Конъюгация - Постоянство, изменение и передача признаков - Общая микробиология - Статьи - Микробиология
Вторник, 06.12.2016, 11:13Главная | Регистрация | Вход

Меню сайта

Форма входа

Поиск

На хостинг

Наш опрос

Что бы Вы хотели видеть на сайте?
Всего ответов: 933

Опечатки

Система Orphus

Статистика


Онлайн всего: 1
Гостей: 1
Пользователей: 0
Статьи
Главная » Статьи » Общая микробиология » Постоянство, изменение и передача признаков

Конъюгация
Перенос генетического материала путем прямого контакта между дву мя клетками называется конъюгацией. Уже давно на основании морфо логических данных предполагали, что и у бактерий может происходить своего рода спаривание; однако только эксперименты с множественны ми мутантами бесспорно доказали, что и у бактерий возможна передача генетического материала при прямом межклеточном контакте. В 1946 г. Ледерберг и Татум провели решающий опыт с двумя мутантами Е. coli К12, каждый из которых был ауксотрофным по двум различным ами нокислотам (рис. 15.14). Один двойной мутант нуждался в аминокисло тах А и В, но был способен синтезировать С и D (А ~ В ~ С D+); другой мутант был ему комплементарен (А т В т С~ D"). Эти мутанты не росли на минимальной питательной среде и не обра зовывали колоний. Однако если на ту же минимальную среду высевали смесь суспензий обоих мутантов, то колонии появлялись. Клетки этих колоний обладали наследственной способностью синтезировать все аминокислоты, т.е. принадлежали к типу A + B + C + D+ (были прото-трофными). Такие клетки возникали с частотой 1 :10б; это были генетические рекомбинанты - они объединяли в себе генетическую информацию двух реципрокно дефектных (взаимодополняющих) родительских кле ток. Использование в качестве исходных штаммов множественных му тантов исключало возможность появления ревертантов, так как вероят ность одновременной реверсии по двум генам составляет величину по рядка 10~14-10~16 на генерацию. Необходимой предпосылкой реком бинации служил прямой контакт родительских клеток.
Направленный перенос генов из клетки в клетку. Эксперименты поскрещиванию, в которых один из родительских штаммов был стрепто мициноустоичивым, позволили сделать вывод, что генетический мате риал передается лишь в одном направлении. Если клетки после скрещи вания высевали на среду, содержавшую стрептомицин, то рекомби нанты возникали только в тех случаях, когда один из штаммов (штамм-реципиент) был стрептомициноустоичивым и выживал. Как вел себя другой родительский штамм, было несущественно; он мог быть стрептомициночувствительным и мог на этой среде погибнуть-доста точно того, чтобы он успел выполнить свою функцию донора генетиче ского материала. Отсюда можно было заключить, что перенос генети ческого материала происходит в одном направлении - от донора («мужского» штамма) к реципиенту («женскому» штамму)-и что весь процесс рекомбинации и расщепления протекает в клетках штамма-ре ципиента. Рекомбинанты наследуют большинство своих признаков от реципиента, а от донора получают только фрагменты генома.

Фактор F и состояние HfrПри исследовании процесса скрещивания бактерий выяснилось, что способность клетки быть донором связана с наличием особого фактора, который при конъюгации передается из одной клетки в другую - полового фактора F (от fertility - плодовитость). Клетки, не содержащие фактора F(клетки F~), могут функционировать только как реципиенты. При конъюгации, т.е. при прямом контакте между клетками, частота передачи фактора F близка к 100%. Таким образом, клетки-реципиенты в результате конъюгации превращаются в потенциальных доноров; при этом хромосомные признаки еще не передаются.



Фактор F представляет собой кольцевую двухцепочечную молекулу ДНК с массой 45 106 Да. В качестве внехромосомного автономно ре-плицируемого элемента ДНК ее следует отнести к плазмидам. Эта мо­лекула содержит гены, ответственные за процесс конъюгации, в том числе гены, детерминирующие особые структуры клеточной поверхно сти, например половые волоски, или F-пили (рис. 15.15), необходимые для конъюгации. По всей вероятности, они служат для взаимного узна вания при контакте между клеткой-донором и клеткой-реципиентом и делают возможным образование конъюгационного мостика, по кото рому ДНК переходит внутрь клетки-реципиента. Пока не ясно, происхо дит ли такая «инъекция» ДНК через сами F-пили.

В популяции F+ лишь немногие клетки способны быть донорами хромосомной ДНК. Оказалось, что это те клетки, в которых фактор F интегрировался в бактериальную хромосому (рис. 15.16). Если клоны таких клеток-доноров использовать в экспериментах со скрещиванием, то рекомбинанты образуются примерно в тысячу раз чаще, чем при ис-


пользовании обычных клеток F +Клетки-доноры, обеспечивающие вы сокую частоту рекомбинаций, получили название клеток Hfr (от англ. high frequency of recombinants). Фактор F включается в бактериальную хромосому лишь в определенных участках, число которых ограниченно; этот процесс сравним с интеграцией фага X (лямбда) в хромосому клет ки-хозяина (см. рис. 4.14, 15.12 и 15.16).

Процесс переноса. Если смешать популяцию клеток Hfr с избытком клеток F ~, то почти каждая клеткаHfr найдет себе партнера F ~ и бу дет с ним конъюгировать. Из такой смеси через определенные проме жутки времени брали пробы и, сильно встряхивая их в смесителе, на сильственно разъединяли партнеров. Затем пробы переносили на чашки с агаром для выделения рекомбинантов. И наконец, исследовали ре-комбинантные штаммы, чтобы выяснить, какие гены были переданы до норами клеткам-реципиентам. Исследования показали, что каждый ген передается в совершенно определенный момент времени после начала конъюгации (рис. 15.16). Временная последовательность переноса генов соответствовала порядку их расположения в бактериальной хромосоме, установленному в результате генетического анализа. Это значит, что любой  штамм Hfr представляет собой   гомогенную  популяцию,   все клетки которой передают свою хромосому реципиенту одинаковым образом-начиная с определенного участка (начала) и в одном и том же направлении. Чем дальше располагается тот или иной ген от «начала» хромосомы, тем позже он передается и тем реже попадает внутрь клет ки-реципиента, даже если конъюгацию не прерывать искусственно, Перенос всей хромосомы Е. coli продолжается при 37°С около 100 мин. Эксперименты, осуществленные по принципу «прерванной конъюгации», сделали возможным составление генетических карт.

Разные штаммы Hfrвыделенные независимо друг от друга из одно го и того же штамма F + , различаются по двум главным признакам: роль «начала» играет у каждого штамма иная точка хромосомы и каждый штамм отличается своей специфической последовательностью переноса генов. Результаты экспериментов согласуются с представле нием о том, что фактор F при интеграции (т. е. при переходе в состоя ние Hfr)может включаться в бактериальную хромосому в одном из примерно 20 возможных генных локусов. При переносе бактериальная ДНК реплицируется, начиная от места включения фактора Fи вновь синтезированная цепь, двигаясь 5'-концом вперед, проталкивается внутрь клетки-реципиента. Вслед за этим процессом переноса в клетке-реципиенте происходит гомологичная рекомбинация между донорской ДНК и собственной ДНК реципиента. Взаимоотношения между клет кой F~, клеткой F+ и клетками Hfr представлены на рис. 15.16.

Генетическая карта. В результате применения описанного выше ме тода прерванной конъюгации, позволяющего выяснить временную по следовательность переноса генов из клетки-донора, можно составить карту расположения генов в бактериальной хромосоме (рис. 15.17). Ско рость их переноса в течение всего процесса остается постоянной. Мо менты перехода внутрь клетки-реципиента позволяют судить о расстоя­ниях между ними в хромосоме. При использовании этого метода не удается учитывать различия менее одной минуты. Для более тонкого картирования может служить анализ сцепления при трансдукции (пере­носе генов фагом).

Для Escherichia coli K12 известно расположение более чем тысячи ге нов, главным образом структурных, кодирующих ферменты. Последо вательность расположения генов на бактериальной хромосоме была определена для Salmonella typhimuriumStreptomyces coelicolorBacillus subtilis и некоторых других бактерий.

Перенос генов при посредстве фактора F'. Интеграция (включение) фактора F в бактериальную хромосому обратима. F-фактор может быть высвобожден из хромосомы, и тогда клетка Hfr становится клет кой F+ (рис. 15.16). Этот процесс «вырезания» (эксцизии, выключения) происходит примерно с той же частотой, что и интеграция. При пра вильной эксцизии разрыв происходит в том же самом месте, что и при интеграции. В редких случаях он происходит где-то очень близко к это му месту, и в результате соседний участок ДНК остается присоеди ненным к фактору FЭтот фактор Fсодержащий небольшой фрагмент


хромосомной ДНК, называют фактором F'. Возникновение фактора Fаналогично образованию фага, осуществляющего специфическую транс-дукцию (разд. 15.3.3).

Клетку, содержащую фактор F', называют первичной клеткой F'. Включившаяся в F-фактор ДНК теперь может передаваться клетками-донорами Fштаммам F~   с такой же высокой частотой (100%), что и при обычной передаче фактора F штаммами F+ реципиентам F ~. Тот же самый фрагмент ДНК мог бы передаваться штаммом Я/г штамму F ~ с максимальной частотой 1%. Если фактор Fбудет перене сен из первичной родительской клетки F(где он впервые возник) в нор мальную клетку F ~, то образуется вторичная клетка F', в которой не большой участок бактериальной хромосомы окажется удвоенным (будет в диплоидном состоянии).

Распространенность конъюгации среди других групп бактерий. Переда ча генов путем конъюгации, открытая у Escherichia coliочень широко распространена у энтеробактерий.

Посредством переноса факторов F из Е. coli K12 в клетки Salmonella и Shigella удалось создать новые генетические системы. Сходные си стемы были найдены в группе псевдомонад. Конъюгация у энтеробакте­рий представляет собой высокоразвитый процесс; чтобы она осуществи лась, достаточно суспендировать смесь клеток-партнеров в жидкой среде и оставить на некоторое время в покое. У многих других бакте рий конъюгацию удается вызвать лишь в том случае, если колонии обо их партнеров будут хорошо перемешаны и размазаны на твердой среде, где они должны затем расти несколько дней. Если теперь распределить клетки по одной на селективной среде, то окажется, что у многих кле ток возникла новая комбинация признаков и, по всей вероятности, про изошел обмен крупными участками бактериальных хромосом. Про цессы конъюгации широко изучались на Streptomyces coelicolorвидах NocardiaRhizobium и других бактериях. Обмен генами путем конъюга ции и мобилизация генов с помощью плазмид, вероятно, очень распро­странены в мире прокариот.

Плазмиды

Многие (если не все) бактерии могут содержать внехромосомные эле менты ДНК. Эти малые по сравнению с бактериальной хромосомой, замкнутые в кольцо двухцепочечные ДНК называют плазмидами. При росте в обычных условиях бактерии могут без них обходиться: клетки, «излеченные» от плазмид с помощью УФ-облучения, митомицина С или акридинового красителя, хорошо растут на обычных пита тельных средах. Плазмиды распознаются по особым свойствам, ко торые приобретает содержащая их клетка. Некоторые плазмиды де лают клетку способной конъюгировать с другими клетками. Это обеспечивает дальнейшее распространение таких плазмид путем прямо го межклеточного контакта. С прототипом подобного рода плазмиды мы уже встречались (с. 457) при рассмотрении F-факторов Escherichia coli.

Факторы фертильности (F-факторы). Это, как уже говорилось, плаз миды, которые могут включаться в бактериальную хромосому подобно ДНК умеренного фага лямбда. Они «мобилизуют» генетическую ин­формацию этой хромосомы и осуществляют перенос ее в другую клет ку. Такой перенос (конъюгация) был хорошо изучен на Е. coli.

 

Факторы резистентности (R-факторы). Бактерии, устойчивые (рези стентные) к некоторым антибиотикам, были впервые открыты в 50-е годы в Японии. Речь идет о штаммах возбудителя дизентерии Shigella,выделенных от больных, которых лечили антибиотиками. Характерно то, что бактерии обнаруживали множественную устойчивость и что эта устойчивость могла передаваться другим бактериям, таким какEscherichia coliКак стало теперь известно, факторы резистентности (Rсодержат гены, которые делают клетку устойчивой, например, к сульфонамидам, стрептомицину, хлорамфениколу и тетрациклину. Не­которые К-факторы обусловливают резистентность сразу к восьми ан тибиотикам, другие же придают устойчивость к ядовитым тяжелым ме таллам, например ртути, никелю, кадмию или кобальту. К-плазмида несет две группы генов: 1) гены, ответственные за передачу плазмиды путем конъюгации (гены tra),-они образуют так называемый «фактор переноса устойчивости» (RTF, resistence transfer factor); 2) гены, обусло вливающие собственно резистентность (они составляют лишь неболь шую часть плазмиды) (рис. 15.18).

Фактор переноса устойчивости (RTF) включает все гены, ответ ственные за перенос фактора R из клетки в клетку, который осущест вляется обычно путем конъюгации. Таким образом, фактор Rтак же как и фактор Fв широком смысле инфекционен. Область RTF по своей молекулярной структуре гомологична соответствующей области F-фак-тора Е. coliДля некоторых К-факторов характерен широкий круг хо зяев; возможен их перенос между несколькими разными родами бакте рий, что способствует их дальнейшему распространению. В некоторых случаях наблюдали, что вместе с фактором R передаются и хромо сомные гены, которые, по-видимому, были мобилизованы им.

Механизм устойчивости к антибиотикам, определяемой К-факторами, может быть не таким, как в случае ее хромосомного наследования. На глядным примером этого служит резистентность к стрептомицину. Если она зависит от хромосомного гена, то она связана с изменением субъ единицы 30S рибосомы, так что бактерия не имеет мишени для воздей ствия стрептомицина (разд. 2.2.2). В отличие от этого устойчивость, обусловленная К-фактором, основана на инактивации антибиотика в ре зультате его аденилирования под влиянием фермента. Ферментативная химическая модификация антибиотиков часто бывает причиной устой чивости к ним, обусловленной плазмидами; например, хлорамфеникол ацетилируется, канамицин и неомицин подвергаются фосфорилирова-

нию и ацетилированию, а пенициллин инактивируется пенициллиназой. Поскольку и при наличии К-факторов возможна генетическая рекомби нация, может возникнуть новое сочетание генов, придающее дополни­тельные свойства устойчивости. К-факторы имеют большое значение для химиотерапии; их существование-лишний довод против бескон трольного применения антибиотиков, так как они могут распростра няться в популяциях бактерий подобно инфекционным агентам.

Бактериоцины. Многие бактерии синтезируют белки, убивающие родственные виды или штаммы или тормозящие их рост. Эти белки с весьма специфическим действием, бактериоцины, кодируются особыми плазмидами, бактериоциногенными факторами. Бактериоцины были вы делены из Escherichia coli(колицины), Pseudomonas aeruginosa (пиоцины), Bacillus megaterium (мегацины) и других бактерий.

Другие признаки, определяемые плазмидами. Плазмиды могут содер жать также гены, обусловливающие ряд специфических биологических свойств, которые в определенных условиях создают селективное пре имущество. Гены ферментов, необходимых для расщепления камфоры, салициловой кислоты, нафталина, октана, 2,4-дихлорфеноксиуксусной кислоты и многих других необычных субстратов, могут находиться в плазмидах. Мы уже упоминали о плазмиде бактерии Agrobacterium tumefaciens,вызывающей опухоли у растений, и ее биохимической актив ности (разд. 4.3). Перечень свойств, наследуемых с плазмидами, стал сейчас очень длинным и включает, в частности, азотфиксацию, образо­вание клубеньков, синтез индолилуксусной кислоты, диацетила, гидроге-назы, поглощение Сахаров. Некоторые из этих свойств могут опреде ляться генами бактериальной хромосомы; это свидетельствует о том, что более или менее часто происходит обмен генами или группами ге нов между хромосомой и плазмидой. Плазмиды, вероятно, играли очень важную роль в эволюции прокариот.

Несовместимость. Многие бактерии содержат плазмиды различной величины. Сосуществование разных плазмид в одной бактериальной клетке говорит о том, что такие плазмиды совместимы между собой. Однако две родственные плазмиды не могут сосуществовать в одной клетке-они несовместимы. Все плазмиды подразделяются на группы несовместимости: плазмиды, относящиеся к одной и той же группе, не­совместимы друг с другом.

Категория: Постоянство, изменение и передача признаков | Добавил: Wiki (30.12.2009)
Просмотров: 2478 | Теги: генетический материал, рекомбинация, конъюгация, бактерии
Copyright MyCorp © 2016 |