В. Н. Сайтаниди Рецензент членкорреспондент расхн в. Ф. Красота Петухов В. Л. и др. П31 Ветеринарная генетика В. Л. Петухов, А. И. Жигачев, Г. А. Назарова. 2е изд., перераб и доп. М. Колос, 1996. 384 с ил. Учебники

• Название: В. Н. Сайтаниди Рецензент членкорреспондент расхн в. Ф. Красота Петухов В. Л. и др. П31 Ветеринарная генетика В. Л. Петухов, А. И. Жигачев, Г. А. Назарова. 2е изд., перераб и доп. М. Колос, 1996. 384 с ил. Учебники
• Анкор: petuhov_vet_genetika.doc
• Дата: 17.05.2017
• Размер: 5.3 Mb.
• Имя файла: petuhov_vet_genetika.doc
• Тип: Учебники; #7754
• страница: 8 из 45

Глава 7 ГЕНЕТИКА МИКРООРГАНИЗМОВ

С середины 40-х годов нашего века объектом генетических исследований становятся вирусы и бактерии. Много сделали для рождения генетики микроорганизмов С. Лурия, М. Дельбрюк и другие ученые того времени. Они разработали системы для изуче­ния литических взаимодействий бактериофага и клетки, а также методы проведения опытов с микроорганизмами, показали, как проводить учет их признаков и анализ полученных результатов. Преимущество микроорганизмов как генетических объектов за­ключается в простоте их культивирования, коротком периоде ге­нерации, огромной численности потомства. Жизненный цикл бактерий длится меньше часа. Можно вырастить миллиарды бак­терий за короткое время в небольшом объеме питательной среды. Это позволяет регистрировать генетические изменения, происхо­дящие с частотой одно на 1 млн клеток и реже. Кроме того, бактерии имеют гаплоидный набор хромосом и совмещают в себе функции гаметы и особи. Вирусы и бактерии оказались незамени­мым объектом для изучения тонкой структуры гена и его дейст­вия. К классическим объектам генетических исследований среди бактерий относятся кишечная палочка (Escherichia coli), бактерии рода Salmonella, нейроспора, а среди вирусов — бактериофаги, поражающие эти виды бактерий, и вирус табачной мозаики. На основании результатов исследований заражения бактерий бакте­риофагами были сформулированы многие принципы, на которых основана современная молекулярная биология.

СТРОЕНИЕ И РАЗМНОЖЕНИЕ БАКТЕРИЙ

Химический состав клеток бактерий в основном такой же, как и клеток высокоорганизованных организмов. Клетки бактерий окружены оболочкой, внутри которой находятся цитоплазма, ядерный аппарат, рибосомы, ферменты и другие включения. В отличие от клеток эукариот у них отсутствуют митохондрии, аппарат Гольджи и эндоплазматическая сеть. В центральной части цитоплазмы бактерий расположены ядерный аппарат — нуклеоид и плазмиды. Ядро прокариот называется нуклеоидом потому, что оно в отличие от эукариот не изолировано от цито-

91

плазмы мембраной и представлено одной очень длинной молеку­лой ДНК (хромосомой). Хромосома бактерии Е. coli включает около 5-10° пар оснований, имеет относительную молекулярную массу 3-Ю⁹ Д. В хромосоме кишечной палочки ДНК замкнута в кольцо и состоит из дискретно расположенных генов. Длина вытянутой молекулы ДНК в расправленном состоянии достигает 1 мм, что значительно превышает среднюю длину самой бакте­рии. ДНК бактерий по своему строению не отличается от ДНК высших организмов.

Кроме нуклеоида в цитоплазме большинства бактерий содер­жатся так называемые внехромосомные факторы, получившие название плазмид. Плазмиды представляют собой кольцевые моле­кулы ДНК, обладают свойствами репликона — могут реплициро­ваться с помощью ферментов клетки бактерии независимо от основной хромосомы. Плазмида включает последовательность из одного или нескольких генов. У некоторых видов бактерий обна­ружены факторы резистентности к лекарственным веществам — R-факторы. К другому типу плазмид относятся колициногенные факторы. Колициногены включают гены, которые обусловлива­ют синтез особых белковых веществ — колицинов. Колицины даже в низких концентрациях способны убивать бактерий того же вида, не имеющих соответствующего колициногена. Клетки, включающие колициноген, иммунны к соответствующему коли-цину. Плазмиды реплицируются в цитоплазме автономно и пере­даются при делении дочерним клеткам.

При размножении клетки бактерии наиболее ответственным является процесс воспроизведения нуклеоида. В нуклеоиде ДНК суперспирализована и плотно уложена. Электронно-микроскопи­ческое исследование показало, что один конец ДНК прикреплен к клеточной мембране. Связь с клеточной мембраной, по-види­мому, необходима как для процесса репликации ДНК, так и для четкого разделения вновь образовавшихся дочерних молекул ДНК. Репликация ДНК у микроорганизмов происходит так же, как и у высших организмов, — полуконсервативным способом. В репликации участвуют ферменты _гДНК-полимеразы. Непрерыв­ная репликация в направлении 5->3' идет только на одной из комплементарных цепей. Она называется лидирующей. На вто­рой цепи _г (запаздывающей) синтез ДНК идет также в направле­нии 5'->3', но на коротких фрагментах Оказаки. Каждый фраг­мент инициируется коротким полирибонуклеотидом. Эти РНК служат затравкой для дальнейшего роста цепи ДНК. Затем РНК удаляется, брешь заполняется при помощи ДНК-полимеразы и фрагменты Оказаки соединяются при помощи ферментов лигаз.

К моменту завершения цикла репликации ДНК точки при­крепления дочерних ДНК отодвигаются благодаря активному росту участка бактериальной мембраны между ними. В результа-

92

te сложного комплекса процессов образуется межклеточная Перегородка. В период репликации ДНК и образования перего-родки клетка непрерывно растет, идет формирование рибосом и других соединений. На определенной стадии дочерние клетки отделяются друг от друга. Каждая дочерняя клетка имеет такой jbb набор генетической информации, какой был в исходной бак­териальной клетке.

СТРОЕНИЕ И РАЗМНОЖЕНИЕ ВИРУСОВ

Вирусы относятся к микроорганизмам, хотя резко отличаются сиг всех известных клеточных форм жизни. Частицы вирусов Очень малы (от 20 до 450 нм). С помощью электронного микро­скопа обнаружено, что они имеют палочковидную, шарообраз-щую, а в большинстве случаев многогранную форму. Строение частицы вируса намного проще, чем клетки любого организма. Вирусная частица содержит одну из нуклеиновых кислот (ДНК щдй₍ РНК), которая окружена белковой оболочкой (капсидом). Геном вирусов представлен одной из возможных форм нуклеи­новых кислот: двухцепочной или одноцепочной ДНК, одноце-почной или двухцепочной РНК. Молекулярная масса вирусных нуклеиновых кислот колеблется в широких пределах: у ДНК-со-держащих вирусов от 1,5-10⁶ до 1,6-10*, у РНК-содержащих виру­сов от 1,6-Ю⁶ до 9,0-10⁶. Молекулы нуклеиновых кислот могут выть линейными и кольцевыми.

<■■Вирусы репродуцируются только внутри клетки какого-то орга­низма и используют для этого ее ферментные системы и другие необходимые компоненты. Круг хозяев для определенного вируса может быть ограничен. Вирусы могут инфицировать одноклеточ­ные микроорганизмы — микоплазмы, бактерии и водоросли, а также клетки высших растений и животных.

К настоящему времени с генетической точки зрения лучше всего изучены вирусы, паразитирующие в бактериях. Их называ­ют бактериофагами. Всюду, где размножаются бактерии, обнару­живаются и паразитирующие в них фаги. Они находятся в ки-Щечнике человека и животных, в сточных водах, почве. Разные фаги имеют различную форму частиц. Наиболее изучены фаги, паразитирующие на штамме В Е. coli (колифаги). Колифаги ну­меруются от Т1 до Т7. Фаги Т-четной группы состоят из головки гексагональной формы и хвостового отростка (рис. 22). В голов­ке плотно упакована ДНК, окруженная белковой оболочкой. Хвостовой отросток состоит из полого стержня диаметром около 2,5 нм, окруженного чехлом, способным к сокращению. Один Конец стержня прикреплен к головке, другой — к шестиугольной базальной пластинке, от которой отходят короткие зубцы с Длинными нитями на концах. У Т-четных фагов ДНК включает примерно 200 тыс. пар нуклеотидов, образующих около

93

700А

ХВОСТ

Рис. 22. Строение Т-четных фал», инфицирующих Е. coli

100 генов. Ее длина 34 мкм, что в сотни раз превышает длину головки. Размер фага с конца хвостового отростка до вершины головки равен около 200 нм, ширина головки 50—60 нм.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ФАГА С БАКТЕРИАЛЬНОЙ КЛЕТКОЙ

К клеточной стенке бактерий фаги прикрепляются концевы­ми нитями отростков. Затем оболочка бактерии растворяется с помощью фермента лизоцима, белковый чехол хвостового от­ростка сокращается и через канал хвостового отростка нуклеино­вая кислота вводится (впрыскивается) в цитоплазму клетки. После проникновения нуклеиновой кислоты внутрь клетки бак­терии следует Си-фаза, или фаза смены информации. В этот период фаговые частицы не обнаруживаются, однако в клетке развиваются процессы, обусловленные фаговым геномом. Начи­нается синтез иРНК и ранних белков, необходимых для синтеза ДНК фага и других структурных компонентов зрелого фага. Син­тез ДНК фага осуществляется с помощью клеточной ДНК-поли-меразы и сопровождается полным распадом ДНК бактерии и ее утилизацией. Если ДНК бактерии не хватает, фаговая ДНК син­тезируется из компонентов среды. ДНК фага можно обнаружить в клетке через 8—9 мин после заражения. С 9-й минуты начина­ют синтезироваться специфичные фаговые белки. На последнем

94

этапе взаимодействия фага с бактерией происходит самосборка фаговых частиц, которая состоит в необратимом объединении фаговой ДНК и сформировавшейся белковой оболочки. После этого происходит лизис бактерии и зрелые фаги выходят в окру­жающую среду. Полный цикл развития фага составляет 30— 90 мин. За этот период образуется 200 и более фаговых частиц, которые способны заражать новые клетки.

По характеру взаимодействия с клеткой бактерии бактериофа­ги делятся на вирулентные и умеренные. Вирулентные фаги всег­да лизируют клетку бактерии. Умеренные фаги могут вызвать лизис клетки бактерии, но могут перейти и в неинфекционную форму. В этом случае молекула ДНК фага прикрепляется к ДНК бактерии и передается с нею дочерним клеткам. Фаг, существую­щий в такой форме, называется профагом. Сравнительно недавно стало известно, что включение вирусной ДНК в бактериальную происходит путем кроссинговера между хромосомами бактерии и вируса. Хромосома вируса принимает кольцевую форму и при­крепляется к определенному локусу хромосомы бактерии. Затем хромосомы бактерии и вируса разрываются, концы их соединя­ются крест-накрест и профаг оказывается включенным в хромо­сому клетки хозяина. В этом случае профаг является как бы частью ДНК бактерии и вместе с ней реплицируется. Клетки бактерии, имеющие в своей хромосоме профаг, называются лизо-генными, а явление совместного существования ДНК бактерии и профага называется лизогенией.

Профаг может сосуществовать с бактериальной клеткой дли­тельное время, но при определенных условиях может отделиться от ДНК бактерии, перейти в вирулентную форму и вызвать лизис бактериальной клетки с помощью фермента лизоцима. Освобождение хромосомы вируса происходит один раз прибли­зительно на 10 000 делений лизогенной бактерии. РНК-вирусы, так же как и ДНК-вирусы, могут вызывать лизогенное состояние клеток бактерий. Установлено, что на РНК вируса может синте­зироваться комплементарная ей ДНК. На ней синтезируется вто­рая цепь ДНК. Таким образом, образуется полноценная молеку­ла ДНК, способная соединиться с ДНК клетки хозяина. В каче­стве провируса эта ДНК может передаваться потомству, и вызываемая данным вирусом болезнь может стать как бы наслед­ственной. Наличие профага в составе бактериальной хромосомы не мешает репликации ДНК бактерии. Однако гены профага, встроенные в ДНК клетки, не транскрибируются. Это связано с образованием в клетке бактерии репрессора — низкомолекулярно­го белка, блокирующего считывание наследственной информа­ции, записанной в фаговой ДНК. Умеренные фаги могут быть Дефектными, т. е. не способными к образованию зрелых фаго­вых частиц. Такие фаги осуществляют трансдукцию и использу­ются в генной инженерии.

95

ПОНЯТИЕ О ГЕНОТИПЕ И ФЕНОТИПЕ МИКРООРГАНИЗМОВ

Генотип — совокупность генов бактериальной клетки; фено­тип — совокупность всех признаков и свойств, проявляемых данной культурой. В отличие от особей высших организмов, у которых исследуются признаки и свойства каждой особи, у мик­роорганизмов изучаются признаки и свойства в целом всей куль­туры (штамма), т. е. совокупности клеток, включающих миллио­ны и миллиарды особей. Культуры микробов могут отличаться морфологическими, физиологическими и биохимическими при­знаками. К морфологическим признакам относятся окраска, раз­мер, форма, характер края и поверхности отдельно растущих колоний и т. д.; к физиологическим и биохимическим — способ­ность или неспособность расти при пониженной или повышен­ной температуре, устойчивость к антибиотикам, различным ядам, облучению, отношение к питательным средам.

П<* способу питания бактерии делятся на прототрофные и аук-сотрофные. Прототрофные могут жить на минимальной питатель­ной среде (содержащей минеральные соли и углеводы) и необхо­димые им вещества способны синтезировать сами. В то же время получено много штаммов грибов и бактерий, которые в отличие от исходного штамма (так называемого дикого типа) лишены способ­ности синтезировать одну или несколько аминокислот или другие факторы роста из более простых предшественников. Такие штам­мы называют ауксотрофными. Ауксотрофный штамм можно иден­тифицировать по его неспособности расти и размножаться на син­тетической среде, которая не содержит какого-то специфического фактора роста. Но если в синтетическую среду добавить компо­нент, который ауксотрофный штамм не способен самостоятельно синтезировать, то он начинает расти так, что его уже невозможно отличить от прототрофного. Таким образом, культура микроорга­низма может быть изучена в отношении многих признаков.

Гены, ответственные за синтез определенного соединения, обозначают тремя строчными буквами, соответствующими на­чальным буквам этого соединения. Гены исходного дикого типа обозначают со знаком «+», например, his"¹" — гистидиновый ген, leu⁺ — лейциновый ген, arg⁺ — аргининовый ген и т. д. Гены чув­ствительности или резистентности к лекарственным препаратам, фагам и ядам обозначают буквами s (sensitive — чувствительный) и г (resistant — резистентный). Например, чувствительность к стреп­томицину обозначают sti*, а резистентность — str^r. Фенотип бак­терий обозначают теми же символами, что и генотип, но с про­писной буквы. Так, генотипам his⁺, leu"¹", aig⁺, str^r соответствуют фенотипы His⁺, Leu⁺, Arg⁺, Str^r. Символы His"¹", Leu⁺, Arg⁺ указы­вают на способность синтезировать гистидин, лейцин, аргинин, а символ Str^r — на резистентность к стрептомицину. Альтернатив­ные им признаки обозначают символами His, Leu, Arg, Str⁵.

96

Генотип микроорганизмов представлен совокупностью генов, обусловливающих потенциальную возможность формирования любого их признака. Но формирование признака происходит в определенных условиях окружающей среды, которые не всегда способствуют проявлению генотипа. Так, два штамма Е. coli с генотипами lac* и 1ас на среде с лактозой будут иметь разные фенотипы: бактерии с генотипом 1ас+ образуют колонии красного цвета, а бактерии с генотипом 1ас образуют бесцветные колонии, так как они не ферментируют лактозу. При выращивании этих штаммов на среде без лактозы фенотип их будет одинаковым. Патогенный генотип одного штамма бактерий можно отличить от другого непатогенного штамма только при заражении восприим­чивого животного. В организме невосприимчивого животного ге­нотип патогенного штамма не появится.

Исследования по генетике микроорганизмов показывают, что им присуща большая изменчивость. Изменения, возникающие под влиянием окружающей среды и не сохраняющиеся при пере­носе клеток в исходные условия, носят название модификацион-ных. Модификации не наследственны, они не затрагивают геноти­па микроба и исчезают в первом или последующих поколениях. Микроорганизмам, как и всем прочим живым организмам, свойст­венно проявление комбинативной изменчивости, которая является наследственной. В силу того что прокариоты имеют гаплоидный набор хромосом и им несвойственно половое размножение, гене­тические рекомбинации у них имеют свои особенности. Рекомби­нация у бактерий происходит путем переноса генетического мате­риала из клетки донора в клетку реципиента при помощи конъ­югации, трансдукции и трансформации. Эти процессы отличаются главным образом способом переноса генетического материала.

КОНЪЮГАЦИЯ

Конъюгация — перенос генетического материала от одной бак­териальной клетки (донора) к другой (реципиенту) при их непо­средственном контакте. Процесс конъюгации у бактерий обнару­жили Дж. Ледерберг и Э. Татум в 1946 г. Они провели следую­щий эксперимент. Были отобраны два ауксотрофных мутантных штамма Е. coli К-12: не способный синтезировать метионин и биотин штамм Met Bio и не способный синтезировать трео­нин и лейцин штамм Thr Leu. Оба штамма в течение ночи выращивали вместе на полноценной среде. Затем смешанную культуру центрифугировали, отмывали от полноценной среды и высевали на минимальную питательную среду. На минимальной питательной среде без метионина, биотина, треонина и лейцина появились прототрофные колонии Met+ Bio⁺ Thr⁺ Leu⁺ с часто­той около 1 на каждые 10⁷ клеток. Дополнительные опыты пока­зали, что ни трансформации, ни трансдукции в данном случае не

97

происходило. Из этого следовало, что образование рекомбинант-ных геномов происходило в результате контакта родительских клеток. Вскоре были получены микрофотографии конъюгирую-щих бактерий кишечной палочки, которые свидетельствовали о том, что между бактериями при конъюгации образуется цито-плазматический мостик.

В 1952 г. Хейс установил неравноценную роль родительских штаммов при конъюгации. Выяснилось, что один штамм являет­ся донором (мужским), другой — реципиентом (женским). Клетки-доноры обладают половым фактором F. Он является конъюгатив-ной плазмидой и представляет собой циркулярно замкнутую мо­лекулу ДНК. Половой фактор F автономно существует в цитоплазме. Бактериальные клетки с фактором F обозначают F"¹", а не имеющие его — F. В составе генома конъюгативной плаз­миды имеется tra-оперон, гены которого контролируют образова­ние половых ворсинок (пилей) донорской клетки, необходимых для осуществления контакта с реципиентной клеткой, конъюга-тивнйй перенос собственной плазмиды или хромосомной ДНК, а также репликацию автономной плазмиды.

Механизм переноса генетического материала при конъюгации из бактерии донора в бактерию реципиента показали В. Вольман и Ф. Жакоб. При конъюгации фактор F может перейти из муж­ской в женскую клетку и превратить ее в F⁴". Доноры F+ пере­носят довольно эффективно F-плазмиду во все клетки F, a гены хромосомы — с низкой частотой (10⁵).

Половой фактор F обладает способностью включаться в геном бактерии и тогда из цитоплазматической структуры превращается в фрагмент хромосомы. Клетки, в которых возникает этот процесс, образуют Hfr-штамм. Доноры Hfr переносят бактериальную хромо­сому с фиксированной точки — сайта интеграции плазмиды, ори­ентированным образом и с высокой частотой (10—²— 10 ³). Интег­рированный F-фактор переносится последним. Генетическим методом идентифицировано около 25—30 сайтов интеграции фактора F в хромосому. При конъюгации клетки-доноры F* или Hfr соединяются с Клетками-реципиентами F при помощи конъюгационного мостика — особой протоплазматической труб­ки, образуемой клеткой F+. В клетке донора Hfr под влиянием фермента эндонуклеазы в точке внедрения фактора F происхо­дит разрыв цепи ДНК. Свободный конец одной из цепей ДНК постепенно начинает передвигаться через конъюгационный мос­тик в клетку реципиента (F) и сразу же достраиваться до двух-цепочной структуры. На оставшейся в клетке-доноре цепи ДНК синтезируется вторая цепь.

Так как фактор F у разных штаммов Hfr включается в хромо­сому и разрывает ее в разных местах, переход хромосом в реци-пиентную клетку начинается с разных участков. Для переноса всей цепи ДНК в клетку реципиента требуется при 37 °С

98

.100 мин, но конъюгационный мостик очень хрупкий, легко раз­рывается, и, как правило, вся цепь не успевает перейти. Поэтому # более высокой частотой передаются гены, расположенные около начальной 0-й точки хромосомы донора. Затем ДНК доно­ра в гомологичных участках вступает в контакт с ДНК реципи­ента, и в результате кроссинговера некоторые участки одной цепи ДНК реципиента заменяются фрагментами ДНК донора.

Искусственное прерывание конъюгации через определенное время после начала скрещивания и выявление рекомбинантов дали возможность определить последовательность перехода раз­ных генов донора в клетку F. На основании определения вре­мени передвижения фрагментов разной длины из клеток Hfr в клетки F было установлено расстояние между генами в мину­тах, что позволило построить карты хромосом.

Рис. 23. Неполная кольцевая карта хромосомы Е. coli К-12

В основе построения карт хромосом лежат последователь­ность расположения генов в хромосоме и расстояние между ними в минутах. Вся окружность хромосомы Е. coli составляет 100 мин. К настоящему времени на карту Е. coli К-12 нанесено более 1000 генов, что составляет около 30 % ее генетической емкости (рис. 23). Иногда включенный в хромосому Hfr половой

99

фактор освобождается и при этом (подобно профагу) может за­хватить с собой прилегающий к нему участок ДНК бактерии. При конъюгации половой фактор вместе с .фрагментом ДНК иногда переходит в женскую клетку, превращая ее в мужскую и передавая ей свойства, контролируемые фрагментом хромосомы донора. Процесс переноса генетической информации при помо­щи полового фактора называется сексдукцией.

ТРАНСДУКЦИЯ

Трансдущия — перенос генов из одной бактериальной клетки в другую при помощи бактериофага. Впервые это явление уста­новили в 1952 г. Н. Зиндер и Дж. Ледерберг. Они проводили исследования на патогенных для мышей бактериях Salmonella typhimurium. Были отобраны два штамма этих бактерий: штамм 22А ауксотрофный, не способный синтезировать триптофан (Т), и штамм 2А, способный синтезировать триптофан (Г¹"). Эти штаммы засевали в U-образную трубку, разделенную внизу бак­териальным фильтром (рис. 24). В одно колено трубки засевали штамм 22А (Т), в другое — штамм 2А (Т⁴"). После определенно­го периода инкубации бактерии штамма 22А при посеве на ми­нимальную питательную среду дали небольшое количество коло­ний (частота появления трансдуцированных клеток была равна 1-10—*). Это свидетельствовало о том, что некоторые клетки приобрели способность синтезировать триптофан. Каким же об­разом бактерии могли приобрести это свойство? Исследования

22А(Т)

22А(Т*)

показали, что штамм 22А был лизогенен по фагу Р-22. Этот фаг освобождался из лизоген-ной культуры, проходил через фильтр и лизировал штамм 2А. Присоединив часть генетичес­кого материала штамма 2А, фаг возвращался обратно и переда­вал этот генетический материал штамму 22А. Штамм 22А при­обретал специфические наслед­ственные свойства штамма 2А, в данном случае свойство син-

Бактериофаг

тезировать триптофан. Анало­гичным образом могут быть трансдуцированы и другие при­знаки, в том числе способность к сбраживанию, устойчивость к антибиотикам и т. д.

Рис. 24. Схема опыта по трансдукции

100

Явление трансдукции уста­новлено также у кишечной па-

лочки и актиномицетов. Как правило, трансдуцируется один ген, реже два и очень редко три сцепленных гена. При переносе генетического материала заменяется участок молекулы ДНК фага. Фаг при этом теряет свой собственный фрагмент и стано­вится дефектным. Включение генетического материала в хромо­сому бактерии реципиента осуществляется механизмом типа кроссинговера. Происходит обмен наследственным материалом между гомологичными участками хромосомы реципиента и мате­риала, привнесенного фагом.

Различают три вида трансдукции: общую, или неспецифичес­кую, специфическую и абортивную. При неспецифической транс­дукции в период сборки фаговых частиц в их головку вместе с фаговой ДНК может включиться любой из фрагментов ДНК пораженной бактерии. В результате в реципиентные клетки могут переноситься различные гены бактерии донора. Неспеци­фическую трансдукцию могут осуществлять фаги Р-1 и Р-22 у эшерихий, шигелл и сальмонелл. При специфической трансдукции профаг включается в определенное место хромосомы бактерии и трансдуцирует определенные гены, расположенные в хромосоме клетки донора рядом с профагом. Например, фаг X (лямбда) в состоянии профага всегда включается в одно и то же место в хромосоме кишечной палочки и трансдуцирует локус, обуслов­ливающий способность к сбраживанию галактозы. При отделе­нии профагов от ДНК хозяина прилегающие к профагу бактери­альные гены вместе с ним выщепляются из состава хромосомы, а часть генов профага остается в ее составе. Частота общей трансдукции составляет от 1 на 1 млн до 1 на 100 млн. Специ­фическая трансдукция происходит чаще.

Установлено, что фрагмент хромосомы донора, перенесенный в_% клетку реципиента, не всегда включается в хромосому реципи­ента, а может сохраняться в цитоплазме клетки. При делении бактерий он попадает только в одну из дочерних клеток. Такое состояние получило название абортивной трансдукции.

ТРАНСФОРМАЦИЯ

Трансформация — поглощение изолированной ДНК бактерии до­нора клетками бактерии реципиента. Явление трансформации кратко освещено при изложении доказательств роли ДНК в на­следственности. В процессе трансформации принимают участие две бактериальные клетки: донор и реципиент. Трансформирую­щий агент представляет собой часть молекулы ДНК донора, которая внедряется в геном реципиента, изменяя его фенотип. В процессе трансформации клетки донора и реципиента не сопри­касаются друг с другом. Механизм переноса генетического мате­риала заключается в том, что из клеток донора выделяются в окружающую среду молекулы или фрагменты молекул ДНК.

101

Сначала эта ДНК адсорбируется на оболочке клетки реципиента. Затем через определенные рецепторные участки ее стенки при помощи специальных клеточных белков ДНК втягиваются внутрь клетки. Проникающая донорская ДНК должна быть двух-цепочной. В реципиентной клетке она становится одноцепоч-ной. В ДНК реципиента включается одна из цепей трансформи­рующего фрагмента. Эта цепь вступает в синапсис с гомологич­ным участком хромосомы реципиента и встраивается в нее посредством кроссинговера. При этом участок ДНК реципиента замещается фрагментом донора. Молекула ДНК со вставкой трансформирующего участка оказывается гибридной. При следу­ющем удвоении возникают одна нормальная дочерняя молекула ДНК, другая — трансформированная. Установлено, что способ­ность бактерий-реципиентов к трансформации определяется их физиологическим состоянием. Такое физиологическое состояние было названо компетентностью. Состояние компетентности краткосрочно и приурочено к определенному времени клеточно­го цикла. Было обнаружено, что трансформирующей способнос­тью обладают только крупные молекулы ДНК с молекулярной массой не менее 5-Ю⁵ Д. У бактерий трансформация имеет место чаще в пределах одного вида, но наблюдается и между разными близкими видами. Это указывает на то, что у них сохранилась гомологичность некоторых участков ДНК.

Изучение процессов рекомбинации у бактерий имеет важное значение для ветеринарного врача, так как ведет к пониманию причин высокой изменчивости бактерий, их способности к при­обретению свойств патогенности, устойчивости к лекарственным веществам.

Контрольные вопросы. 1. Каково строение бактерий и вирусов? 2. Как раз­множаются вирусы и бахтгр:ш? 3. Что такое профаг, умеренные фаги и лизоге-ния? 4. Что такое генотип и фенотип у микроорганизмов? 5. Как происходит обмен генетическим материалом у бактерий при конъюгации, трансдукции и трансформации?