ГЕНЕТИКА - Підручник - А.В. Сиволоб - 2008
РОЗДІЛ 5. Генетика бактерій, вірусів і одноклітинних еукаріотів
ОБМІН ГЕНЕТИЧНИМ МАТЕРІАЛОМ МІЖ БАКТЕРІЯМИ
Хоча бактерії розмножуються шляхом клітинного поділу, у них спостерігається також своєрідний "статевий процес» перенесення генетичного матеріалу від однієї клітини до іншої. Таке перенесення відбувається під час кон'югації - безпосереднього контакту між клітинами. Залежить кон'югація від присутності в одній із клітин особливої плазміди - F-фактора (фактора фертильності) - яка, як і багато інших плазмід, може існувати автономно, а може вбудовуватись у бактеріальну хромосому шляхом сайт-специфічної рекомбінації. В E. coli існує два "статеві" типи клітин, що позначаються як F+і F-, - кон'югація супроводжується перенесенням ДНК від клітини F+до F-.
F-фактор містить кілька генів, у тому числі такі, що відповідають за утворення так званих пілів - трубчастих виростів на поверхні клітини. Пілі з'єднуються з рецепторами клітин F-, і між клітинами двох типів утворюється цитоплазматичний місток (рис. 5.2). Специфічна нуклеаза робить одноланцюговий розріз у ДНК F-фактора, інтактний ланцюг слугує матрицею для добудови 3'-кінця, що залишився в місці розрізу, - відбувається реплікація циркулярної ДНК F-фактора за так званим типом кільця, що котиться (такий механізм реплікації використовується також для копіювання ДНК багатьох бактеріофагів). Процес добудови 3'-кінця виштовхує 5'-кінцеву одноланцюгову ділянку, яка проникає у клітину F-, де використовується як матриця для синтезу другого ланцюга ДНК. У результаті клітина F-перетворюється на F+(рис. 5.3).
Частота кон'югації та подвоєння і перенесення F-фактора є невисокою (~10-5), якщо F-фактор існує автономно від бактеріальної хромосоми (як на рис. 5.2). Коли F-фактор вбудовується в бактеріальну хромосому, частота зростає до 10-2-10-1 - такі штами клітин F+ позначаються як Hfr (high frequency recombination). При кон'югації клітин F- і Hfrвбудований F-фактор ініціює реплікацію за типом кільця, що котиться, цілої бактеріальної хромосоми (рис. 5.3): у клітині Hfr хромосома відновлюється, у клітину F- переноситься її копія. Насправді ж ціла хромосома потрапляє до клітини F- дуже рідко - як правило, відбувається порушення кон'югаційної трубки й розрив хромосоми, котра переноситься, (як видно з рис. 5.3, це не порушує вихідну хромосому у клітині Hfr - там завжди є інтактний ланцюг ДНК, який може бути використаний у ролі матриці для відновлення цілісності дволанцюгової молекули). Оскільки на початку процесу в клітину F- потрапляє лише частина F-фактора, а щоб він опинився там повністю, вихідна хромосома має зробити повний "оберт" (рис. 5.3), як правило, клітина F- не перетворюється на F+ при кон'югації з клітиною Hfr.
Рис. 5.2. Перенесення F-фактора з клітини F+ у F-
Рис. 5.3. Перенесення ДНК від клітини Hfr до F-, ДНК інтегрованого F-фактора позначено червоним
Коли в клітині F- опиняється частина гомологічної ДНК іншої бактерії, починається гомологічна рекомбінація, описана в розділі 1, - обмін ділянками між донорною ДНК і ДНК клітини-реципієнта. Результуюча клітина-реципієнт залишається гаплоїдною - "зайва" ДНК, що не потрапила до хазяйської хромосоми, піддається деградації нуклеазами, оскільки вона не є циркулярною. Таким чином, між двома бактеріальними штамами відбувається своєрідне часткове схрещування, яке можна досліджувати за допомогою звичайних методів генетичного аналізу. Розглянемо, наприклад, схрещування Hfr-штаму дикого типу за генами thr+ та leu+ (визначають здатність синтезувати відповідні амінокислоти), який містить також ген чутливості до стрептоміцину StrS, із штамом F-, що має ген стійкості до стрептоміцину StrR і мутантні гени thr- та leu- (ауксотрофний штам, який потребує присутності відповідних амінокислот у поживному середовищі):
З певною частотою в такому схрещуванні утворюються рекомбінантні бактерії дикого типу F-, thr+ leu+ StrR, які можна відібрати, вирощуючи культуру на середовищі зі стрептоміцином.
Оскільки перенесення генів із клітини Hfr у F- відбувається послідовно, починаючи із сайта інтеграції F-фактора (рис. 5.3), можна картувати розміщення генів у бактеріальній хромосомі (у порядку потрапляння їх до клітини F-). Для цього кон'югацію (після змішування клітин двох типів у рідкому середовищі) зупиняють шляхом струшування пробірки через певні проміжки часу. Це дозволило свого часу отримати детальні генетичні карти бактеріальної хромосоми (відстані на таких картах вимірюють у хвилинах) і довести її циркулярність.
F-фактор, інтегрований до хромосоми, може також вирізатися з неї з утворенням автономної плазміди. Таке вирізання іноді буває неточним: ділянка F-фактора залишається в хромосомі, замінюючись на ділянку хромосоми в складі плазміди. Утворюється так званий F'-фактор, який здатен переносити в інші клітини бактеріальні гени незалежно від бактеріальної хромосоми (явище сексдукціі). Після такого перенесення можна отримати частково диплоїдні клітини - за генами, що перебувають у складі F'-фактора. Між останнім і хромосомою клітини-реципієнта можлива гомологічна рекомбінація, що приводить або до утворення Hfr-клітин і дуплікації генів (одиночний кросинговер - вбудовування F'-фактора у хромосому), або до обміну ділянками між хромосомою та F'-фактором (подвійний кросинговер).