Рекомбинация у бактерий, механизмы.

Рекомбинация у бактерий – перенос генетического материала от клетки-донора к клетке-реципиенту или от одного репликона к другому.

В результате происходит обмен генетической информацией между отдельными особями.

Прокариоты не обладают половым типом размножения. При попадании к реципиенту части ДНК донора образуется неполная зигота – мерозигота. В этом случае образуется только один рекомбинант, основу генома которого представляет геном реципиента с включенным фрагментом ДНК донора.

Выделяют следующие основные типы рекомбинаций:

Общая рекомбинация. Она происходит между гомологичными последовательностями ДНК.

Сайт-специфическая рекомбинация. Это рекомбинация по небольшой комплементарной последовательности нуклеиновой кислоты.

Незаконная рекомбинация. Этот вид рекомбинации происходит между последовательностями ДНК, не имеющими структурного сходства.

Основные процессы, обеспечивающие обмен генетической информацией, можно проследить на примере общей рекомбинации.

Выявлено, что есть особые группы генов, участвующих в рекомбинациях: rесА, recВ, reсС, recD. Они кодируют в нормальных клетках образование специфических ферментов-рекомбиназ (RecA, RecBCD).

RecА – полифункциональный белок, который синтезируется в неактивной форме. Он активируется при связывании с ДНК. RecА действует как ДНК-хеликаза (расплетает двухцепочечную ДНК), а также обладает протеолитической активностью – расщепляет ряд репрессоров

Мутации в гене recА могут уменьшать частоту рекомбинации более чем в 1000 раз.

RecBCD-нуклеаза кодируется тремя генами – гесВ, гесС и гесD. Используя энергию АТФ RecBCD-нуклеаза временно деспирализует двойную цепь (дуплекс) дезоксирибонуклеиновой кислоты (проявляет хеликазную активность). При этом образуется фрагмент одноцепочечной ДНК, где затем связывается RесА.

Рекомбинация начинается в результате обмена одноцепочечными участками между родительскими двухцепочечными дуплексными молекулами ДНК. Это обусловлено взаимодействием гомологичных (комплементарных) участков ДНК в родительских молекулах. Соединенные родительские молекулы ДНК образуют структуру креста («крест Р. Холлидея»). После образования такой структуры центр ее может перемещаться вдоль цепей ДНК как застежка-«молния». При этом размыкаются водородные связи между комплементарными цепями внутри родительской молекулы ДНК и замыкаются связи между цепями из различных родительских молекул ДНК. Образуется так называемый гетеродуплексный участок в обеих родительских молекулах ДНК. Вращение структуры Холлидея вокруг точки перекреста приводит к образованию различных рекомбинантных молекул ДНК.

У бактерий существует 3 основных способа, которые приводят к образованию рекомбинантных молекул – трансформация, трансдукция и конъюгация.

 

МУТАЦИИ, ДИССОЦИАЦИИ

Мутации – изменения структуры ДНК генов, проявляющиеся наследственно закрепленным изменением какого-либо признака или признаков. В природе они могут наступать спонтанно, без участия экспериментатора. Такие мутации относят к спонтанным. Они имеют свою причину, но не контролируются.

Индуцированные мутации – направленные изменения структуры ДНК, контролируемые экспериментатором.

Факторы вызывающие мутации называются мутагенами. Они могут быть химическим, физическими и биологическими.

Химические мутагены – соединения, способные изменять структуру генов, прямо взаимодействуя с ДНК клетки или реагируя с ферментами, контролирующими метаболизм нуклеиновых кислот. Известно огромное количество химических мутагенов – красители, галогены, соли металлов переходных валентностей (например – никеля), азотистый натрий, некоторые антибиотики и т.д.

К физическим мутагенам относятся такие факторы, как температура, гамма-излучение, ультрафиолетовые лучи, ренгеновские лучи и т.д.

К биологическим мутагенам можно отнести действие бактериофагов, накопление продуктов метаболизма и т.п.

По величине мутации делятся на генные – изменения в пределах 1 гена; хромосомные – изменения более, чем в одном гене, и точковые – в паре оснований нуклеотидов, что приводит к изменению одного триплета.

В случае точковых мутаций вместо одной аминокислоты кодируется другая или образуется бессмысленный кодон, не кодирующий аминокислоты. Последние мутации называются нонсенс-мутациями. Возможны молчащие мутации (без изменения смысла). Они возникают вследствие вырожденности генетического кода; образовавшийся в результате мутирования триплет кодирует ту же самую аминокислоту, что и исходный триплет. Миссенс-мутации (мутации с изменением смысла) – это результат изменения последовательности ДНК, ведущий к появлению в белковой цепи иной аминокислоты. Образующийся измененный белок может быть как активным, так и неактивным в зависимости от размеров мутации. Мутации со сдвигом рамки чтения обусловлены удалением или вставкой одного нуклеотида в ДНК, что приводит к «сдвигу» считывания и следовательно – к изменению всех последующих триплетов.

Мутации могут происходить вследствие замены одной пары оснований на другую (вместо гуанилового нуклеотида – цитидиловый, аденилового – тимидиловый или наоборот). В таких случаях часто бывают реверсии – возвращение структуры ДНК в исходное состояние. Также может быть включение дополнительной пары оснований (дупликация) или потеря (делеция) пары оснований. Реверсии обычно редки. Возникают также перемещения (транслокации) группы оснований или даже генов в пределах хромосомы. Здесь практически реверсий не бывает. Возможен поворот ДНК на 180 градусов – изменение ориентации сегмента ДНК (инверсия).

Могут возникать также структурные искажения ДНК (или мутации деформации спирали ДНК). Они могут возникать, например, в результате димеризации расположенных близко нуклеотидов, особенно тимина, под действием ультрафиолета, что препятствует правильной репликации.

Как уже упоминалось, мутации могут быть связаны и с подвижными элементами генома – с перемещением инсерционных последовательностей и транспозонов по хромосоме бактерии или из репликона в репликон (из хромосомы в плазмиду и наоборот). При транспозиции они могут вызывать делеции или инверсии генетического материала, а при включении в новый участок ДНК – дупликации.

По расположению мутации делятся на нуклеоидные и цитоплазменные (за счет плазмид).

По направлению выделяют прямые и обратные мутации

Прямые – это изменения бактерий «дикого» типа. «Дикий» тип представляет собой комплекс наследственных признаков клеток в естественных условиях обитания. Обратные мутации – это возврат от измененного типа к «дикому». Данный процесс может осуществляться и другим способом. Могут возникать мутации, подавляющие фенотипические проявления исходных (прямых) мутаций. Такие мутации называются супрессорными или вторичными.

По фенотипическим последствиям выделяют нейтральные мутации – фенотипически не проявляются; условно-летальные и летальные. Мутации, которые ведут к изменению (обычно – ограничению), но не к исчезновению функциональной активности фермента, называют условно-летальными. Некоторые температурочувствительные мутанты сохраняют способность к синтезу ферментов, активных при 37⁰С, но не способных к катализу при при 42⁰С. У бактерий же дикого типа эти ферменты функционируют при обеих температурах.Летальные мутации ведут к полной потере способности синтезировать жизненно важный фермент или ферменты, что ведет к гибели бактериальной клетки.Мутации проявляются в фенотипе в виде утраты или изменения морфологических и биохимических признаков (например, жгутиков, пилей, капсулы, клеточной стенки; способности ферментировать какие-либо углеводы, синтезировать определенные аминокислоты, витамины и другие соединения, возникновении устойчивости к лекарственным или дезинфицирующим веществам и т.д.)Оценку мутаций на молекулярном уровне проводят путем определения последовательности ДНК соответствующих генов (секвенирования). На клеточном уровне мутации выявляют по фенотипическим изменениям – по утрате или приобретению конкретного белка или изменению его функции (ферментативной или регуляторной активности). Для оценки мутаций на уровне популяции определяют частоту появления мутаций и проводят последующую селекцию измененных клеток в популяции для дальнейшего изучения. У бактерий в результате мутаций могут меняться самые различные свойства: вирулентность, чувствительность к антибиотикам, биохимические свойства. Мутанты, нуждающиеся для своего развития в определенных ростовых факторах (аминокислотах, азотистых основаниях и т.д.), называются ауксогетеротрофными. Они не имеют ферментов для их синтеза и сохраняют жизнеспособность лишь при наличии в среде соответствующих факторов роста.

Диссоциация. Диссоциация – это особый, присущий только бактериям вид изменчивости, при котором происходит расщепление в пределах одного вида на S- и R-формы микроорганизмов. В основу этого подразделения положены генетические перестройки, приводящие к изменению ряда свойств (культуральных, антигенных, биохимических). Так, S-формы (англ. smooth – гладкий) чаще вирулентны, обладают хорошо выраженными антигенными свойствами, имеют капсулу, на средах дают рост мелких блестящих колоний. R-формы (англ. rough – грубый, неровный) реже вирулентны, не имеют капсулы, колонии крупные, шероховатые. Однако не у всех микробов S-форма свидетельствует о вирулентности. Так сибиреязвенные культуры, возбудители туберкулеза и чумы вирулентны в R-форме.Диссоциация обычно протекает в одном направлении: от S- к R-форме, иногда через промежуточные стадии образования слизистых колоний.Причиной диссоциации могут быть мутации, возникающие после встраивания внехромосомных факторов наследственности (эписом и умеренных фагов) в нуклеоид. Мутации сопровождают и процессы встраивания в нуклеоид транспозонов и инсерционных последовательностей.

Значение диссоциации заключается в получении бактериями селективных преимуществ, обеспечивающих их существование в организме человека или во внешней среде. Например, S-формы более устойчивы к фагоцитозу. R-формы, в свою очередь, более устойчивы к факторам окружающей среды.

 

 

ТРАНСФОРМАЦИЯ

Трансформация – это перенос генетической информации из донорской клетки в реципиентную при помощи искусственно выделенной или высвободившейся при лизисе клетки естественным путем ДНК.

Путем трансформации в реципиентную клетку можно передать следующие свойства: капсулообразование, устойчивость к антибиотикам, устойчивость к сульфаниламидным препаратам, способность синтезировать различные аминокислоты и др.

Наибольшей трансформирующей активностью обладает нативная ДНК.

Началом в изучении трансформации послужили опыты Ф.Гриффитса с культурами пневмококка. Пневмококки способны к диссоциации, образуя капсульные S-формы и бескапсульные R-формы. Когда пневмококки в R-форме попадают в организм животного, например мыши, то животное переносит заражение вследствие поглощения бактериальных клеток фагоцитами. Однако мышь, зараженная бактериями S-типа, неизбежно погибает из-за наличия капсулы, препятствующей фагоцитозу.

Трансформация проходит в несколько этапов.

Первоначально происходит адсорбция ДНК на поверхности реципиентной клетки. Чаще всего с донорской ДНК в реципиентную клетку передается только один ген. Это связано с невозможностью передачи при трансформации протяженного фрагмента ДНК (обычно он не превышает 1/100 длины нуклеоида), т. е. включает один ген или

одну группу сцепления. Чем выше гомологичность цепей ДНК донора и реципиента, тем эффективнее гибридизация.

Затем следует энергозависимая стадия – донорская ДНК проникает в реципиентную клетку, причем реципиентная клетка должна быть жизнеспособной с активным обменом веществ, должна находиться в стадии «компетентности», т.е. в ней появляется особый белок – «фактор компетентности». Он располагается в оболочке и цитоплазматической мембране бактерий. Этот фактор связывается с ДНК донорской клетки за счет разницы в зарядах.

Далее происходит специфическое взаимодействие (синапс) – соединение, а затем и встраивание ДНК донора в ДНК реципиента. Данный процесс осуществляется с помощью ферментов рекомбиназ (по типу общей рекомбинации). 50% проникшей ДНК распадается, часть превращается в однонитчатую. В компетентной клетке также образуются однонитчатые разрывы в ДНК реципиента. ДНК донорской клетки включается в ДНК реципиента и формируются участки гибридной двойной спирали ДНК.

После этого происходит репликация ДНК реципиента с включенным участком ДНК донора и образование клетки с новыми свойствами.

 

34.ТРАНСДУКЦИЯ.

Трансдукция – перенос генетического материала из клетки донора в клетку реципиента через трансдуцирующий бактериофаг. Последний представляет собой умеренный фаг, который в состоянии профага получил участок ДНК от донорской клетки в результате неточного вырезания своей последовательности из генома клетки-донора. При этом бактериофаг становится дефектным, т.к. теряет часть собственной нуклеиновой кислоты. Такой фаг упаковывается в свою оболочку, выделяется из клетки и может проникать в клетку-реципиент.

Этот вид рекомбинаций открыт Н. Циндером и Дж. Ледербергом в 1951 г.

Различают 3 вида трансдукции:

1. Неспецифическая;

2. Специфическая;

3. Абортивная.

Неспецифическая трансдукция. При этом трансдуцирующий бактериофаг передает в реципиентную клетку любой ген донорской клетки и включает его в гомологичную область ДНК реципиента путем рекомбинации этого гена с нуклеоидом. Трансдуцирующий бактериофаг выступает лишь в роли переносчика, в нуклеоид не встраивается, и лизогенизации реципиентной культуры не происходит.

Специфическая трансдукция. Здесь бактериофаг переносит строго определенный ген (или гены) от клетки донора к реципиенту и встраивает его в определенном участке ДНК реципиента путем сайт-специфической рекомбинации. В этом случае бактериофаг может встраиваться в нуклеоид клетки-реципиента, т.е. происходит лизогенизация бактерии. При этом такие клетки становятся невосприимчивыми, как и все лизогенные клетки, к последующему заражению гомологичным вирулентным фагом.

Абортивная трансдукция. В этом случае фрагмент ДНК донора, доставленный при трансдукции, не включается в ДНК реципиента и остается в цитоплазме. Клетка не лизогенизируется, а новый признак по мере деления клетки исчезает.

 

КОНЪЮГАЦИЯ.

Конъюгация – передача генетического материала из клетки донора в клетку реципиента при непосредственном контакте клеток через цитоплазматический мостик

Не все клетки могут быть донорскими. Они должны содержать особый репликон, ответственный за конъюгацию – F-фактор (фактор фертильности, половой фактор).

F⁺ клетки были названы генетическими донорами, т.к. они содержат данный фактор. F^-- реципиентные клетки не содержат полового фактора, но могут приобрести его в процессе конъюгации.

Как уже упоминалось, F-фактор является конъюгативным репликоном и содержит tra-оперон. Данный оперон обеспечивает процесс конъюгации (происходит образование половых ворсинок – «секс-пилей», формирование конъюгационной трубки и т.д.). Белки половых ворсинок обладают адресной функцией, распознают реципиентную клетку и обеспечивают связь с ее специфическими рецепторами.

Если F-фактор находится в автономном состоянии в цитоплазме донора, то в процессе конъюгации происходит его репликация по механизму «катящегося кольца». Линейная копия F-фактора переходит по конъюгационной трубке в клетку-реципиент, и та приобретает свойства генетического донора.

F-фактор может находиться и в интегрированном в хромосому клетки-донора состоянии. Такая бактерия получила название Hfr-клетки (англ. high frequency of recombination – высокая частота рекомбинации). При этом у донора образуется кольцевая хромосома, включающая F-фактор.

Hfr-клетка способна к конъюгации. При этом также происходит репликация ее генома по механизму «катящегося кольца» со встроенным F-фактором. Tra-оперон F-фактора обеспечивает процесс межклеточного взаимодействия. Репликация нуклеоида начинается у F-фактора и бактериальная хромосома начинает переходить в клетку-реципиент. F-фактор в этом случае передается последним. Учитывая длину и непрочность конъюгационной трубки, полный перенос копии нуклеоида донора происходит весьма редко. F-фактор остается в донорской клетке. В этом случае клетка-реципиент не приобретает свойств генетического донора. Однако она получает гены из нуклеоида бактерии-донора. В случае рекомбинации донорской ДНК с нуклеоидом реципиента образуется гибридный нуклеоид – мерозигота, и реципиент приобретает новые свойства.