Особенности построения генетических карт у прокариот

Рекомбинация у прокариот. Трансформация. Конъюгация. Трансдукция. Особенности построения генетических карт у прокариот.

Генетическая рекомбинация

Генотипическая изменчивость прокариот наблюдается в результате рекомбинации генетт-го материала за счет частичного объединения геномов двух клеток и проявляется в фенотипе бактерий. К рекомбинативной изменчивости генетт-го материала прокариот приводят трансформация, трансдукция и конъюгация.

В отличие от эукариот, у которых при половом процессе происходит образование истинной зиготы, объединяющей генетт.материал обоих родителей, у прокариот при всех трех вышеуказанных процессах наблюдается лишь частичный перенос генет-го материала из клетки-донора в клетку-реципиент, что приводит к обр-ию неполноценной зиготы – мерозиготы. Т.о., прокариотная клетка-реципиент становится частично диплоидной, сохраняя в основном генотип клетки-реципиента и приобретая лишь отдельные свойства клетки-донора.

Ответственность за рекомбинации несут специальные гены клетки-реципиента, получившие название rec-генов. Механизм рекомбинаций включает ряд последовательных стадий:
1) разрыв нитей ДНК клетки-реципиента;
2) встраивание фрагментов ДНК, привнесенных из клетки-донора в геном клетки-реципиента;
3) репликация рекомбинативной ДНК, дающей начало потомству клеток с измененным геномом.

Доказательства вышеуказанного механизма рекомбинации были экспериментально получены при изучении процесса конъюгации кишечной палочки (E.coli) с использованием меченных по фосфору (Р³²) клеток-доноров.

Трансформация (от лат.– преобразование) – изменение генома и свойств бактерий в рез-те переноса информации при проникновении фрагмента свободной ДНК из среды в кл-ку. При трансформации не требуется непосредственного контакта м/у клеткой-донором и клеткой-реципиентом. Источником трансформирующей ДНК может служить свежеубитая культура бактерий или чистые препараты ДНК, экстрагированной из нее.

Явление трансформации у бактерий впервые наблюдал Ф. Гриффитс в 1928 г. Он обнаружил, что при совместном ведении в организм мышей убитого вирулентного капсульного пневмококка S-типа с живым авирулентным бескапсульным пневмококком R-типа все животные погибают. При этом из крови погибших мышей наряду с бескапсульными пневмококками R-типа выделяются вирулентные капсульные пневмококки S-типа. Гриффитс не сумел объяснить явление трансформации. Лишь в 1944 г. О. Эвери, К. Мак-Леод и М. Мак-Карти выделили трансформирующее вещество из убитых клеток капсульных пневмококков и показали, что им является ДНК, чувствительная к ДНК-полимеразе.

Процесс трансформации проходит в несколько этапов:
1) адсорбция трансформирующей ДНК на поверхности компетентной клетки-реципиента;
2) ферментативное расщепление трансформирующей ДНК с образованием фрагментов со средней молекулярной массой (4-5)·10⁶;
3) проникновение фрагментов ДНК в клетку-реципиент, сопровождающееся деградацией одной из цепей ДНК и образованием одноцепочечных фрагментов;
4) интеграция – включение фрагментов трансформирующей ДНК в ДНК клетки-реципиента путем генетт-го обмена;
5) экспрессия – интенсивное размножение трансформированных клеток, потомство которых будет иметь измененный ген в молекуле ДНК.

Трансформирующий фрагмент ДНК обычно соответствует 0,3% бактериальной хромосомы, или примерно 15 генам. В клетку-реципиент проникает очень малый фрагмент ДНК, что обуславливает трансформацию только одного признака и редко двух. Путем трансформации из одной клетки в другую могут быть перенесены такие признаки бактерий, как устойчивость к лекарств.препаратам, способность к синтезу капсульных полисахаридов, ферментов, определенных метаболитов и т.д. При трансформации не происходит добавления качественно нового наследственного признака, наблюдается лишь замена одного признака другим.

Трансдукция заключается в переносе генетт-го материала из клетки-донора в клетку-реципиент умеренным бактериофагом. Явление трансдукции в 1952 г. открыли Н. Циндер и Дж. Ледерберг на примере двух штаммов сальмонелл.

По механизму взаимодействия с бактериальной клеткой фаги подразделяются на вирулентные и умеренные. Вирулентные фаги, проникая в клетку, обусловливают формирование новых фагов и лизис бактерий. Заражение клеток умеренными фагами не всегда сопровождается лизисом бактерий, часть их выживает и становится лизогенными. В лизогенных бактериях ДНК-фага включается в ДНК-клетки и умеренный фаг превращается в профаг, утрачивая при этом способность лизировать бактериальную клетку. Профаг ведет себя как часть бактериальной хромосомы и репродуцируется в ее составе в течение ряда поколений. Освобождение умеренных фагов из клеток лизогенных бактерий происходит спонтанно либо под действием лизогенных бактерий происходит спонтанно либо под действием индуцированных агентов – ультрафиолетовых лучей, ионизирующей радиации и химических мутагенов.

В процессе репродукции некоторых умеренных фагов небольшой фрагмент бактериальной хромосомы, включается в геном фага. Трансдуцирующий фаг переносит фрагмент ДНК предыдущего хозяина в новую чувствительную к нему бактериальную клетку. Т.о., бактериальная клетка-реципиент становится частичной зиготой.

У бактерий различают 3 типа трансдукции: специализированную, общую и абортивную.

Специализированная - в геном фага включаются строго определенные гены ДНК бактерии-донора, расположенные на хромосоме бактерии непосредственно рядом с профагом. Прилегающие к профагу гены выщепляются из бактер-ой хромосомы, а часть генов профага остается в ее составе. Освобождающиеся из клетки-донора трансдуцирующие дефектные фаги вызывают лизогенезацию клетки-реципиента. ДНК дефектного фага включается в состав хромосомы клетки-реципиента, привнося в нее и гены бактерии-донора.

Общая - отличается от специализ-ой тем, что в состав ДНК фага включается любой фрагмент ДНК бактерии-донора. Т.о., при общей трансдукции трансдуцирующие фаги переносят из хромосомы бактерии-донора любые гены, контролирующие различные признаки, в клетку бактерии-реципиента.

Абортивная - фрагмент хромосомы клетки-донора, привнесенный трансдуцирующим фагом в клетку-реципиент, не включается в ее хромосому, а локализуется в цитоплазме и при делении клетки-реципиента передается только одной из образующихся клеток.

Трансдукция в эксперименте показана на кишечных бактериях, псевдомонадах, стафилококках, бациллах и актиномицетах. Трансдукция определяет появление разновидностей бактерий с новыми свойствами, устойчивость к лекарственным препаратам, синтез ферментов, аминокислот и др.

В экспериментах по генной инженерии трансдукция открывает не только широкие возможности межвидовой гибридизации бактерий, но и возможность получения гибридов среди разных групп прокариот.

Конъюгация происходит при непосредственном контакте бактер-ых кл-ок и предусматривает направленный перенос генетт-го материала из клетки-донора в клетку-реципиент. Феномен конъюгации в 1946 г. описали Дж. Ледерберг и Э. Тейтум на примере кишеч.палочки (E.coli) штамма К₁₂.

Способность бактерий к конъюгации связана с наличием у них полового F-фактора, относящегося к числу конъюгативных плазмид. Клетки, несущие F-фактор, обозначаются F ⁺ ; клетки, лишенные F-фактора, - F^¯. F-фактор (F-плазмида) в клетках F ⁺ обычно находится в изолированном состоянии от бактериальной хр-мы и является цитоплазматической структурой. Бактер-ые клетки, содержащие F-фактор, отличаются от остальных клеток рядом свойств: измененным поверхностным зарядом и способностью синтезировать дополнительные поверхностные структуры F-пили.

Процесс конъюгации начинается с прикрепления конца F-пили клетки-донора к клетке-реципиенту. В теч.неск-их минут клетка-донор и клетка-реципиент сближаются, возможно, за счет сокращения F-пили и вступают в непосредственный контакт. Ч/з цитоплазматический мостик по каналу F-пили, менее чем за 5 мин, происходит передача полового F-фактора, независимо от бактериальной хромосомы, из цитоплазмы клетки-донора F ⁺ в цитоплазму клетки-реципиента F^¯. При этом клетка-донор не теряет своей донорной способности, так как в ней остаются копии F-фактора.

Среди популяции клеток F ⁺ имеются бактерии, способные при конъюгации передавать не F-фактор, а фрагмент бактериальной хромосомы. Эти клетки бактерий и образованные ими штаммы обозначаются Hfr (high frequency of recombination), что означает бактерии с высокой частотой рекомбинации. Рекомбинации м/у кл-ми Hfr и кл-ми F^¯ происходят в тысячу раз чаще, чем между клетками F ⁺ и F^¯. Отличие клеток Hfr от клеток F ⁺ заключается в том, что половой F-фактор у них включён в бактериальную хромосому. Во время конъюгации в клетке-доноре Hfr идет процесс репликации ДНК. При этом одна из реплицирующихся цепей ДНК ч/з конъюгационный мостик проникает в клетку-реципиент F^¯, вторая остается в клетке-доноре Hfr, затем каждая из этих цепей достраивается комплементарной нитью. Конъюгационный мостик непрочен, он легко разрывается, поэтому из клетки-донора Hfr в клетку-реципиент F^¯ передается не вся хромосома, а лишь ее фрагмент.

М/у перенесенным из клетки Hfr фрагментом хромосомы и гомологичным участком хромосомы клетки F^¯ происходит генет-ий обмен. В результате часть донорной ДНК встраивается в ДНК реципиента, а соответствующая часть реципиентной ДНК исключается из нее. Эффективность включения донорной ДНК в хромосому реципиента высока и составляет примерно 0,5.

Конъюгацию прокариот не следует отождествлять с половым процессом эукариот, т.к.при конъюгации в клетку F^¯ передается только часть генет-го материала клетки F ⁺, в результате чего образуется неполноценная мерозигота. Основу последней составляет геном клетки-реципиента с привнесенной частью генома клетки-донора.

Наряду со стабильностью и точностью наследственных свойств генетический аппарат прокариот характеризуется изменчивостью, которая проявляется в форме мутаций и рекомбинаций.

Спонтанные мутации прокариот следует считать начальным видом изменчивости, возникшим параллельно началу функционирования их ДНК как генетической структуры. Возможно, что на протяжении миллионов лет мутации были единственным механизмом изменчивости прокариот.

Скачком в эволюции прокариот явилось появление рекомбинативной изменчивости, заключающейся в частичном объединении генет-ой информации двух прокариотных клеток донора и реципиента. Т.о. возник новый дополнительный материал для естеств.отбора, ускоряющий процесс эволюции. Из трех вышерассмотренных рекомбинативных процессов наиболее совершенным является конъюгация, т.к.она обеспечивает более полный обмен генетической информации м/у двумя клетками. Известны случаи, когда при длительной конъюгации (90 мин) двух клеток E.coli наблюдается вхождение всей хромосомы клетки-донора в клетку-реципиент.

Эффективность генет-их рекомбинаций оказывается высокой только для близкородственных бактерий, имеющих родство в пределах вида.

Особенности построения генетических карт у прокариот

Для построения генетт.карт у прокариот используется явление конъюгации – переноса генетт-го материала из одной клетки в другую с помощью спец.кольцевых молекул ДНК (плазмид, в частности, с помощью F–плазмиды).

Вероятность переноса определенного гена в клетку–реципиент зависит от его удаления от F–плазмидной ДНК, а точнее, от точки О, в которой начинается репликация F–плазмидной ДНК. Чем больше время конъюгации, тем выше вероятность переноса данного гена. Это дает возможность составить генетическую карту бактерий в минутах конъюгации. Например, у кишечной палочки ген thr (оперон из трех генов, контролирующих биосинтез треонина) находится в нулевой точке (то есть непосредственно рядом с F–плазмидной ДНК), ген lac переносится через 8 мин, ген recE – через 30 мин, ген argR – через 70 мин и т.д.

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: