ГЕНЕТИКА - Підручник - А.В. Сиволоб - 2008

РОЗДІЛ 5. Генетика бактерій, вірусів і одноклітинних еукаріотів

БАКТЕРІОФАГИ

Бактеріофаги (бактеріальні віруси) поділяють на два типи: вірулентні, які проникають у клітину, розмножуються та зумовлюють руйнування клітини (літичний шлях), і помірні - такі, що можуть використовувати або літичний шлях, або шлях лізогенії, коли ДНК фага за допомогою сайт-специфічної рекомбінації (див. наступний підрозділ) вбудовується в бактеріальний геном (фаг перетворюється на профаг). В останньому випадку за несприятливих для бактерії умов може відбуватися індукція бактеріофага - перехід до літичного шляху.

Процес перенесення генетичного матеріалу між бактеріальними клітинами за рахунок активності бактеріофагів називають трансдукцією. Здійснюють 'її зазвичай помірні бактеріофаги: після практично необмеженого існування фагової ДНК у бактеріальному геномі, індукція іноді зумовлює вирізання фагової ДНК разом із бактеріальними ділянками. Далі відбувається реплікація цієї ДНК, синтез білків оболонки бактеріофага (закодованих у генах фагової ДНК) і збирання фагових частинок. Фагові частинки потім інфікують інші клітини, і якщо реалізується шлях лізогенії, вбудовуються в ДНК клітини-хазяїна разом із захопленими раніше бактеріальними генами. До помірних фагів належать, зокрема, фаги Р1, Р22, λ (див. нижче огляд життєвого циклу фага λ). ДНК помірних фагів може розглядатися як частина бактеріального геному, яка іноді виходить з під контролю: гени бактеріофага жодним чином не відрізняються від бактеріальних, тобто перебувають під контролем промоторів, що впізнаються бактеріальною РНК-полімеразою клітини-хазяїна.

Бактеріофаги групи Т відносять до таких, що реалізують тільки літичний шлях. Як і для помірних фагів, їхній геном представлений однією лінійною дволанцюговою ДНК. ДНК Т-парних фагів (Т2, Т4, Т6) містить приблизно 200 тис. пар основ, фагові гени кодують білки системи реплікації (у тому числі й власну ДНК-полімеразу), білки фагової оболонки та певні регуляторні білки, що сприяють перемиканню роботи клітинних систем на користь бактеріофага. Після проникнення ДНК у клітину починається транскрипція групи фагових генів бактеріальною РНК-полімеразою, згодом - реплікація фагової ДНК, синтез фагових білків, збирання частинок бактеріофага й лізис клітини.

Аналогічно реалізується літичний шлях Т-непарними фагами (Т1, Т3, Т5, Т7), ДНК яких є трохи меншою за розміром (~40 тис. пар основ). Відразу після проникнення ДНК у клітину-хазяїна відбувається експресія гена мономерної фагової РНК-полімерази, яка далі ефективно транскрибує інші гени бактеріофага.

Бактеріальні клітини мають свою систему захисту від ДНК бактеріофагів. Основою цієї своєрідної "імунної системи» є рестриктази - велика група специфічних нуклеаз, які розрізають лише певні невеличкі (частіше чотири або шість нуклеотидів) елементи послідовності. Активність рестриктази залежить від метилювання певних азотистих основ у складі специфічних сайтів рестрикції: сайти у складі бактеріальної ДНК є метильованими й тому непомітними для рестриктази, немети- льовані сайти ДНК бактеріофага залишаються чутливими.

Крім фагів, котрі містять дволанцюгову ДНК як генетичний матеріал, існують ще дві групи фагів, геном яких є відхиленням від "канону". Перша група - бактеріофаги з одноланцюговою циркулярною ДНК (φХ-174, М13). Ця ДНК досить маленька, фагові гени кодують тільки 10-12 білків. Наприклад, геном (який був першим із прочитаних) φХ-174 (слід читати "фі-десять") побудований надзвичайно економно: десять генів (один із них - ген А - дає дві різні молекули РНК при транскрипції) займають практично всю циркулярну ДНК бактеріофага (рис. 5.4). Більш того, декілька генів перекриваються за рахунок використання різних рамок зчитування: гени А і С та С і D перекриваються своїми кінцями, гени B, K і E повністю містяться в межах інших генів; три гени - А, С і K - використовують усі три можливі рамки зчитування на одній ділянці ДНК (звичайно, у даному випадку всі три рамки є відкритими). Явище перекриття генів за рахунок використання різних рамок зчитування спостерігається також для кількох інших бактеріофагів і зустрічається в еукаріотів.

У бактеріальній клітині фагова ДНК, що позначається як (+)-ланцюг, використовується як матриця для синтезу (-)-ланцюга. У результаті утворюється дволанцюгова циркулярна ДНК, з неї транскрибуються гени ((-)-ланцюг є матричним), і вона, після одноланцюгового розриву в (+)-ланцюзі, використовується для реплікації за типом кільця, що котиться (див. рис. 5.2): на циркулярному (-)-ланцюзі синтезується велика кількість копій (+)-ланцюга, фрагменти нарізаються, замикаються в кільце й упаковуються у фагову оболонку.

Рис. 5.4. Геном бактеріофага фХ-174.

Позначено початок та кінець кожного гена, загальна довжина ДНК - 5386 пар основ

Остання група бактеріофагів (R17, F2, MS2) містить як генетичний матеріал молекулу РНК, де є тільки чотири гени (фагова РНК одночасно слугує як мРНК), що кодують: РНК-залежну РНК-полімеразу, яка здійснює копіювання фагової РНК; два білки оболонки; білок, що забезпечує лізис клітини. Таким чином, ці найменші з усіх відомих вірусів здійснюють найпростіший шлях передачі спадкової інформації - тільки з РНК на РНК і на білок.