Механизмы, вызывающие изменение генетической информации

Мутации. Изменения генотипа, называемые мутациями (от лат. mutare - изменять), происходят спонтанно, т. е. случайно. Такие мутации вызывают резкие изменения единичных генов. Как прави­ло, редкие ошибки репликации ДНК не сопровождаются массиро­ванными изменениями информации, вовлекающими большое число разнообразных признаков.

Мутация происходит, если в ДНК химически изменяется или выпадает нуклеотид, а также если в нее включается лишний нуклеотид в гене, что обусловливает проявление измененной информации, а следовательно, измененного белка и соответственно измененного признака организма. Выделяют генные и хромосомные мутации, различающиеся по числу мутировавших генов и характеру измене­ний в первичной структуре ДНК. Генные мутации обычно затраги­вают только один ген, хромосомные распространяются на несколь­ко генов.

Генные мутации, при которых происходит химическое изменение лишь одного нуклеотида, называют точковыми. Точковые мутации разбивают на несколько классов, различающихся по характеру изменений в ДНК, обусловленных мутагенным фактором. При мутациях, называемых транзициями, пурин в одной из цепей ДНК замещается другим пурином, а пиримидин в комплементарной цепи — другим пиримидином. Изменения, при которых происходит замена пурина пиримидином, именуют трансверсиями. К точковым мутациям относится также вставка лишнего нуклеотида. Последние составляют группу так называемых мутаций со сдвигом рамки, при которых происходит нарушение нормальной последовательности нуклеотидов в ДНК.

Возникшие в результате точковой мутации мутанты в ряде случаев по признакам «возвращаются» к исходной дикой форме благодаря обратной мутации — реверсии. Поэтому штамм бактерий с восстановленным фенотипом дикого типа называют ревертантом. Хромосомные мутации связаны с крупными перестрой­ками в отдельных фрагментах ДНК. Они проявляются в результате выпадения меньшего или большего числа нуклеотидов (делеция), или поворота участка ДНК на 180° (инверсия), или повторения како­го-либо фрагмента ДНК (дупликация).

Особой формой изменчивости, в основе которой лежат мута­ции, представляется диссоциация (расщепление признаков) бак­терий. Примером диссоциации может служить образование двух типов колоний при рассеве чистой культуры бактерий на твердой пита­тельной среде. Первый тип — R-колонии (от англ. rough — неров­ный), имеющие неровные края и шероховатую поверхность, и вто­рой тип — S-колонии (от англ. smooth — гладкий) круглой формы с гладкой поверхностью. В процессе диссоциации изменяется не только морфология колоний, но и физиолого-биохимические и дру­гие свойства бактерий.

Мутации, вызываемые искусственно при помощи химических или физических агентов, которые поддаются контролю, называются индуцированными мутациями. Впервые индуцированные мута­ции дрожжей были получены при помощи рентгеновских лучей в 1925 г. Г.А. Надсоном и Г.С. Филипповым.

В тех случаях, когда фактор, вызвавший мутацию, неизвестен, ее считают спонтанной. Вызывать мутации могут различные хи­мические вещества: алкилирующие соединения (этил- и метилме-тансульфонат, диметил- и диэтилсульфат), этиленимин, азотные и серные аналоги иприта, аналоги оснований, соединения мышьяка и хрома, уретан, креозот, деготь, органические перекиси, минераль­ные масла, половые гормоны, растительные ауксины, ростовые ве­щества бактерий и растений и другие, а также физические факторы: рентгеновское и ультрафиолетовое излучение, ү-лучи и т. д. Меха­низм действия мутагенов различен.

До последнего времени геном бактерий рассматривали в определенной степени как пассивную мишень, подвергаемую повреждающему действию мутагенных факторов. При исследованиях бак­терий выявлено, что их клетки обладают специальными системами, восстанавливающими повреждения ДНК. Восстановление, или репарацию, поврежденной ДНК осуществляют ферменты, которые на­ходятся под контролем специальных генов. Клетки бактерий могут репарировать повреждения ДНК, вызванные как излучениями, так и химическими мутагенными веществами.

Единичный мутант у бактерий выявляют культивированием популяций в обстановке, благоприятной его росту. В практических условиях отбор форм измененного типа выполняют пересевом куль­туры на агаровую среду, где возможен рост только мутантов. Можно подобрать и жидкую избирательную среду, на которой мутант ста­новится преобладающей частью популяции. В некоторых случаях мутации встречаются в достаточно большом количестве и их можно обнаружить без отбора.

Рекомбинации. У организмов развились и другие механизмы, способствующие возникновению в потомстве резко измененной наследственности. Эти механизмы заключаются в следующей за этим немедленной перетасовке - рекомбинации генов, принадлежа­щих близкородственным, но генотипически различным организмам. При генетической рекомбинации в хромосому одной микробной клетки, служащей реципиентом (от лат. recipientis - получающий), встраиваются фрагменты хромосомы микроорганизма, служащего донором (от лат. dono - дарю).

Генетические рекомбинации у эукариот - это образование индивидуумов с новым сочетанием признаков в результате полового процесса. Новая особь получает несколько генов от одного родителя и несколько — от другого, генетически отличающегося родителя. Благодаря процессу рекомбинации увеличивается число наследст­венных изменений, на которые может воздействовать отбор.

У прокариот генетическая рекомбинация относится к так на­зываемым парасексуальным процессам. Способность к рекомбина­ции генов может быть представлена в виде следующей примерной схемы:

Донор а б в г д е ж з

→ Рекомбинант АБвгдЕЖЗ

Реципиент А Б В Г Д Е Ж З

У микроорганизмов известны три процесса, посредством ко­торых генетический материал от двух различных родителей может рекомбинировать. Это трансформация, конъюгация и трансдукция. Однако ни при одном из этих процессов не происходит истинного слияния клеток или полного слияния нуклеоидов. Лишь часть гене­тического материала клетки-донора передается клетке-реципиенту.

В такой неполной зиготе, называемой мерозиготой, сформированной в результате переноса генов, генетический материал реципиентной клетки называется эндогенным, а генетический фрагмент, переданный от донора, — экзогенным. Обычно экзогенная и эндо­генная части соединяются и обмениваются сегментами немедленно после переноса.

Трансформация. Это процесс переноса генов, при котором часть ДНК клетки-донора, полученная либо экстрагированием, либо при естественном лизисе клеток, может проникать в родственную (одного и того же вида или близкородственных видов) бактериаль­ную клетку-реципиент. В результате в ДНК реципиента включаются фрагменты хромосомы ДНК донора, что обусловливает изменение признаков бактерии-реципиента.

Процесс трансформации можно подразделить на несколько стадий:

• первая — контакт ДНК с поверхностью клетки;

• вторая — проникновение ДНК в клетку;

• третья — соединение трансформирующей ДНК с соответ­ствующим фрагментом хромосомы реципиента.

Дальнейший процесс связан с рекомбинацией части экзоген­ной молекулы трансформирующей ДНК с реципиентной эндоген­ной хромосомной ДНК. Последняя стадия — репликация вклю­ченной в хромосому новой информации.

В лабораторных условиях искусственную трансформацию выполняют следующим образом. Извлекают ДНК определенного штам­ма бактерий, очищают и смешивают с клетками бактерий другого штамма, отличающегося от первого одним или несколькими на­следственными свойствами. Культуру подопытного микроорганизма оставляют расти. Среди потомства можно обнаружить небольшое количество клеток с некоторыми свойствами штамма, из которого была извлечена ДНК.

Очень редко встречаются случаи, когда единичная бактери­альная клетка приобретает в результате трансформации более чем одно новое свойство. Передача через ДНК большего числа призна­ков наблюдается лишь в том случае, если культура микроба-донора генетически близка к клеткам микроба-реципиента. При помощи трансформирующейся ДНК могут передаваться такие признаки, как капсулообразование, синтез необходимых клетке веществ, фермен­тативная активность, устойчивость к ядам, антибиотикам и другим лекарственным веществам.

Трансформация отмечена у многих видов бактерий, в част­ности у представителей родов Bacillus, Rhizobium, Streptococcus и др. С использованием трансформации получено много штаммов микроорганизмов, представляющих большое практическое значение.

Конъюгация - процесс, при котором сблизившиеся роди­тельские клетки соединяются при помощи конъюгационных мос­тиков, через последние происходит обмен генетическим материа­лом. Конъюгацию исследовали у различных видов бактерий (Escherichia, Shigella, Salmonella, Pseudomonas), она хорошо изучена у Escherichia coli.

Возможность клетки стать донором определяется специфиче­ским половым фактором F (от англ. fertility - плодовитость), который при конъюгации переносится из одной бактериальной клетки в другую. Клетки, связанные конъюгацией, называют F+-клеткам и. Клетки бактерий, не имеющие F-фактора, служат реципиентами генетического материала и обозначаются F^-. Половой фактор F относится к числу конъюгативных плазмид и представляет собой кольцевую молекулу ДНК молекулярной массой 64*106 а.е.м.

F-плазмида обусловливает образование на поверхности клет­ки одной или двух так называемых половых фимбрий, получивших название F-пили, способствующих соединению клеток-доноров с клет­ками-реципиентами, а также обеспечивает независимую от хромо­сомы репликацию собственной ДНК и образование продуктов, ко­торые управляют переносом генетического материала как самой F- плазмиды, так и хромосомы клетки. F-плазмида располагается в цитоплазме автономно, вне бактериальной хромосомы. Бактерию с F-плазмидой называют плазмидосодержащим трансконъюгантом. F-плазмида обладает способностью включаться (интегрировать) в оп­ределенные места бактериальной хромосомы и становиться ее частью. В таком случае бактерия получает название хромосомального трансконъюганта. F-плазмида может быть утрачена вследствие ее распада под действием дезоксирибонуклеазы. В последнем случае бактерия обозначается как абортивный транс-конъюгант.

В результате интеграции F-плазмиды в состав бактериальной хромосомы образуется так называемый Hƒr-штамм (от: High frequen­cy of recombination — высокая частота рекомбинации). Когда проис­ходит скрещивание Hƒr -штамма с F^--бактериями, то, как правило, F-фактор не передается, а гены хромосомы бактерии передаются с довольно высокой частотой. В начале процесса конъюгации клет­ки-доноры F+ или Hƒr соединяются с клетками-реципиентами (бла­годаря наличию у доноров F-пилей). Впоследствии между клетками образуется конъюгационный мостик, и через него из клетки-донора в клетку-реципиент передается генетический материал — F-плазмиды или хромосомы. Обычно при конъюгации передается только од­на цепь ДНК-донора, а вторая цепь (комплементарная) достраива­ется в клетке реципиента. Перенос, как правило, начинается с од­ного конца хромосомы и продолжается с последующим переносом других участков ее.

Переносу генетического материала можно препятствовать в любое время, разделяя конъюгирующие пары при помощи сильного встряхивания суспензии микроорганизмов, находящихся в жидкой среде. В этом случае только некоторые свойства мужских клеток пе­реносятся в женскую клетку и проявляются в потомстве. Рано или поздно перенос прекращается в большинстве конъюгирующих пар и тогда, когда их искусственно не разделяют. Это происходит пото­му, что конъюгационный мостик непрочен и легко разрушается, не влияя на жизнеспособность клеток.

Таким образом, в результате конъюгации реципиентная F-клет­ка превращается в мерозиготу, содержащую вследствие самопроиз­вольного прерывания переноса генетического материала только часть хромосомы F^--донора в дополнение к собственной хромосо­ме. В результате кроссинговера (перекрест хромосом, при котором гены меняются местами) образуется новая комбинация генетиче­скою материала. В зависимости от места расположения подвергаю­щегося обмену генетического материала в потомстве могут возник­нуть рекомбинанты неодинакового типа.

Трансдукция у бактерий. Это перенос генетического материа­ла от одной бактериальной клетки к другой посредством бактерио­фага. Другими словами, фаг при этом играет как бы роль гаметы, перенося в клетку-реципиент фрагмент ДНК клетки-донора. Транс­дукция происходит при участии умеренных фагов.

Известны три главных типа трансдукции: общая (неспецифи­ческая), локализованная (специфическая) и абортивная. При неспе­цифической трансдукции различные фрагменты ДНК передают­ся от бактерий-доноров к бактериям-реципиентам с помощью уме­ренных трансдуцирующих фагов. При этом принесенный фагом фрагмент ДНК донора способен включаться в гомологическую об­ласть ДНК клетки-реципиента при рекомбинации.

Специфическая трансдукция характеризует способность фа­га переносить от бактерий-доноров к бактерии-реципиенту только определенные гены. Это обусловлено тем, что образование трансдукцирующего фага происходит в результате соединения его ДНК со строго определенными бактериальными генами, расположенными на хромосоме клетки-донора. Считают, что каждая частица фага пе­реносит или только один бактериальный ген, или несколько близко расположенных генов.

При абортивной трансдукции принесенный фагом фрагмент хромосомы клетки-донора не включается в хромосому клетки-реци­пиента, а располагается в ее цитоплазме автономно и в таком виде функционирует. При делении клетки-реципиента трансдуцирован-ный фрагмент ДНК-донора может передаваться только одной из двух дочерних клеток, т. е. наследуется однолинейно, в связи с чем утрачивается в потомстве.

При трансдукции возможен перенос генов, контролирующих питательные особенности бактерий, их устойчивость к лекарствен­ным веществам, ферментативную активность, наличие двигательно­го аппарата (жгутики) и другие свойства. Перенос признаков в про­цессе трансдукции обнаружен у представителей родов Bacillus, Pseudomonas, Salmonella, Escherichia и др.