Бактерии для воспроизведения себе подобных особей не нуждаются в
партнерах. Их удвоившийся после репликации геном каждый раз переда-
ется клетке «по вертикали» в бесконечном ряду поколений. Но наряду с
таким, бесполым, способом передачи генов от предков к потомкам у бак-
терий существует и горизонтальный перенос генов, при котором из клет-
ки-донора в клетку-реципиента передается часть генетического материа-
ла (хромосомы), в результате образуется неполная зигота, или мерози-
гота. Затем переданный фрагмент хромосомы донора спаривается с
хромосомой реципиента с последующей рекомбинацией. За рекомбина-
цией следует процесс репликации ДНК и деления клетки, в результате
чего возникают клетки, содержащие только рекомбинантную хромосому,
которые называются рекомбинантами.
Существуют три основных способа обмена генетической информаци-
ей, или горизонтального переноса генов: трансформация, трансдукция и
конъюгация. Эти процессы отличаются друг от друга способом транс-
портировки ДНК.
Трансформация – перенос генетической информации, при котором
ДНК, выделенная из клетки-донора, поступает в клетку-реципиент. На-
чальным этапом генетической трансформации является необратимая ад-
сорбция ДНК на поверхности клетки и ее поглощение. К необратимой
адсорбции и поглощению ДНК способны лишь клетки бактерий, нахо-
дящиеся в состоянии компетентности. Последующие этапы, как и при
других парасексуальных процессах, связаны с рекомбинацией трансфор-
мирующей хромосомной ДНК донора с хромосомой реципиента и по-
стрекомбинационными событиями. Получаемые при этом способе гене-
тического обмена рекомбинанты называются трансформантами. Коли-
чество переносимой при трансформации ДНК составляет около 10 т. п. н.
Генетическая трансформация у бактерий может осуществляться не толь-
ко хромосомной, но и плазмидной ДНК.
Трансформация – это не только процесс, происходящий in vitro, она
может осуществляться и за счет ДНК, спонтанно выделившейся из клет-
ки без участия экспериментатора. Это спонтанная, или естественная,
трансформация. Выход ДНК из клетки обусловлен, главным образом, ав-
толизом и при естественной трансформации бактерия-донор ДНК обяза-
тельно погибает. Естественная трансформация является одним из спосо-
бов горизонтального переноса генов в природных условиях.
Трансдукция –перенос генетической информации (хромосомных ге-
нов или плазмид) от клетки-донора к клетке-реци-пиенту, который осу-
ществляется при участии бактериофагов. При трансдукции фрагменты
хромосомы или плазмиды должны упаковаться в головку бактериофага;
выйти в составе этой фаговой частицы из клетки-донора в результате ее
лизиса и попасть в другую клетку (клетку-реципиент) при новом акте за-
ражения. Белковый капсид фаговой головки предохраняет находящуюся
в ней ДНК от разрушения внеклеточными нуклеазами. В этом отноше-
нии трансдуцирующая ДНК более «сохранна», чем «голая» ДНК, при
трансформации. Поскольку адсорбция хвостового отростка фага на ре-
цепторах поверхности клетки видоспецифична, то и перенос генетиче-
ского материала при трансдукции может происходить, главным образом,
между близкородственными бактериями.
При трансдукции размеры переносимого фрагмента ДНК определя-
ются размерами головки бактериофага. Различные фаги могут перено-
сить фрагменты ДНК от 20 до 40 т. п. н. Таким образом, при трансдук-
ции передаются как единичные гены, как и сцепленные маркеры. Реком-
бинанты, получаемые при данном способе обмена генетической инфор-
мацией, называются трансдуктантами.
Конъюгация – генетический обмен, сопровождающийся переносом
генетической информации от клетки-донора к клетке-реципиенту, кото-
рый осуществляется при их непосредственном контакте.
При конъюгации перенос генетического материала обеспечивается
конъюгативными плазмидами, такими, например, как F-плазмида у бак-
терий E. coli. Конъюгативные плазмиды содержат tra-опероны, ответст-
венные за перенос (transfer) генетического материала. Ряд генов tra-
оперонов определяет синтез половых пилей, другие отвечают за перенос
самой плазмиды или мобилизацию переноса хромосомной ДНК из клет-
ки в клетку. Передача плазмиды или хромосомы начинается с одноните-
вого разрыва в области оriT плазмиды, которая называется точкой начала
передачи. Для того чтобы произошла передача хромосомных генов,
плазмида F (или другая конъюгативная плазмида) должна интегриро-
ваться в хромосому. Разорванная в области оriT нить ДНК разматывает-
ся, и однонитевая ДНК, начиная с 5′-конца, переносится в реципиентную
клетку. Одновременно на обеих нитях плазмидной и хромосомной
ДНК – и той, которая остается в донорной клетке, и той, которая посту-
пила в клетку-реципиент, – синтезируются комплементарные им нити.
Благодаря этому в клетке-доноре восстанавливается целостность хромо-
сомы и F-плазмиды. Заключительной стадией передачи F-плазмиды яв-
ляется рециркуляризация ее ДНК в клетке-реципиенте, а передачи хро-
мосомной ДНК – рекомбинация ее с хромосомой реципиента.
Процесс переноса хромосомных генов при конъюгации может осуще-
ствляться также при участии содержащихся в хромосоме конъюгативных
транспозонов. Такие транспозоны, кроме генов, отвечающих за транспо-
зицию, и генов, детерминирующих фенотипические признаки, несут
tra-гены, напоминающие соответствующие гены конъюгативных плаз-
мид. Конъюгативные транспозоны могут выщепляться из хромосомы,
образовывать плазмидоподобные структуры и, как и конъюгативные
плазмиды, индуцировать (мобилизовать) перенос мелких плазмид в клет-
ку партнера, а также сами переходить в нее.
Процессы конъюгации, особенно ведущие к передаче плазмид, очень
широко распространены среди бактерий. Конъюгация – наиболее эффек-
тивный механизм для горизонтального переноса генов в любой среде
обитания бактерий. Конъюгировать могут бактерии, весьма далекие в
систематическом отношении. Плазмиды, осуществляющие конъюгацию
между неродственными бактериями и успешно поддерживающиеся в
них, как уже отмечалось, называются плазмидами широкого круга хозя-
ев. Конечно, интеграция переданной хромосомной ДНК в геном реципи-
ента за счет гомологичной рекомбинации при межродовых скрещивани-
ях практически всегда исключается; однако у бактерий имеются «обход-
ные пути», функционирующие за счет незаконной (или негомологичной)
рекомбинации.
Количество переносимой ДНК при конъюгации больше, чем при
трансформации и трансдукции. В «мягких» условиях скрещивания мо-
жет переноситься вся хромосома. Получаемые при этом способе обмена
генетической информацией рекомбинанты называются трансконъю-
гантами.
Общими особенностями для всех способов обмена генетической ин-
формацией у бактерий являются следующие.
1. Процесс переноса ДНК всегда односторонний, или однонаправлен-
ный: от донорных бактерий к реципиентным.
2. Полного обмена генетической информацией не наблюдается, ре-
зультатом чего является образование мерозиготы
Экзогенота – генетический материал донора
Эндогенота – генетический материал
реципиента
Состояние мерозиготы носит относительно непродолжительный ха-
рактер, в конечном итоге экзогенота должна встроиться в эндогеноту.
Если этого не происходит, то экзогенота элиминируется эндонуклеазами
клетки-реципиента.
3. Для образования рекомбинантного потомства процесс генетическо-
го переноса должен обязательно закончиться рекомбинацией.
Кроме трех основных способов обмена генетической информацией,
имеются и другие способы, которые еще недостаточно изучены и не так
успешно применяются в лабораторной практике. Одним из таких спосо-
бов обмена является слияние бактериальных протопластов или (и) сфе-
ропластов. Это так называемый искусственный обмен генетической
информацией, так как здесь участвуют не интактные клетки, а прото-
пласты или сферопласты. Исследователь должен сначала получить про-
топласты или сферопласты из клеток обоих родителей, а на следующем
этапе смешать и индуцировать их слияние путем обработки полиэти-
ленгликолем либо другими агентами. Первичный продукт такого слия-
ния – клетка, объединяющая в себе геномы обоих родительских клеток.
Слившиеся протопласты или сферопласты высевают на специальные
среды, на которых создаются условия для регенерации их в морфологи-
чески полноценные клетки. В процессе последующей рекомбинации воз-
никают стабильные рекомбинанты, совмещающие некоторые признаки
обоих родительских штаммов.
Метод слияния протопластов или сферопластов пока успешно при-
меняется только в отношении грамположительных бактерий. В послед-
нее время разработаны условия для слияния сферопластов таких грамот-
рицательных бактерий, как Pseudomonas, Erwinia и др.
В отличие от конъюгации, трансформации и трансдукции, при кото-
рых ДНК передается от донора реципиенту, перенос генетической ин-
формации при слиянии протопластов или сферопластов не носит одно-
направленного характера, а родительские клетки вносят равноценный
вклад в образование рекомбинантов.
|