Механизмы генетической рекомбинации бактериальной ДНК: трансформация, трансдукция, конъюгация

Длительное время считалось, что бактерии представляют собой изолированные генетические системы, и каждая особь имеет одного (и только одного) родителя, т. е. их изменчивость обусловленалишь мутациями. Никто не мог себе представить, что подобно гаметам высших организмов бактерии способны обмениваться генетическим материалом и, по аналогии с половым размножением, давать начало потомству с новыми свойствами.

Прокариотам не свойственно половое размножение. Рекомбинация у них происходит в результате внутригеномных перестроек, заключающихся в изменении локализации генов в пределах хромосомы, или при проникновении в клетку реципиента части ДНК донора. Последнее приводит к формированию неполной зиготы - мерозиготы. В результате рекомбинаций только один рекомбинант, генотип которого представлен в основном генотипом реципиента с включенным в него фрагментом ДНК донора.

Генетические рекомбинации происходят при участии ряда ферментов в пределах отдельных генов или групп сцепленных генов. Существуют специальные rec-гены, детерминирующие рекомбинационную способность бактерий. Передача генетического материала (хромосомных, плазмидных генов) от одних бактерий к другим происходит путем трансформации, трансдукции и конъюгации.

Трансформация (изменение одного типа клеток при действии активного начала из другого типа клеток). Феномен открыл Гриффит у Streptococcus pneumoniae (1928); позднее Эвери, Маклеод и Мак Карти (1944) выделили трансформирующее начало пневмококков в форме молекулы ДНК. Это и явилось первым прямым доказательством того, что носителем генетической информации является ДНК. Погибшие бактерии постоянно высвобождают ДНК, которая может быть воспринята другими бактериями. Как правило, любая чужеродная ДНК, попадающая в бактериальную клетку, расщепляется рестрикционными эндонуклеазами; но при некоторых условиях такая ДНК может быть интегрирована в геном бактерий. По происхождению ДНК может быть хромосомной либо плазмидной и нести гены «трансформирующие» реципиента. Подобным путем процессы трансформации могут распространять гены, кодирующие факторы вирулентности, среди бактериальных популяций; однако в обмене генетической информацией трансформация играет незначительную роль.

Трансдукция. Явление открыл Ледерберг и Циндер (1952); в ходе трансдукции ДНК переносится от одной клетки (донор) к другой (реципиент) с помощью бактериофагов; обычно при этом фаг переносит лишь небольшой фрагмент ДНК хозяина. Выделяют 3 типа трансдукции: неспецифическую (общую), специфическую и абортивную. Неспецифическая трансдукция - в клетке, инфицированной бактериофагом, в ходе сборки дочерней популяции в головки некоторых фагов вместе с вирусной ДНК может проникнуть фрагмент бактериальной ДНК или плазмиды. При этом фаговая частица может утратить часть своего генома и стать дефектной. При такой форме трансдукции в клетки-реципиенты могут быть внесены практически любые гены. Специфическая трансдукция - характеризуется способностью фага переносить определенные гены от бактерии-донора к бактерии-реципиенту. Это связано с тем, что образование трансдуцирующего бактериофага происходит путем выщепления профага из бактериальной хромосомы вместе с генами, расположенными на хромосоме в клетке-донора рядом с профагом. При взаимодействии трансдуцирующих фагов с клетками реципиентного штамма происходит включение гена бактерии-донора вместе с ДНК дефектного фага в хромосому бактерии-реципиента. Бактерии, лизогенированные дефектным фагом, невосприимчивы, как и все лизогенные клетки, к последующему заражению гомологичным вирулентным фагом. Абортивная трансдукция - принесенный фагом фрагмент ДНК бактерии-донора не включается в хромосому бактерии-реципиента, а располагается в ее цитоплазме и может в таком виде функционировать. Во время деления бактериальной клетки трансдуцированный фрагмент ДНК-донора может передаваться только одной из двух дочерних клеток, т. е. наследоваться однолинейно и постепенно утрачиваться.

Конъюгация - перенос генетического материала их клетки-донора в клетку-реципиента при их скрещивании. Процесс конъюгации у бактерий впервые обнаружен Д. Ледербергом и Э. Тейтумом в 1946 г. Позднее выяснилось, что донорами генетического материала являются клетки, несущие F-плазмиду (половой фактор). При скрещивании F⁺ c F^- клеткой половой фактор передается независимо от хромосомы донора, если плазмида находится в автономном состоянии. При этом почти все реципиентные клетки получают F плазмиду и становятся F⁺ клетками. Первым этапом конъюгации является прикрепление клетки-донора к реципиентной клетке с помощью половых ворсинок (sex pili). Затем между обеими клетками образуется конъюгационный мостик, через который из клетки-донора в клетку-реципиент могут передаваться F-фактор и другие плазмиды, находящиеся в цитоплазме бактерии-донора в автономном состоянии.

Интеграция F-плазмиды в состав бактериальной хромосомы приводит к разрыву одной из нитей ДНК, что обеспечивает возможность переноса части ДНК в реципиентную клетку. Такие штаммы бактерий-доноров получили название Hfr-штаммы (с англ. - высокая частота рекомбинаций). При скрещивании Hfr-штамма с F^- бактериями F-фактор, как правило, не передается, поскольку он расположен в дистальной части хромосомы.