Механизмы переноса бактериальной днк – рекомбинации
Рекомбинация (лат. combinatio – соединение) перенос генетической информации от бактерии-донора к бактерии-реципиенту осуществляется тремя основными механизмами: конъюгация, трансформация и трансдукция.
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.
F-плазмиды могут интегрировать с хромосомой бактериальной клетки. Такие клетки называются Hfr (от англ. high frequency of recombination – высокая частота рекомбинаций). Интеграция плазмид возможна при наличии последовательности ДНК, разрешающей перекрестное узнавание (IS-элементы). Эндонуклеаза распознает последовательности и расщепляет как рецепторную последовательность плазмиды, так и хромосомную последовательность. Плазмида и хромосома рекомбинируют с образованием большой кольцевой молекулы ДНК. F-фактор полностью включается в хромосому без потери своих функций.
При конъюгации хромосомная ДНК реплицируется, одна цепь копии хромосомы переносится в реципиентную F– клетку, тогда как другая остается в Hfr+ клетке, т.е. донор сохраняет свое генетическое постоянство. Клетки-реципиенты получают фрагменты хромосомы, размер которых зависит от времени, в течение которого проходила конъюгация. Передача всей хромосомы длится около 2 часов. Полная трансмиссия – явление редкое, поэтому F-фактор, который идет в хромосоме последним, почти никогда не передается и клетка-реципиент остается F–.
Интеграция F-фактора в хромосому обратима. Эндонуклеаза может узнавать последовательность ДНК в месте гибридизации хромосомы с плазмидой и выделять ее. Иногда фермент делает ошибки и надрезает ДНК вблизи точки встраивания. В результате плазмида приобретает добавочный хромосомный материал. Такой гибридный материал обозначают F'-фактор.
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 транстукции 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 транстукция. 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.