Перенос бактериальной ДНК. Конъюгация бактерий. F-фактор бактерии.

Глава 11

Формы обмена генетическим материалом у бактерий

Помимо основного механизма передачи генов – по наследству (по вертикали), у бактерий существуют следующие формы обмена генетическим материалом по горизонтали, т. е. между отдельными особями в популяции клеток: трансформация, трансфекция, трансдукция, конъюгация и сексдукция.

Трансформация – перенос генетического материала, заключающийся в том, что бактерия-реципиент захватывает (поглощает) из внешней среды фрагменты чужеродной ДНК. Трансформация может быть спонтанной или индуцированной.

Индуцированная (искусственно получаемая) трансформация происходит при добавлении к культуре бактерий очищенной ДНК, полученной из культур тех бактерий, генетические признаки которых стремятся передать исследуемой культуре.

Спонтанная трансформация происходит в естественных условиях и проявляется в возникновении рекомбинантов при смешивании генетически различающихся клеток. Она протекает за счет ДНК, выделяющейся клетками в окружающую среду вследствие их лизиса или в результате активного выделения ДНК жизнеспособными клетками-донорами.

Как спонтанная, так и индуцированная трансформация сводится, по сути, к поглощению трансформирующей ДНК и образованию рекомбинантов, причем спонтанная трансформация может происходить в результате взаимного обмена ДНК. Эффективность индуцируемой трансформации во многом зависит от физиологического состояния клеток-реципиентов.

Они должны находиться в состоянии своеобразной компетентности для этого процесса. Предполагается, что в фазе компетентности происходят значительные изменения поверхностных слоев клетки, которые способствуют поглощению ДНК. В частности, аутолитические ферменты клетки растворяют клеточную стенку в тех участках, где происходит ее синтез.

При этом мезосомы через образовавшиеся отверстия соприкасаются с внешней средой, адсорбируют и втягивают внутрь клетки трансформирующую ДНК, где она и вступает в рекомбинацию с ДНК реципиента. В результате этого образуется мерозигота, клетка делится, и ее потомки наследуют признаки, полученные от донора и реципиента.

Однако в других случаях поглощенные фрагменты ДНК разрушаются нуклеазами клетки-реципиента, и трансформации не происходит. Ее эффективность зависит также от размеров трансформирующей ДНК: высокомолекулярная ДНК поглощается труднее, чем менее крупные ее фрагменты.

Способность к трансформации обнаружена у ряда родов бактерий, но, по-видимому, роль ее в обмене генетическим материалом среди бактерий в естественных условиях менее существенна, чем роль других механизмов. Дело в том, что у многих бактерий имеются особые системы рестрикции и модификации. Эти системы модифицируют свою ДНК (чаще всего путем ее метилирования) и разрушают чужеродную ДНК, если она подобным образом не модифицирована, с помощью особых ферментов – рестрикционных эндонуклеаз.

Эффективность метода генетической трансформации во много раз повышается в том случае, если смесь ДНК и трансформируемых клеток с помощью специального прибора подвергнуть обработке электрическим импульсом.

Метод электротрансформации является универсальным, он применим к любым видам бактерий.

С помощью этого метода осуществлена трансформация более 100 видов бактерий, и он может стать важным инструментом получения ценных рекомбинантных штаммов бактерий.

Трансфекция – вариант трансформации бактериальных клеток, лишенных клеточной стенки, осуществляемый вирусной (фаговой) нуклеиновой кислотой.

С помощью трансфекции удается вызвать у таких бактерий (без клеточной стенки)

вирусную инфекцию. Трансфекцию можно осуществить и с другими (не бактериальными) клетками, если ввести в них чужеродную ДНК, способную рекомбинировать с ДНК этих клеток, или воспроизводить вирионы, или самостоятельно реплицироваться.

Трансдукция – перенос генетического материала от клетки-донора клетке-реципиенту с помощью бактериофагов. Различают трансдукцию неспецифическую и специфическую.

  • Неспецифическая трансдукция – случайный перенос фрагментов ДНК от одной бактериальной клетки к другой.
  • Специфическая трансдукция осуществляется только умеренными фагами, обладающими способностью включаться в строго определенные участки хромосомы бактериальной клетки и трансдуцировать определенные гены.
  • Механизмы неспецифической и специфической трансдукции описаны в главе 47.

Конъюгация – это процесс обмена генетическим материалом (хромосомным и плазмидным), осуществляемый при непосредственном контакте клеток донора и реципиента. Процесс контролируется только конъюгативными плазмидами, имеющими совокупность генов, называемую tra-опероном (англ. transfer – перенос).

Этот оперон контролирует синтез аппарата переноса, конъюгативную репликацию и явление поверхностного исключения. Аппаратом переноса являются специальные донорные ворсинки, с помощью которых устанавливается контакт между конъюгирующими клетками.

Донорные ворсинки представляют собой длинные (1 – 20 мкм) тонкие трубчатые структуры белковой природы с внутренним диаметром около 3 нм. Число донорных пилей у каждой F+-клетки невелико и, очевидно, соответствует числу копий конъюгативной плазмиды в клетке.

Донорные ворсинки обнаруживают с помощью донорспецифических фагов, которые, адсорбируясь на них, проникают в клетку и вызывают ее лизис. Для каждой группы конъюгативных плазмид существуют свои донорспецифические фаги.

Ворсинки выполняют следующие функции: 1) с их помощью устанавливается контакт между донорной и реципиентной клетками; 2) они облегчают перенос нити ДНК (она, вероятно, протаскивается через ворсинку); 3) стягивают спаривающиеся клетки, что повышает эффективность конъюгации.

Процесс конъюгации протекает через следующие стадии: установление контакта между донором и реципиентом, протаскивание нити ДНК от донора к реципиенту, достройка перенесенной нити ДНК комплементарной ей нитью в реципиентной клетке и рекомбинация между переданной хромосомой (ее фрагментами) и хромосомой клетки-реципиента, размножение мерозиготы и образование клеток, несущих признаки донора и реципиента.

Сущность поверхностного исключения заключается в том, что под контролем traгенов синтезируются белки наружной мембраны, препятствующие (исключающие возможность) проникновению в клетку, несущую плазмиду, другой, но близкородственной ей плазмиды, или подавляющие конъюгативную репликацию ее ДНК.

Конъюгативная репликация переносимой нити хромосомной или плазмидной ДНК осуществляется также под контролем плазмидных генов. Классическим примером конъюгативной плазмиды является половой фактор, или F-плазмида (F – англ. fertility – плодовитость). Эта плазмида представляет собой двунитевую кольцевидную молекулу ДНК, состоящую из 94,5 тыс. п. н.

Главная функция этой плазмиды – контроль конъюгации у бактерий кишечной группы. Ее tra-оперон содержит больше тридцати генов, которые контролируют процесс конъюгации. Эта плазмида может как находиться в автономном состоянии, так и интегрироваться в хромосому клетки.

Находясь в автономном состоянии, она контролирует только собственный перенос, при котором F—клетка (клетка, лишенная F-плазмиды) превращается в F+-клетку (клетку, содержащую F-плазмиду). F-плазмида может интегрироваться в определенные участки бактериальной хромосомы, в этом случае она станет контролировать конъюгативный перенос хромосомы клетки.

При этом одна из нитей ДНК хромосомы в месте интеграции F-плазмиды разрезается, и ее 5'-конец через донорный мостик начинает протягиваться в клеткуреципиент. Репликация ДНК в этом случае протекает по принципу «крутящегося кольца» (рис. 47).

Таким образом, конъюгация начинается с установления контакта между донором и реципиентом с помощью донорной ворсинки. Последняя смыкается с рецептором клеточной мембраны клетки-реципиента. Нередко такой контакт устанавливается не только между двумя клетками, а между многими клетками, образуя агрегаты спаривания.

Предполагают, что нить ДНК в процессе конъюгации протаскивается через канал донорной ворсинки. Поскольку донорный мостик является непрочным, процесс конъюгации может в любой момент прерваться. Поэтому при конъюгации может переноситься или часть хромосомы, или, реже, полная хромосома.

С помощью F-плазмид частота переноса генов между бактериями существенно возрастает. Поэтому клетки, у которых F-плазмида интегрирована в хромосому, обозначают как клетки Hfr (Hfr – англ. high frequency recombination – клетки, обеспечивающие высокую частоту рекомбинаций).

Перенос бактериальной ДНК. Конъюгация бактерий. F-фактор бактерии.

Рис. 47

. Конъюгационный перенос бактериальной ДНК

В некоторых случаях интегрированная в хромосому F-плазмида может из нее исключаться и, подобно умеренному фагу, «выхватывать» из хромосомы ее ген или даже целую группу генов. Такая плазмида, содержащая в своей ДНК часть генов хромосомы клетки, называется F'-плазмидой.

Сексдукция – перенос генетического материала между бактериальными клетками, осуществляемый F'-плазмидой с помощью механизма, аналогичного специфической трансдукции.

Бактериальная конъюгация — Bacterial conjugation

Бактериальная конъюгация передача генетического материала между бактериальные клетки посредством прямого межклеточного контакта или мостикового соединения между двумя клетками.[1] Это происходит через пилус.[2] Это парасексуальный способ размножения бактерий.

Это механизм горизонтальный перенос генов так же как и трансформация и трансдукция хотя эти два других механизма не связаны с межклеточным контактом.[3]

Классический Кишечная палочка бактериальная конъюгация часто рассматривается как бактериальный эквивалент половое размножение или же вязка поскольку это предполагает обмен генетическим материалом. Однако это не половое размножение, поскольку обмена гамет не происходит, да и вообще нет.

создание нового организма: вместо этого существующий организм трансформируется. Во время классической Кишечная палочка сопряжение донор клетка обеспечивает конъюгативный или мобилизуемый генетический элемент, который чаще всего является плазмида или же транспозон.

[4] Большинство конъюгативных плазмид имеют системы, обеспечивающие получатель ячейка еще не содержит подобный элемент.

Читайте также:  Лимфогранулематоз кожи. признаки лимфогранулематоза кожи.

Передаваемая генетическая информация часто приносит пользу получателю. Преимущества могут включать устойчивость к антибиотикам, ксенобиотик толерантность или умение использовать новые метаболиты.[5] Другие элементы могут быть вредными и могут рассматриваться как бактериальные. паразиты.

Спряжение в кишечная палочка спонтанным зигогенезом[6] И в Микобактерии смегматис распределительной супружеской передачей[7][8] отличаются от более изученных классических Кишечная палочка конъюгация в том смысле, что эти случаи включают существенное смешение родительских геномы.

История

Процесс был обнаружен Джошуа Ледерберг и Эдвард Татум[9] в 1946 г.

Механизм

Схематический рисунок бактериальной конъюгации.

Диаграмма сопряжения

  1. Донорская клетка производит пилус.
  2. Пилус прикрепляется к клетке-реципиенту и объединяет две клетки.
  3. Подвижная плазмида разрывается, и затем одиночная цепь ДНК переносится в реципиентную клетку.
  4. Обе клетки синтезируют комплементарную цепь для получения двухцепочечной кольцевой плазмиды, а также воспроизводят пили; обе клетки теперь являются жизнеспособными донорами F-фактора.[1]

В F-плазмида является эписома (плазмида, которая может интегрироваться в бактериальный хромосома к гомологичная рекомбинация) длиной около 100 kb. Он несет в себе начало репликации, то oriV, и происхождение перевода, или ОРИТ.

[4] В данной бактерии может быть только одна копия F-плазмиды, свободная или интегрированная, и бактерии, обладающие такой копией, называются F-положительный или же F-plus (обозначается F+).

Клетки, в которых отсутствуют плазмиды F, называются F-отрицательный или же F-минус (F−) и как таковые могут функционировать как клетки-получатели.

Помимо другой генетической информации, F-плазмида несет тра и trb локус, которые вместе имеют длину около 33 КБ и состоят из около 40 гены. В тра локус включает пилин ген и регуляторные гены, которые вместе образуют пили на поверхности клетки.

Локус также включает гены белки которые прикрепляются к поверхности F− бактерии и инициируют конъюгацию. Хотя есть некоторые споры о точном механизме конъюгации, похоже, что пили не являются структурами, через которые происходит обмен ДНК.

Это было показано в экспериментах, в которых пилусам позволяют контактировать, но затем они денатурированный с SDS и все же трансформация ДНК все еще продолжается.

Несколько белков, закодированных в тра или же trb locus, по-видимому, открывает канал между бактериями, и считается, что фермент traD, расположенный в основании пилуса, инициирует слияние мембран.

Когда конъюгация инициируется сигналом, релаксаза фермент создает Ник в одной из цепей конъюгативной плазмиды на ОРИТ. Релаксаза может работать самостоятельно или в комплексе из более чем десятка белков, известных под общим названием релаксосома.

В системе F-плазмиды фермент релаксазы называется TraI, а релаксосома состоит из TraI, TraY, TraM и интегрированного фактора хозяина IHF. Надрезанная прядь, или Т-образная прядь, затем разматывается с неразрывной цепи и переносится в реципиентную клетку в направлении от 5'-конца к 3'-концу.

Оставшаяся цепь реплицируется независимо от конъюгативного действия (вегетативная репликация начинается с oriV) или совместно с конъюгацией (конъюгативная репликация, аналогичная катящийся круг воспроизведение лямбда-фаг). Для конъюгативной репликации может потребоваться второй ник, прежде чем произойдет успешный перенос.

В недавнем отчете утверждается, что он ингибировал конъюгацию с химическими веществами, которые имитируют промежуточный этап этого второго события пощипывания.[10]

1. инсерционные последовательности (желтый) на обоих Фактор F плазмида и хромосома имеют сходные последовательности, что позволяет фактору F вставлять себя в геном ячейки. Это называется гомологичная рекомбинация и создает ячейку Hfr (высокая частота рекомбинации). 2. Клетка Hfr образует пилус и прикрепляется к F-клетке-реципиенту. 3. В одной из нитей хромосомы клетки Hfr образуется разрыв. 4. ДНК начинает передаваться от клетки Hfr к клетке-реципиенту, в то время как вторая цепь ее хромосомы реплицируется. 5. пилус отделяется от реципиентной клетки и втягивается. Клетка Hfr в идеале хочет передать весь свой геном клетке-реципиенту. Однако из-за своего большого размера и невозможности поддерживать контакт с клеткой-получателем он не может этого сделать. 6.a. F-клетка остается F-, потому что вся последовательность фактора F не была получена. Поскольку не произошло гомологичной рекомбинации, перенесенная ДНК разрушается ферментами.[11] б. В очень редких случаях фактор F будет полностью передан, и F-клетка станет клеткой Hfr.[12]

Если переносимая F-плазмида была ранее интегрирована в геном донора (продуцируя штамм Hfr [«Высокая частота рекомбинации»]), часть хромосомной ДНК донора также может быть перенесена с плазмидной ДНК.

[3] Количество передаваемой хромосомной ДНК зависит от того, как долго две конъюгированные бактерии остаются в контакте. В обычных лабораторных штаммах Кишечная палочка перенос всей бактериальной хромосомы занимает около 100 минут.

Затем перенесенная ДНК может быть интегрирована в геном реципиента через гомологичная рекомбинация.

Культура клеток, которая содержит в своей популяции клетки с неинтегрированными F-плазмидами, обычно также содержит несколько клеток, которые случайно интегрировали свои плазмиды.

Именно эти клетки ответственны за низкочастотный перенос хромосомных генов, происходящий в таких культурах. Некоторые штаммы бактерий с интегрированной F-плазмидой можно выделить и выращивать в чистой культуре.

Поскольку такие штаммы очень эффективно переносят хромосомные гены, их называют Hfr (часкайф жтребование рэкомбинация).

В Кишечная палочка геном был первоначально картирован в ходе экспериментов по прерванному спариванию, в которых различные клетки Hfr в процессе конъюгации были оторваны от реципиентов менее чем через 100 минут (первоначально с использованием блендера Waring). Затем были исследованы переданные гены.

Поскольку интеграция F-плазмиды в Кишечная палочка хромосома — редкое спонтанное явление, и, поскольку многочисленные гены, способствующие переносу ДНК, находятся в геноме плазмиды, а не в геноме бактерий, утверждалось, что конъюгативный перенос бактериальных генов, как это происходит в Кишечная палочка Система Hfr не является эволюционной адаптацией бактериального хозяина и, вероятно, не является наследницей эукариотического пола.[13]

Спонтанный зигогенез в Кишечная палочка

В дополнение к классической бактериальной конъюгации, описанной выше для Кишечная палочка, форма конъюгации, называемая спонтанным зигогенезом (сокращенно Z-спаривание), наблюдается у некоторых штаммов Кишечная палочка.

[6] При Z-спаривании происходит полное генетическое смешение и нестабильное диплоиды образуются, которые отбрасывают фенотипически гаплоидные клетки, некоторые из которых показывают родительские фенотип и некоторые верны рекомбинанты.

Конъюгальный перенос микобактерий

Спряжение в Микобактерии смегматис, как спряжение в Кишечная палочка, требует стабильного и продолжительного контакта между донором и штаммом-реципиентом, устойчив к ДНКазе, а перенесенная ДНК встраивается в хромосому реципиента путем гомологичной рекомбинации.

Однако в отличие от Кишечная палочка Конъюгация Hfr, микобактериальная конъюгация основана на хромосоме, а не плазмиде.[7][8] Кроме того, в отличие от Кишечная палочка Конъюгация Hfr, в М. смегматис все участки хромосомы переносятся с сопоставимой эффективностью.

Длина донорских сегментов сильно различается, но средняя длина составляет 44,2 КБ. Поскольку в среднем переносится 13 участков, среднее количество перенесенной ДНК на геном составляет 575 КБ.[8] Этот процесс называется «распределительный супружеский перенос».[7][8] Gray et al.

[7] обнаружили существенное смешение родительских геномов в результате конъюгации и считали, что это смешение напоминает то, что наблюдается в мейотических продуктах полового размножения.

Передача между королевствами

Agrobacterium tumefaciens желчь в корне Carya illinoensis.

Бактерии, относящиеся к фиксация азота Ризобия представляют собой интересный случай меж-Королевство спряжение.[14] Например, индуцирующая опухоль (Ti) плазмида Агробактерии и плазмида, индуцирующая корневую опухоль (Ri) A. rhizogenes содержат гены, которые способны передаваться в клетки растений. Экспрессия этих генов эффективно превращает растительные клетки в высказывать мнение-производящие заводы. Опины используются бактериями как источники азота и энергии. Форма инфицированных клеток коронный галл или же опухоли корня. Таким образом, плазмиды Ti и Ri являются эндосимбионты бактерий, которые, в свою очередь, являются эндосимбионтами (или паразитами) зараженного растения.

Плазмиды Ti и Ri также могут передаваться между бактериями с помощью системы ( тра, или же передача, оперон), которая отличается и не зависит от системы, используемой для передачи между королевствами ( Вир, или же вирулентность, оперон). Такие передачи создают вирулентные штаммы из ранее невирулентных штаммов.

Приложения генной инженерии

Спряжение — удобное средство для передача генетического материала к множеству целей. В лабораториях сообщалось об успешном переносе бактерий в дрожжи,[15] растения, клетки млекопитающих,[16][17] диатомеи[18] и изолированные млекопитающие митохондрии.

[19] Конъюгация имеет преимущества по сравнению с другими формами генетической передачи, включая минимальное нарушение целевого сотовый конверт и способность передавать относительно большие объемы генетического материала (см. выше обсуждение Кишечная палочка перенос хромосомы).

Читайте также:  Неотложная стоматология. Неотложные состояния в стоматологии. Неотложная помощь в стоматологии. Первая помощь в стоматологии.

В машиностроении Агробактерии-подобное сопряжение дополняет другие стандартные средства передвижения, такие как вирус табачной мозаики (TMV). Хотя TMV может инфицировать многие семейства растений, это в первую очередь травянистый двудольные.

Агробактерии-подобное спряжение также в основном используется для двудольных, но однодольные получатели не редкость.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Холмс РК, Джоблинг М.Г. (1996). «Генетика». В Baron S et al. (ред.). Генетика: спряжение. в: Медицинская микробиология Барона (4-е изд.). Univ Техасского медицинского отделения. ISBN 0-9631172-1-1.
  2. ^ Доктор Т.С. Рамарао, магистр, доктор философии (1991). Бакалавр Ботаника-Том-1.

  3. ^ а б Griffiths AJF; и другие. (1999). Введение в генетический анализ (7-е изд.). Сан-Франциско: W.H. Фримен. ISBN 978-0-7167-3520-5.
  4. ^ а б Райан К.Дж., Рэй К.Г., ред. (2004). Шеррис Медицинская микробиология (4-е изд.). Макгроу Хилл. С. 60–4. ISBN 978-0-8385-8529-0.

  5. ^ Холмс РК, Джоблинг М.Г. (1996). «Генетика». В Baron S et al. (ред.). Генетика: обмен генетической информацией. в: Медицинская микробиология Барона (4-е изд.). Univ Техасского медицинского отделения. ISBN 978-0-9631172-1-2.
  6. ^ а б Gratia JP, Thiry M (сентябрь 2003 г.).

    «Спонтанный зигогенез у Escherichia coli, форма истинной сексуальности у прокариот». Микробиология (чтение, англ.). 149 (Pt 9): 2571–84. Дои:10.1099 / мик. 0.26348-0. PMID 12949181.

  7. ^ а б c d Gray TA, Krywy JA, Harold J, Palumbo MJ, Derbyshire KM (июль 2013 г.).

    «Распределительный конъюгальный перенос в микобактериях приводит к образованию потомства с мозаицизмом по всему геному, подобным мейотическому, что позволяет картировать локус идентичности спаривания». ПЛОС Биол. 11 (7): e1001602. Дои:10.1371 / journal.pbio.1001602. ЧВК 3706393. PMID 23874149.

  8. ^ а б c d Дербишир К.М., Грей Т.А. (2014). «Распределительный супружеский перенос: новые взгляды на горизонтальный перенос генов и генетический обмен у микобактерий». Микробиол Спектр. 2 (1): 61–79. Дои:10.1128 / microbiolspec.MGM2-0022-2013. ЧВК 4259119. PMID 25505644.

  9. ^ Ледерберг Дж, Татум Е.Л. (1946). «Генная рекомбинация в Кишечная палочка«. Природа. 158 (4016): 558. Bibcode:1946 г., природа.158..558L. Дои:10.1038 / 158558a0. PMID 21001945. S2CID 1826960.
  10. ^ Lujan SA, Guogas LM, Ragonese H, Matson SW, Redinbo MR (2007).

    «Нарушение распространения устойчивости к антибиотикам путем ингибирования конъюгативной релаксазы ДНК». PNAS. 104 (30): 12282–7. Bibcode:2007ПНАС..10412282Л. Дои:10.1073 / pnas.0702760104. JSTOR 25436291. ЧВК 1916486. PMID 17630285.

  11. ^ «Генетический обмен». www.microbiologybook.org. Получено 2017-12-04.
  12. ^ Гриффитс, Энтони Дж.

    Ф.; Миллер, Джеффри Х .; Судзуки, Дэвид Т .; Левонтин, Ричард С .; Гелбарт, Уильям М. (2000). «Бактериальная конъюгация».

  13. ^ Мичод Р. Э., Бернштейн Х, Неделку А. М. (2008). «Адаптивное значение секса у микробных возбудителей» (PDF). Заразить Genet Evol. 8 (3): 267–285. Дои:10.1016 / j.meegid.2008.01.002. PMID 18295550.

  14. ^ Pan SQ, Jin S, Boulton MI, Hawes M, Gordon MP, Nester EW (июль 1995 г.). «Фактор вирулентности Agrobacterium, кодируемый плазмидным геном Ti или хромосомным геном, необходим для переноса Т-ДНК в растения». Мол. Микробиол. 17 (2): 259–69. Дои:10.1111 / j.1365-2958.1995.mmi_17020259.x. PMID 7494475.

  15. ^ Heinemann JA, Sprague GF (июль 1989 г.). «Бактериальные конъюгативные плазмиды мобилизуют перенос ДНК между бактериями и дрожжами». Природа. 340 (6230): 205–9. Bibcode:1989Натура. 340..205H. Дои:10.1038 / 340205a0. PMID 2666856. S2CID 4351266.
  16. ^ Куник Т., Цфира Т., Капульник Ю., Гафни Ю., Дингуолл С., Цитовский В. (февраль 2001 г.

    ). «Генетическая трансформация клеток HeLa с помощью Agrobacterium». Proc. Natl. Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. 98 (4): 1871–6. Bibcode:2001PNAS … 98.1871K. Дои:10.1073 / pnas.041327598. ЧВК 29349. PMID 11172043.

  17. ^ Уотерс В.Л. (декабрь 2001 г.). «Конъюгация между клетками бактерий и млекопитающих». Nat. Genet. 29 (4): 375–6.

    Дои:10,1038 / ng779. PMID 11726922. S2CID 27160.

  18. ^ Карас, Богумил Дж .; Diner, Рэйчел Э .; Lefebvre, Stephane C .; Маккуэйд, Джефф; Филлипс, Алекс П.Р .; Кивает, Чари М .; Брансон, Джон К .; Valas, Ruben E .; Деринк, Томас Дж. (21 апреля 2015 г.). «Дизайнерские эписомы диатомовых водорослей, полученные путем бактериальной конъюгации».

    Nature Communications. 6: 6925. Bibcode:2015 НатКо … 6,69 25 тыс.. Дои:10.1038 / ncomms7925. ISSN 2041-1723. ЧВК 4411287. PMID 25897682.

  19. ^ Юн Ю.Г., Кооб Мэриленд (2005). «Трансформация изолированных митохондрий млекопитающих путем бактериальной конъюгации». Нуклеиновые кислоты Res. 33 (16): e139. Дои:10.1093 / нар / gni140. ЧВК 1201378. PMID 16157861.

внешняя ссылка

  • Бактериальная конъюгация (Flash-анимация)

Конъюгация у бактерий — это… Что такое Конъюгация у бактерий?

Конъюга́ция (от лат. conjugatio — соединение), парасексуальный процесс — однонаправленный перенос части генетического материала (плазмид, бактериальной хромосомы) при непосредственном контакте двух бактериальных клеток. Открыт в 1946 году Дж.

Ледербергом и Э. Тайтемом[1]. Имеет большое значение в природе, поскольку способствует обмену полезными признаками при отсутствии истинного полового процесса.

Из всех процессов горизонтального переноса генов конъюгация позволяет передавать наибольшее количество генетической информации.

Механизм

Для успешного установления контакта двух клеток в клетке-доноре должна присутствовать конъюгативная (половая, трансмиссивная) плазмида.

Первой из них была открыта F-плазмида: эписома (способная встраиваться в бактериальную хромосому), длиной около 100 тыс. пар оснований. Плазмида несёт гены, кодирующие ряд функций.

Одна из них — образование половых пилей, отвечающих за приклепление к клетке-реципиенту.

Конъюгативные плазмиды также кодируют белки, противодействующие прикреплению пилей других бактерий к клеточной стенке данной. Поэтому клетки, уже содержащие трансмиссивные плазмиды, на несколько порядков реже выступают в роли реципиентов при конъюгации.

Плазмидой кодируется эндонуклеаза, разрезающая одну из нитей её ДНК в определённой точке (oriT). Затем разрезанная цепь раскручивается и 5'-концом переносится в клетку-реципиент. Выдвигалось предположение, что ДНК передаётся по каналам в половых пилях, но к настоящему времени показано, что перенос идёт через поры в клеточной стенке.

В первом сегменте поступающей в клетку реципиента нити ДНК расположены антирестрикционные гены. Эти гены должны транскрибироваться в реципиенте сразу же после своего поступления туда, чтобы обеспечить накопление белков, блокирующих процесс разрушения ДНК рестриктазами. Наконец, переданная цепь замыкается в кольцо и на её основе восстанавливается двунитевая структура ДНК плазмиды.

Весь процесс длится несколько минут.

Конъюгативная плазмида может встраиваться в хромосому путём гомологичной рекомбинации с участием IS-элементов. Конъюгация при этом идёт по тому же механизу, однако реципиенту передаётся не только плазмида, но и хромосомный материала донора.

В этом случае процесс затягивается на часы, часто происходит разрыв передаваемой нити ДНК. Путём искусственного прекращения передачи ДНК в разное время и наблюдения за тем, какие гены были при этом переданы, была получена карта хромосомы кишечной палочки (E.

coli) и показано её кольцевое строение.

При выщеплении из хромосомы плазмида может захватывать её фрагмент и переносить его с собой в другую клетку (аналогия с трансдукцией). Данный процесс носит название сексдукции.

Некоторые мелкие плазмиды, называемые мобилизуемыми, могут быть перенесены при конъюгации с помощью аппарата переноса «хелперной» трансмиссивной плазмиды. Для этого они должны содержать последовательности, аналогичные oriT конъюгативной плазмиды и распознаваемые её эндонуклеазами.

Конъюгация между видами с различным классификационным положением

Для успешной конъюгации бактериальные клетки не обязательно должны принадлежать к одному виду. Показана даже возможность передачи посредством конъюгации генов от бактерий эукариотам: растениям и грибам.

Например, бактерии рода Agrobacterium (семейство Rhizobia) содержит Ti и Ri плазмиды, которые переносятся в клетки растений, внедряются в ядро и изменяют их метаболизм, в результате чего клетки начинают вырабатывать опины, которые Agrobacterium использует как источник углерода и энергии.

В Ti и Ri плазмидах существуют две системы генов, кодирующих свой перенос. Это vir гены для переноса в растения и tra гены для переноса в другие бактерии.

Конъюгативный перенос у основного лабораторного штамма бацилл – Bacillus subtilis 168

В лаборатории генетики микроорганизмов Института общей генетики РАН по руководством профессора А. А. Прозорова впервые было показано существование конъюгативного переноса плазмид и хромосомных генов у основного лабораторного штамма бацилл – Bacillus subtilis 168[2].

Примечания

  1. Lederberg J, Tatum EL (1946). «Gene recombination in E. coli». Nature 158: 558.
  2. Лотарева, О. В., Шиловский И. П., Прозоров, А. А. Явление плазмидного ретропереноса при конъюгации у Bacillus Subtilis [Текст] / О. В. Лотарева, И. П. Шиловский, А. А. Прозоров // Генетика. -2006. -№12, том 42.
  • Трансформация
  • Трансдукция

Особенности процессов, ведущих к рекомбинации у прокариот. Конъюгация у бактерий: половой фактор кишечной палочки. Методы генетического картирования при конъюгации. Кольцевая карта хромосом прокариот

Мутационный процесс и поток генов могут создать в популяции изменчивость по единичным генам.

Если в результате таких первичных процессов возникает аллельная изменчивость по двум или большему числу генов, то создаётся почва для действия вторичного процесса — рекомбинации, В результате рекомбинации новые аллели, носителями которых первоначально, вероятно, были разные особи, могут сочетаться в одном генотипе.

За счет рекомбинации число различающихся генотипов в популяции может увеличиться; этот процесс превращает небольшой первоначальный запас изменчивости по множественным генам в гораздо более значительное количество генотипической изменчивости.

Процесс рекомбинации

Допустим, что в популяции диплоидных организмов, размножающихся половым путем, в двух независимо распределяющихся генах А и В возникли новые мутации. Допустим далее, что носителями мутантных аллелей (а и b) первоначально были разные особи с генотипами АаВВ и ААВb соответственно.

Теперь может начаться процесс рекомбинации, слагающийся из следующих этапов: 1) скрещивание между носителями различных мутантных аллелей: АаВВ×ААВb; 2) появление в F1 гетерозигот по двум генам АаВb (помимо других типов); 3) независимое распределение гамет с образованием четырёх классов гамет — АВ, Аb, аВ и ab; 4) образование в F2 девяти различных генотипов — ААВВ, …, aabb.

Большую часть этих девяти генотипов составляют новые генотипы. В начале процесса в популяции было три генотипа (ААВВ, АаВВ и ААВb); спустя два поколения она содержала девять генотипов, в том числе такие новые рекомбинантные типы, как ааВb и aabb,

Для того чтобы произошла рекомбинация, гены А и В необязательно должны быть независимы. Гены A и B могут рекомбинироваться, находясь в разных хромосомах или же в разных локусах одной хромосомы. Сцепление, если только оно не слишком тесное, снижает частоту рекомбинаций, но не предотвращает их образования.

Следует сказать несколько слов о терминологии. В рекомбинации генов участвуют два процесса: независимое распределение негомологичных хромосом и кроссинговер между негомологичными хромосомами.

Молекулярные биологи и микробиологи, используя термин рекомбинация, имеют в виду исключительно второй процесс. Биологи, имеющие дело с организмами и популяциями, используют этот термин в его классическом смысле, т. е.

имея в виду как сцепленные, так и несцепленные гены; именно в этом смысле мы пользуемся им в этой книге.

  Комплементарное действие генов

Конъюгация

Конъюгацией у прокариот называется прямой контакт двух разнокачественных клеток, сопровождаемый хотя бы частичным переносом генетического материала от клетки-донора к клетке-реципиенту.

Процесс конъюгации был открыт в 1946 г. Дж. Ледербергом и Э. Татумом.

У кишечной палочки клетка-донор («мужская») имеет продолговатую форму, клетка-реципиент («женская») – изодиаметрическую.

Клетка-донор образует половые ворсинки (пили), которые притягивают ее к клетке-реципиенту и образуют цитоплазматические каналы. По этим каналам ДНК из клетки-донора переходит в клетку-реципиент.

Существует три типа клеток-доноров: F+ (эф–плюс), Hfr (эйч–эф–а) и F′ (эф–прим).

F+ -доноры содержат в цитоплазме половой фактор – специфическую F–плазмиду.

F–плазмида – это автономный репликон длиной около 100 тпн. В составе F–плазмиды изучено более 20 генов. Примерно половина из них образует гигантский оперон tra (длиной около 30 тпн); продукты этого оперона контролируют образование контакта между донором и реципиентом и собственно перенос ДНК. Остальные гены регулируют работу tra–оперона.

Клетка-реципиент не содержит F–плазмиды и обозначается как F– –клетка.

При образовании цитоплазматического мостика одна из цепей F–плазмиды надрезается в определенной точке (точка О), а на комплементарной цепи начинается репликация ДНК по принципу «катящегося кольца».

Копия комплементарной цепи по цитоплазматическому мостику переходит в цитоплазму клетки–реципиента, и на ней достраивается недостающая цепь. После окончания репликации двунитевая плазмидная ДНК замыкается в кольцо, и F– –клетка превращается в F+ –клетку.

Полное время переноса копии F–плазмиды в клетку–реципиент составляет примерно 5 минут.

Однако при скрещивании F+ × F– в клетку–реципиент попадают только гены, содержащиеся в F–плазмиде; гены домашнего хозяйства, локализованные в бактериальной хромосоме, в клетку–реципиент не переносятся.

В то же время F–плазмида может встраиваться в бактериальную хромосому, то есть переходить в интегрированное состояние. В бактериальной хромосоме имеется около 20 сайтов интеграции F–плазмиды.

Тогда при переносе копии одной из цепей F–плазмиды в клетку–реципиент за ней увлекается и копия одной из цепей бактериальной хромосомы. Клетки с интегрированной F–плазмидой называются Hfr–доноры (от англ. «высокая частота рекомбинаций»).

В зависимости от условий возможен полный или частичный перенос копии бактериальной хромосомы Hfr–донора в цитоплазму реципиента. В результате образуется клетка с одной исходной двунитевой бактериальной хромосомой и одной полной или неполной гомологичной однонитевой молекулой ДНК.

Такая клетка называется мерозигота («частичная зигота»). Далее при репликации ДНК протекает рекомбинация. Этот процесс принципиально не отличается от рекомбинации при трансформации.

  Неклеточные формы жизни (вирусы)

Перенос копии ДНК начинается примерно с середины F–плазмидной ДНК (с точки О, в которой одна из цепей ДНК надрезается, и начинается репликация F–плазмидной ДНК). Таким образом, половина F–плазмидной ДНК проникает в клетку–реципиент в начале конъюгации, а вторая половина – только после полного переноса копии хромосомной ДНК.

Для полного завершения этого процесса при t = 37 0С требуется более 100 минут. Однако в природных условиях конъюгация прерывается значительно раньше, в клетку–реципиент переходит только часть копии хромосомы донора и только первая половина F–плазмидной ДНК. Таким образом, клетка-реципиент не принимает свойства Hfr–донора.

Однако существуют штаммы бактерий, у которых копия бактериальной хромосомы вместе с копией F–плазмидной ДНК переносится полностью. Такие клетки называются vHfr–доноры (от англ. «очень высокая частота рекомбинаций»).

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.

F–плазмида может переходить из интегрированного состояния в автономное путем самовырезания из бактериальной хромосомы. В этом случае возможен захват и части хромосомной ДНК (до 50 % хромосомных генов). F–плазмида, включающая хромосомные гены, называется F′ –фактором. Перенос генетического материала при скрещиваниях F′ × F– называется сексдукция.

Кроме F–плазмиды у прокариот известны и другие типы половых факторов (R, Ent, Hly, Col), обеспечивающих перенос генетического материала от бактерии к бактерии.

На основе природных плазмид (в том числе ДНК хлоропластов и митохондрий) получены полусинтетические молекулы ДНК, обеспечивающие перенос генетического материала из одной клетки в другую, называются векторы.

Векторы должны обеспечивать не только устойчивый перенос генов, но и регуляцию их транскрипции.

  Неполное сцепление генов

Прокариотические плазмиды могут реплицироваться только в прокариотических клетках. В то же время, существует необходимость переноса генов от эукариот к прокариотам и наоборот.

Для этого используются челночные плазмиды, которые содержат два репликатора (прокариотический и эукариотический) и способны реплицироваться и в прокариотических, и в эукариотических клетках, например, Ti– и Ri–плазмиды, способные к репликации в прокариотических и растительных клетках, и полусинтетические векторы, созданные на их основе. Для защиты векторов от разрушения нуклеазами их заключают в фосфолипидные пузырьки – липосомы.

При картировании генов у бактерий с помощью конъюгации получается кольцевая генетическая карта хромосомы.

Значение генетиче ских карт позволяет планировать работу по получению организмов с определенными сочетаниями признаков, что используется в генетических экспериментах селекционной практике. Сравнение генетических карт хромосом разных видов способствует эволюциоонному процессу.

На основе же генетических карт проводят генетический анализ. Методы картирования хромосомы при конъюгации: по градиенту передачи маркеров, по времени их вхождения в мерозиготу, по частоте кроссинговера.

Кольцевая хромосома (ring chromosome) — Естественная структура хромосом у многих прокариот, некоторых вирусов, а также молекул ДНК, входящих в состав пластид и митохондрий эукариот – замкнутая двухцепочечная молекула ДНК.

У некоторых вирусов кольцевая хромосома состоит из одноцепочечной молекулы ДНК.

Также кольцевая хромосома – структурная хромосомная аберрация, появляющаяся в результате мутаций, ведущих к образованию «липких концов» по крайней мере с частичной комплементарностью; мелкие кольцевые хромосомы образуются при фрагментациях и (крайний случай) пульверизации хромосом.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector