъюгация

• трансдукция

• трансформация

Конъюгация (от лат. conjugatio – соединение) описана Дж.Ледебергом и Э.Татумом (1946) состоит в переходе генетического материала (ДНК) из клетки-донора («мужской» или F⁺) в клетку-реципиент («женская» или F^–) при контакте клеток между собой.

Фактор фертильности (F) – внехромосомная молекула ДНК (плазмида) содержит гены, кодирующие образование специальной половой ворсинки «секс-пили» или F-пили, с помощью которой между двумя клетками формируется конъюгационный мостик. При скрещивании фактор фертильности передается независимо от хромосомы донора с частотой, близкой к 100%. При попадании в клетку-реципиент фактора фертильности она становится F⁺ и приобретает способность передавать его другим F^– клеткам. Подобный механизм обусловливает приобретение множественной устойчивости к антибактериальным агентам.

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 родственны друг другу. Феномен открыл Гриффит у стрептококка пневмонии в 1928 г., позднее Эвери, Мак-Леод и Мак-Карти в 1944 г. выделили трансформирующее начало пневмококков в виде молекулы ДНК. Погибшие бактерии постоянно высвобождают ДНК, которая может быть воспринята другими бактериями. Как правило, любая чужеродная ДНК, попадающая в бактериальную клетку, расщепляется рестрикционными эндонуклеазами, но при некоторых условиях такая ДНК может быть интегрирована в геном бактерии.

Регуляция трансформации зависит от: 1) компетентности реципиентной бактерии поглощать ДНК – зависит от присутствия в мембране специальных белков, имеющих сродство (аффинность) к ДНК; и 2) качественных свойств трансформирующей ДНК – гомологичность, наличие двойной спирали ДНК и значительная молекулярная масса (более 10⁷ Д).

Трансформация протекает в три стадии: 1) адсорбция, 2) ферментативное расщепление связавшейся ДНК с образованием фрагментов с М.м. 4-5х10⁶ Д, 3) проникновение фрагментов ДНК, сопровождающееся разрушением одной из цепей дуплекса ДНК (энергозависимый этап) и рекомбинация ДНК с генетическим материалом реципиентной клетки.

Подобным путем могут передаваться гены, кодирующие факторы вирулентности, однако в обмене генетической информацией трансформация играет незначительную роль.

Трансдукция (от лат. transductio – перенос, перемещение) – передача ДНК от бактерии-донора к бактерии-реципиенту при участии бактериофага, обычно при этом фаг переносит лишь небольшой фрагмент ДНК хозяина. Явление открыли Ледеберг и Циндер (1952). Выделяют три типа трансдукции: неспецифическую (общую), специфическую и абортивную.

Неспецифическая (общая) трансдукция. В клетке, инфицированной бактериофагом, в ходе сборки дочерней популяции в головки некоторых фагов вместе с вирусной ДНК может проникнуть фрагмент бактериальной ДНК или плазмиды. При этом фаговая частица может утратить часть своего генома и стать дефектной. Количество аномальных фагов может достигать 0,3% всей дочерней популяции. Неспецифическая трансдукция обусловлена включением ДНК донора в головку фага дополнительно к геному фага или вместо генома фага (дефектные фаги). При такой форме трансдукции в клетки-реципиенты могут быть внесены практически любые гены.

Специфическая трансдукция имеет место при репликации профага в лизогенной бактерии. При этом происходит замещение некоторых генов фага генами хромосомы клетки-донора, находящимися рядом с местом интеграции профага. 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 лизогенией.

Специфически трансдуцирующие фаги, как и неспецифически трансдуцирующие, не способны к самостоятельной репликации.

Абортивная трансдукция. Если фрагмент ДНК, переносимый фагом, не вступает в рекомбинацию с хромосомой реципиента и не реплицируется, но с него считывется информация о синтезе соответствующего продукта, такая трансдукция называется абортивной. Впоследствии привнесенный ген передается одной из дочерних клеток и затем теряется в потомстве.