Механизмы рекомбинации у бактерий (трансформация, конъюгация и трансдукция)

Вопрос о том, возможна ли рекомбинация у бактерий, т. е обмен генетическим материалом, долгое время оставался открытым. Его решение имело глобальное значение для биологии с точки зрения установления общности генетических закономерностей для всех живых организмов. К 1952 г были установлены три основных механизма рекомбинации у прокариот: конъюгация, трансдукция, трансформация. Возможность полого процесса была продемонстрирована результатами электронно - микроскопических исследований. Тейтум и Ледерберг в своих опытах доказали что при конъюгации осуществляется процесс рекомбинации. Они смешивали 2 ауксотрофных (мутанты, у которых нарушено какое-то звено биосинтеза орг. соединений и они могут жить на среде, в которую добавлено блокирующее соединение) штамма E. Coli, один для роста нуждался в треонине (Т), лейцине (L) и тиамине, а другой – в биотине, фенилаланине и цистеине. Каждый из штаммов по отдельности погибал на минимальной среде, а при посеве их смесью прототрофные к-ки появлялись в культуре с частотой 10^-6 – 10^-9. Присутствие у них всех 6 нормальных аллелей служит доказательством рекомбинации ген. материала, которая объединила часть хромосом одного штамма с частью хромосом др. в результате полового процесса. Контакт м/у клетками (сопровождающийся кросенговером) осуществляется ч/з цитоплазматический мостик. Хейс в 1952 г установил половой фактор F в виде плазмиды. Половой фактор есть только у бактерии мужского пола доноров ген. материала, а женские – реципиентами. F фактор ведет себя двояко: как автономная цитоплазм частица и как локус бактериальной хромосомы. В последнем случае плазмада становится эписомой.(способны к взаимному превращению). Разрыв кольцевой хромосомы бактерии происходит справа и слева от F и свободный от F конец хромосомы становится начальной точкой переноса группы сцепления генов бактерий – это локус о (origin). В к-ку реципиент входит однонитевая ДНК из молекулы донора. Ее переход осуществляется по типу катящегося кольца. В результате в к-ке реципиенте оказываются 2 х-мы, а в к-ке доноре – 1. Гены, вошедшие при конъюгации в к-ку реципиент вкл. в ее хромосому способом аналогичным кроссинговеру. И при деление такой оплодотворенной к-ке появляются рекомбинанты. Таким образом в период конъюгации кольцо хромосомы донора у бактерий разрезается и при норм. протекании полностью в линейной с-ре переходит в к-ку реципиента. Из образовавшейся диплоидной зиготы при ее деление образуется гаплойдноу потомство, вкл. по одной кольцевой х-ме. Часть потомства может быть представлена рекомбинантами, т. к. гены, вошедшие при конъюгации в к-ку реципиент, вкл в ее х-му способом аналогичным кроссинговеру.

Трансформация. Открыто Гриффитсом в 1928 г в опытах с пневмококками. Известно 2 штамма: вирулентные (имеют гладкую капсулу и обр. гладкие колонии) и авирулентные (бескапсульные и имеющие шероховатую колонию). Смешал авирулентный штамм с убитым нагреванием вирулентным и наблюдал гибель зараженных этой смесью мышей. Изучение популяций бактерий из инфицированных мышей показало, что часть к-к из авирулентных превратилась в вирулентные. Эйвери, Мак-Леод и Мак Карти в 1944 г. доказали что трансформирующем агентом является ДНК. На три пробирки со смесью авирулентных и убитых вирулентных штаммов они действовали ДНК-азой, РНК-зой, протеазой. Только при обработке ДНК-зой трансформирующая способность в смеси не наблюдалась. Трансформация – это передача генов от одного штамма бактерий к другому в форме растворенных фрагментов ДНК, которые могут происходить от живых или мертвых к-к. Эти фрагменты могут проникать только в компетентные к-к, т е. имеющие рецепторы на поверхности. Попав внутрь, фрагмент замещает путем рекомбинации короткие участки ДНК рецепторной к-к, которые содержат зоны гомологии. Распад донорской ДНК на фрагменты происходит под действием дезоксирибонулеаз или рестриктаз. Однако в к-к есть система ферментативной модификации определенных оснований ДНК, предохраняющих молекулу ДНК от распада. Поэтому только у мутантов с пониженной активностью ферментативной модификации удается получить трансформанты

Трансдукция. Открыл Зиндер в 1951 г. Трансдукция обусловлена способностью умеренного фага переносить гены от бактерий-доноров к бактериям реципиентам. Известны 2 типа бактериофагов вирулентные и умеренные. Вирулентные после размножения в к-ке приводят к ее лизису. Существуют в вегетативном состоянии (при размножении внутри к-ки) или в зрелом (метаболически инертном состоянии). Умеренные фаги могут быть в состоянии профага. Бактерии несущие профаг назыв. лизогенные. Они приобретают иммунитет к дополнительному заражению таким же фагом. Состояние профага временно. Умеренный фаг может вызвать как литическую так и лизогенную реакцию. Опыт. Высеивал 2 штама тифозной бактерии, один нуждался в пролине, триптофане, а другой в метионине и гистидине. В смешенной культуре наблюдал появление прототрофных колоний. Затем выращивал эти штаммы в U-образной трубке, разделенной бактериальным фильтром. Так же были получены рекомбинанты. Было установлено что перенос генов осуществляется фильтрующимся агентом – умеренным бактериофагом р22, по которому был лизогеннен один из штаммов. Фаг р22 был способен трансдуцировать любые гены сальмонеллы, т.е осуществлять общую или неспецифическую трансдукцию. При специфической трансдукции фаг может переносить только определенные гены.