Этапы конъюгации:

1. Первым этапом конъюгации является прикрепление клетки-донора к реципиентной клетке с помощью половых ворсинок (sex pili).

2. 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.

Для переноса бактериальной хромосомы необходим разрыв одной из цепей ДНК, который происходит в месте включения F-плазмиды при участии эндонуклеазы.

3. Проксимальный конец ДНК через конъюгационный мостик проникает в клетку-реципиент и сразу же достраивается до двунитевой структуры. Оставшаяся в клетке донора нить ДНК является матрицей для синтеза второй нити. Следовательно, при конъюгации передается только одна нить ДНК-донора, а вторая, оставшаяся комплементарная, цепь достраивается в реципиентной клетке.

Слияние протопластов – механизм обмена генетической информацией при непосредственном контакте участков цитоплазматической мембраны у бактерий, лишенных клеточной стенки.

Трансформация – передача генетической информации в виде изолированных фрагментов ДНК при нахождении реципиентной клетки в среде, содержащей ДНК-донора. Для трансформации необходимо особое физиологическое состояние клетки-реципиента – компетентность. Это состояние присуще активно делящимся клеткам, в которых идут процессы репликации собственных нуклеиновых кислот. В таких клетках действует фактор компетенции – это белок, который вызывает повышение проницаемости клеточной стенки и цитоплазматической мембраны, поэтому фрагмент ДНК может проникать в такую клетку.

Трансдукция – это передача генетической информации между бактериальными клетками с помощью умеренных трансдуцирующих фагов. Трансдуцирующие фаги могут переносить один ген или более.

Этот вид генетического обмена открыт Н. Циндером и Дж. Ледербергом в 1951 г. Различают три типа трансдукции:

1. неспецифическую, или общую,

2. специфическую

3. абортивную.

Неспецифическая трансдукция. В процессе репродукции фага в момент сборки фаговых частиц в их головку вместе с фаговой ДНК может проникнуть какой-либо фрагмент ДНК бактерии-донора. При этом фаг может утратить часть своего генома и стать дефектным. Такие дефектные трансдуцирующие фаги составляют примерно 0,3% всего потомства. При неспецифической трансдукции в клетки реципиентного штамма вместе с фаговой ДНК могут быть перенесены любые гены донора, например гены, контролирующие способность синтезировать аминокислоты, пурины, пиримидины, гены резистентности к антибиотикам или др.

Принесенный фагом фрагмент ДНК бактерии-донора способен включаться в гомологическую область ДНК клетки-реципиента путем рекомбинации. Таким образом, при неспецифической трансдукции трансдуцирующие фаги являются только переносчиком генетического материала от одних бактерий к другим, поскольку сама фаговая ДНК не участвует в образовании рекомбинантов (трансдуктантов).

Специфическая трансдукция характеризуется способностью фага переносить определенные гены от бактерии-донора к бактерии-реципиенту. Это связано с тем, что образование трансдуцирующего фага происходит путем выщепления профага из бактериальной хромосомы вместе с генами, расположенными на хромосоме клетки-донора рядом с профагом. Например, трансдуцирующий фаг лямбда (λ) переносит ген gal, контролирующий ферментацию галактозы, или ген bio, ответственный за синтез биотина.

При взаимодействии трансдуцирующих фагов с клетками реципиентного штамма происходит включение гена бактерии-донора вместе с ДНК дефектного фага в хромосому бактерии-реципиента.

Абортивная трансдукция. При абортивной трансдукции принесенный фагом фрагмент ДНК бактерии-донора не включается в хромосому бактерии-реципиента, а располагается в ее цитоплазме и может в таком виде функционировать. Во время деления бактериальной клетки трансдуцированный фрагмент ДНК-донора может передаваться только одной из двух дочерних клеток, т.е. наследоваться однолинейно и в конечном итоге утрачиваться в потомстве.

Трансформация - непосредственная передача генетического материала (фрагмента ДНК) донора реципиентной клетке. Впервые воспроизведена Ф. Гриффитсом в 1928 г. в опытах с авирулентным бескапсульным штаммом пневмококка, который приобрел вирулентные свойства при одновременном введении в брюшную полость белых мышей с убитыми капсульными вариантами этих же бактерий. В дальнейшем было показано, что вирулентные свойства передаются in vitro при обработке авирулентных бескапсульных пневмококков экстрактом убитых капсульных пневмококков.

В 1944 г. О. Эвери, К. Мак-Леод и К. Мак-Карти установили, что активным началом, содержащимся в экстракте убитых пневмококков, является ДНК, которая определяет его генетические свойства и является носителем генетической информации. Феномен трансформации воспроизводится в опытах с разными патогенными и непатогенными бактериями: стрептококками, менингококками и др. С донорной ДНК в реципиентную клетку обычно передается только один ген. Это связано с протяженностью трансформирующего фрагмента ДНК, который может проникнуть в реципиентную клетку. Обычно он не превышает 1/100 длины бактериальной хромосомы, т.е. включает один или несколько сцепленных генов. Эффективно трансформация происходит в опытах с бактериями одного и того же вида, имеющих разный генотип.

Так, например, в опытах трансформации можно заместить гены «дикого» на мутировавшие или произвести замену обратного порядка. Трансформирующему воздействию ДНК поддаются не все, а только часть клеток бактериальной популяции. Клетки, способные воспринимать донорскую ДНК, называются компетентными. Состояние компетентности непродолжительно. Оно возникает в определенный период роста бактериальной культуры, чаще всего совпадающий с концом логарифмической фазы. 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. Вместе с тем в трансформосоме он защищен от клеточных нуклеаз.

Процесс трансформации бактерий можно подразделить на несколько фаз:

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.

Эффективность спаривания трансформирующей ДНК с соответствующим участком хромосомы реципиента зависит от степени гомологичности ДНК донора и реципиента. Чем выше гомологичность, тем эффективнее спаривание, что определяет конечный результат трансформации, т.е. количество формирующихся рекомбинантов (трансформантов). Отсюда ясно, почему межвидовая трансформация происходит гораздо реже, чем внутривидовая

Репарация — клеточный механизм коррекции повреждённой последовательности ДНК (точечные мутации, делеции, структурные нарушения и др.). Клеточный геном (ДНК) не является пассивной мишенью, подвергаемой действию мутагенных факторов. В исследованиях с бактериями было установлено, что они обладают специальными системами, восстанавливающими повреждения генетического материала. Эти системы получили название репарационных, а сам процесс восстановления клеточного генома (ДНК) - репараций.

Одна из систем, восстанавливающая повреждения ДНК, вызванные УФ-лучами, названа системой фотореактивации. Ферменты, обеспечивающие фотореактивацию, действуют в присутствии видимого света и осуществляют расщепление тиминовых димеров, превращая их в мономерные формы. Активность другой системы, выполняющей эти же функции, обеспечивается ферментами действующими в отсутствии видимого света. Она названа системой темновой репарации, которую условно подразделяют на дорепликативную и пострепликативную.

Состоит из 5 этапов, контролируемых множеством генов, кодирующих участвующие в репарации ферменты (эндонуклеазы, экзонуклеазы, ДНК-полимераза, ДНК-лигаза):

1. распознавание дефекта,

2. рассечение повреждённого участка,

3. удаление «ошибочного» олигонуклеотида,

4. синтез ДНК с использованием комплементарной цепи как матрицы,

5. лигирование.

Репликационная вилка цепи ДНК похожа на застежку разъединенной «молнии». Молекулы ДНК-полимеразы, присоединенные к двум родительским цепям ДНК, работают в противоположных направлениях, синтезируя на каждой из них дочерние нити. На одной цепи ДНК фермент сдвигается к репликационной вилке, на другой новые молекулы полимеразы должны связываться вблизи вилки, чтобы синтезировать вторую нить ДНК между точкой раздвоения и участком связывания предыдущей молекулы фермента.

Отбор нуклеотидов осуществляется ДНК-полимеразой, ведущей синтез ДНК в 2 стадии: 1 - расщепление нуклеотидтрифосфата до монофосфата; 2 - присоединение монофосфата к растущей нуклеотидной цепи. Если полимераза связала некомплементарный нуклеотид, он может быть отвергнут до образования ковалентных связей. Этот процесс называют «редакторской правкой».

«Редакторская правка» осуществляется ферментом экзонуклеазой, ассоциированной с ДНК-полимеразой. Экзонуклеаза удаляет нуклеотиды, только что ошибочно присоединенные к синтезируемой ДНК. При образовании некомплементарной ошибочной пары замедляется включение следующего нуклеотида, и у экзонуклеазы появляется время для исправления ошибки, после чего полимераза делает новую попытку присоединить к цепи ДНК комплементарный нуклеотид.

Процесс дореплиттивной репарации схематически представляя следующим образом:

обнаружение и надрезание поврежденного фрагмента ДНК I эндонуклеазой;

удаление вырезанного фрагмента ДНК-полимеразой I;

синтез нуклеотидов по матрице второй сохранившейся нити либо ДНК-полимеразой I, либо ДНК-полимеразой III;

«сшивание» восстановительного фрагмента ДНК с основной нитью, осуществляемое лигазой.

Мутанты, утратившие способность к темновой репарации, обладает резко повышенной чувствительностью не только к летальному, но и к мутагенному действию УФ-лучей. Они репарируются системой пострепликативной репарации путем рекомбинаций. При этом дефекты ДНК застраиваются фрагментами неповрежденных нуклеотидов. Повреждения ДНК, вызванные химическими мутагенами, также парируются ферментами бактериальной клетки. SOS-репарация является индуцибельным процессом, который Происходит при множественных изменениях в ДНК. В данном процессе участвует около 20 новых белков. SOS-репарация имеет несколько систем активации. Низкая и средняя системы активации происходит быстро. Однако в этих случаях происходят ошибки. При высокой степени активации наблюдается разрушение хромосомы, амплификация плазмид и переход интегративной фаговой инфекции в продуктивную. В этом случае происходит гибель клетки, но осуществляется спасение маркеров для бактериальной популяции в целом.

Репарирующие системы присущи клеткам млекопитающих и человека. Они способны восстанавливать повреждения клеточного генома, вызванного радиацией. Дефекты этих систем являются причиной ряда заболеваний человека. Так, например, наследственное заболевание человека с летальным исходом Xeroderma pigmentosum связано с отсутствием системы, восстанавливающей повреждение ДНК, вызванное УФ-лучами. В результате этого при УФ-облучении у таких людей возникает рак кожи.

R-S-диссоциации

Своеобразной формой изменчивости является R-S-диссоциация бактерий. Она возникает спонтанно вследствие образования двух форм бактериальных клеток, которые отличаются друг от друга по характеру образуемых ими колоний на твердой питательной среде. Один тип - R-колонии (англ. rough - неровный) - характеризуется неровными краями и шероховатой поверхностью, второй тип - S-колоний (англ. smooth- гладкий)- имеет круглую форму, гладкую поверхность. Процесс диссоциации, т.е. расщепления бактериальных клеток, формирующих оба типа колоний, обычно протекает в одном направлении: от S- к R-форме, иногда через промежуточные стадии образования слизистых колоний. Обратный переход R- в S-форму наблюдается реже. Для большинства вирулентных бактерий характерен рост в виде S-формы колоний. Исключение составляют микобактерии туберкулеза, иерсинии чумы, сибиреязвенные бактерии и некоторые другие, которые растут в R-форме.

В процессе диссоциации одновременно с изменением морфологии колоний меняются биохимические, антигенные, патогенные свойства бактерий, их устойчивость к физическим и химическим факторам внешней среды.

Мутации, которые приводят к S-R-диссоциации, относятся к инсертационным, поскольку они возникают после встраивания внехромосомных факторов наследственности, в том числе и умеренных фагов в бактериальную хромосому. Если эта мутация приводит к утрате генов, контролирующих образование детерминантных полисахаридных звеньев ЛПС у грамотрицательных бактерий, то образуются R-мутанты. Они формируют шероховатые колонии, изменяют свои антигенные свойства и резко ослабляют патогенность. У дифтерийных бактерий S-R-диссоциация связана с их лизогенизацией соответствующими бактериофагами. При этом R-формы образуют токсин. У других бактерий R-формы возникают после интеграции в их хромосому R-плазмиды, транспозонов или Is-последовательностей. R-формы пиогенных стрептококков и ряда других бактерий образуются в результате рекомбинаций.

Биологическое значение S-R-диссоциации состоит в приобретении бактериями определенных селективных преимуществ, обеспечивающих их существование в организме человека или во внешней среде. К ним относится более высокая устойчивость S-форм к фагоцитозу макрофагами, бактерицидному действию сыворотки крови. R-формы обладают большей устойчивостью к факторам окружающей среды. Они более длительное время сохраняются в воде, молоке.

Вместе с тем S-R-диссоциация во многих случаях усложняет бактериологическую диагностику ряда инфекционных заболеваний, например дизентерии Зонне, эшерихиоза, вызванного Е. coli О124 и др.