Трансформація і трансдукція у бактерій

Передача генетичного матеріалу від донора до реципієнта за допомогою вільної ДНК, виділених з клітини донора дістало назву трансформації.Її вперше описав Ф.Гріффітс у 1928р. під час дослідження природи вірулентності пневмококів.У його дослідах під час зараження мишей непатогенною, позбавленою капсули культурою пневмококів 11 типу, разом з убитою нагріванням патогенною культурою пневмококів 111 типу відбулася зміна пневмококів 11 типу; у них почала утворюватися капсула і спостерігалася поява вірулентних властивостей, характерних для пневмококів 111 типу.

Механізм трансформації було розшифровано у 1944р., коли О.Евері, Мак-Карті встановили хімічну природу транс формуючої речовини пневмококів.Нею виявилася ДНК.Цим визначним відкриттям було встановлено хімічну природу»гена».Саме хімічна характеристика трансформуючого начала була першим прямим доказом, що ДНК є носієм генетичної інформації.

У трансформації можна виділити кілька стадій: 1)контакт ДНК з поверхнею клітини; 2)проникнення ДНК в клітину; 3)з, єднання донорної ДНК з відповідною ділянкою хромосоми реципієнта.Трансформація можлива тільки тоді, коли реципієнтна клітина перебуває у стані»компетентності», за якою вона здатна сприймати ДНК донора.Найчастіше цей період припадає на середину логарифмічної фази росту.

Після проникнення в клітину фрагмента донорної ДНК одна нитка розпадається, а друга вступає в генетичний обмін з реципієнтом ДНК.Інтеграція закінчується утворенням рекомбінантної хромосоми, в якій донорні і реципієнтні ознаки подекуди виявляються тісно зчленованими.Рекомбінантна ДНК далі реп лікується як єдина структура.

Трансформацію встановлено в багатьох видів бактерій, але найкраще вона вивчена у сінної палички, пневмококів.Розрізняють гомо трансформацію, при якій відбувається перенесення генетичної інформації від донора до реципієнта в межах одного виду, і гетеротрансформацію-перенесення ДНК від одного виду до іншого.Відкриття цього явища у прокаріотів має велике теоретичне і практичне значення.

Трансдукція (від лат. transductio — переміщення) — форма горизонтального перенесення генів, при якій передача генетичного матеріалу від однієї клітини до іншої відбувається за допомогою віруса (бактеріофага у випадку бактерій), що, як і у випадку інших форм горизнотального перенесення генів, призводить до зміни спадкових властивостей. Вірус, що переносить клітинну ДНК або РНК, називається трансдукційною частинкою. Розрізняють два види трансдукції: загальну (генералізовану), за якої може переноситись будь-яка ділянка геному клітини, та спеціалізована, під час якої завжди переноситься один і той самий набір генів. Явище трансдукції було відкрите американськими вченими Джошуа Ледербергом і Нортоном Циндером у 1952 році, під час вивчення бактерії Salmonella typhimurium та її паразита фага P22. Явище загальної трансдукції використовують для картування геномів бактерій, а також у генній інженерії.

Загальна трансдукція характеризується тим, що переноситись може будь-який фрагмент бактерійної хромосоми. Цей процес потребує успішного проходження двох етапів: утворення вірусної частинки, що містить ДНК реципієнта, та стабільне введення цієї ДНК у клітину донора, останнє найчастіше забезпечується сайт-специфічною рекомбінацією із бактерійною хромосомою.Цей тип трансдукції було докладно вивчено на системі Salmonella typhimurius-фаг Р22.Останній переносив у реципієнтні клітини гени, які контролюють вірулентность, утворення джгутиків, ферментацію вуглеводів, стійкість до антибіотиків.

Специфічна трансдукція характеризується передаванням від донора до реципієнта строго визначених генів. Спеціалізована трансдукція відрізняється від загальної кількома рисами: по-перше, під час цього процесу ділянка ДНК донора у трансдукційній частинці ковалентно приєднана до вірусної ДНК, по-друге переносяться не будь-які гени, а лише певна специфічна ділянка бактерійної хромосоми. Спеціалізована трансдукція використовуються як потужний інструмент для маніпуляції генами: молекулярного клонування, картування окремих генів та мутацій в них, спрямованого мутагенезу, комплементаційного аналізу тощо.

Формування трансдукційних частинок фага лябмда

Найкраще вивченим прикладом спеціалізованої трансдукції є трансдукція за допомогою помірного бактеріофага λ E.coli. Геном цього вірусу представлений лінійною двонитковою ДНК із 12-нуклеотидними «липкими кінцями». Потрапляючи в клітину бактерії ця ДНК замикається у кільце завдяки гібридизації між «липкпими кінцями», на місця яких формується cos-сайт. На певному етапі літичного циклу розвитку фага λ його геном реплікуються за механізмом «кільця, що котиться», внаслідок чого утворюються довгі конкатамери. Під час пакування ДНК у фагові голівки, ферменти, що розрізають конкатамер на окремі фрагменти, діють сайт-специфічно — тільки у cos-ділянках, генеруючи «липкі кінці». Довжина ДНК, що пакується може бути різною — від 35 до 50 т.п.н.

Під час лізогенного циклу розвитку геном фага λ вбудовується у хромосому кишкової палички між галактозним та біотиновим опероном, завдяки рекомбінації між ділянками aatP (англ. phage attachment) та aatB (англ. bacteria attachment), при цьому на кінцях вставки (профага) утворюються дві нові ділянки attR (англ. attachment site on the right) та attL (англ. attachment site on the left). В разі індукції профага, він повинен вирізатись із хромосоми кишкової палички. Зазвичай цей процес відбувається шляхом рекомбінації між сайтами attR та attL, проте інколи відбувається помилкова, так звана «незаконна», рекомбінація, у випадку якої фрагмент, що вирізається зсувається вправо або вліво, а отже він міститиме частину бактерійної ДНК і не міститиме частини вірусної, якщо при цьому cos-сайт не втарчається, то така ДНК може успішно запаковуватись у вірусні голівки. Переважно трансдукційні частинки фага лямбда переносять галактозний оперон E.coli, такі фаги позначаються λ gal. Частина із цих вірусів несуть всі необхідні для літичного розвитку гени, інші є дефектними і можуть розвиватись тільки у присутності фага-помічника