Микробиология Генетика микроорганизмов

Микробиология Генетика микроорганизмов

Генотип • Материальной основой наследственности, определяющей генетические свойства всех организмов, в том числе бактерий и вирусов, является ДНК • Вся клеточная ДНК может быть разделена на отдельные гены, которые несут информацию об определенных признаках • Генотип – это совокупность генов, присущих данному организму

Фенотип • Гены могут быть фенотипически выражены • Фенотип – это совокупность признаков, присущих данному организму • Условия окружающей среды способствуют проявлению (экспрессии генов) или, наоборот, подавляют их функциональную активность, выраженную в образовании определенных ферментов • Центральная догма молекулярной биологии – ДНК РНК белок • Один ген – один фермент

Строение генетического аппарата бактерий

Нуклеоид • Основной чертой субклеточной организации прокариот является отсутствие в их клетках ядра, ограниченного ядерной мембраной от цитоплазмы • Прокариоты имеют обычно всего лишь одну хромосому, которая, как правило, представляет собой кольцевую молекулу ДНК, размещенную относительно компактно в области клетки, которую называют нуклеоид • Нуклеоид не является специальной структурой, поскольку здесь нет ограничивающей от цитоплазмы мембраны • В эукариотической клетке имеется две или более хромосомы, которые ограничены от окружающей цитоплазмы ядерной мембраной • Таким образом, у эукариот в отличие от прокариот имеется специальная структура - ядро

Прокариотная клетка

Нуклеоид • Молекулярная масса ДНК хромосомы бактерий сравнительно велика и составляет, например, у E. coli около 2 х109 Дальтон • Всего длина хромосомы у E. coli составляет 4 млн 653 тыс. пар оснований или около 1, 600 мкм, в то время как размеры клетки E. coli составляют всего 2 -6 мкм в длину • Таким образом, гигантская хромосома E. coli должна быть упакована в нуклеоиде чрезвычайно компактно • Кроме того, в нуклеоиде обнаруживаются РНК и белки • Предполагается, что белки нуклеоида играют важную роль в компактной укладке ДНК • Белки нуклеоида у прокариот отличаются от гистоновых белков, которые характерны для эукариот

Нуклеоид • Исследования бактериальной клетки с помощью электронного микроскопа показывают, что нуклеоиды имеют неправильную форму с множеством выступов • Эти выступы представляют собой вытянутые участки ДНК бактериальной хромосомы, направленные в окружающий цитоплазматический матрикс • Вытянутые участки ДНК по периферии нуклеоидов являются сегментами бактериальной хромосомы, вовлеченными в транскрипцию • Эти участки состоят из петель ДНК бактериальной хромосомы, которые в зависимости от физиологического состояния клетки находятся в транскрипционно-активном состоянии (и тогда они выпячены) или втягиваются внутрь нуклеоидов при подавлении транскрипции • Таким образом, нуклеоид бактериальных клеток не является статическим образованием или компартментом, который можно четко определить морфологически

Количество хромосом у бактерий • У большинства видов бактерий каждая клетка содержит только одну хромосому • У некоторых бактерий в клетках обнаружены 2 и даже 3 неидентичные хромосомы • В интенсивно растущей культуре в одной клетке может одновременно содержаться 2, 4, 8 и более копий хромосом

Кольцевая и линейная форма хромосом у бактерий • У разных бактерий ДНК может находиться в кольцевой или линейной форме • У E. сoli, Salmonella typhimurium, Bacillus subtilis ДНК существует в кольцевой форме • У Borrelia burgdorferi, Streptomyces, Rhodococcus fascians ДНК находится в линейной форме

Внехромосомные генетические элементы • Наряду с кольцевой хромосомой у бактерий имеются внехромосомные генетические элементы: плазмиды и мигрирующие элементы (транспозоны и IS-элементы – insertion sequence) • Плазмиды, транспозоны и IS-элементы не являются генетическими элементами, жизненно необходимыми для бактериальной клетки, поскольку они не несут информации о синтезе ферментов, которые играют ключевую роль в росте и репродукции бактерий • В отсутствие плазмид в обычных условиях бактериальные клетки остаются жизнеспособными • Важная роль внехромосомных генетических элементов заключается в том, что они расширяют возможность существования бактерий и играют определенную роль в их эволюции • Например, плазмиды могут нести гены, которые дают бактериям определенные селективные преимущества, такие как резистентность к антибиотикам, способность метаболизировать ксенобиотики, придавать бактериям патогенность и другие свойства

Внехромосомные генетические элементы • Плазмиды физически либо не связаны с хромосомой (автономное состояние), либо встроены в хромосому (интегрированное состояние) • В автономном состоянии плазмиды самостоятельно реплицируются • Транспозоны и IS-последовательности входят, как правило, в состав хромосом, но способны переходить из хромосомы в плазмиду и обратно • Транспозоны и IS-последовательности не способны к самостоятельной репликации

Плазмиды • Плазмиды обнаружены у многих бактерий, принадлежащих к разным таксономическим группам • Плазмиды найдены также у дрожжей и других грибов • Количество плазмидной ДНК в клетке составляет обычно от 0. 1 до 5. 0 процентов от клеточного генома, иногда до 20%, а число плазмид колеблется от 1 до 40 или даже более • Низкокопийные плазмиды присутствуют в клетке в числе 1 -4 копий • Некоторые плазмиды представлены в клетке 10 -100 копиями; они называются высококопийными • Плазмиды – это, как правило, кольцевые ковалентно замкнутые двухцепочечные молекулы ДНК, содержащие от 1 до 500 тысяч пар нуклеотидов • Плазмиды могут существовать и реплицироваться независимо от бактериальной хромосомы

Конъюгативные и неконъюгативные плазмиды • Важнейшим свойством плазмид является также их способность передаваться из клетки в клетку при конъюгации (трансмиссивность) • В зависимости от этого плазмиды подразделяют на конъюгативные (или трансмиссивные) и неконъюгативные (или нетрансмиссивные) • Конъюгативные плазмиды способны передаваться из одной клетки в другую и они имеют гены, ответственные за их перенос (tra-гены), объединенные в tra-опероны • Гены tra-оперонов детерминируют ряд свойств: – синтез половых пилей, которые необходимы для образования конъюгативных пар; – сам перенос ДНК и постконъюгативный синтез ДНК, что придает клетке донорные свойства

Эписомы • Многие плазмиды способны к интеграции в бактериальную хромосому • Интеграция осуществляется с помощью IS-элементов и транспозонов, которые имеются и в хромосоме, и в плазмиде • Плазмиды, которые могут находиться как в автономном, так и в интегрированном состоянии по отношению к хромосоме клетки-хозяина, получили название эписом • При интеграции конъюгативной плазмиды в хромосому образуются доноры типа Hfr, способные с высокой частотой передавать хромосомные гены в клетки реципиента

Плазмиды • Кодирующая функция плазмид состоит во внесении в бактериальную клетку новой информации, о которой судят по приобретенному признаку • К таким признакам относится, например образование пилей (F- плазмиды), резистентность к антибиотикам (R-плазмиды), выделение бактериоцинов (бактериоциногенные плазмиды), способность вызывать образование опухолей у растений (Ti- плазмиды) и др. • Плазмиды патогенности контролируют вирулентные свойства бактерий и токсинообразование • Есть плазмиды, которые несут специфические наборы генов, ответственных за утилизацию необычных метаболитов - это плазмиды деградации • Таким образом, плазмиды делают возможным существование организмов в более широком диапазоне условий внешней среды, т. е. действуют как факторы адаптации • Плазмиды, гены которых кодируют неизвестные функции, называют криптическими

F-плазмида • F-плазмида, которую часто называют F-фактор или половой фактор, содержит информацию, обеспечивающую ее собственный перенос из одной клетки в другую • F-плазмида контролирует синтез половых ворсинок (F-pili), которые способствуют эффективному спариванию бактерий-доноров с реципиентными клетками при конъюгации • Доноры обозначаются как F+, они содержат F- плазмиду и имеют половые ворсинки • Реципиенты обозначаются как F-, они соответственно не содержат F-плазмиды и не имеют ворсинок •

Конъюгация бактерий

R-плазмиды • Известно большое количество R-плазмид, определяющих устойчивость бактерий-хозяев к разнообразным лекарственным препаратам • Передача R-плазмид от одних бактерий к другим привела к их широкому распространению среди патогенных и условно патогенных бактерий, что чрезвычайно осложняет химиотерапию вызываемых этими бактериями заболеваний • R-плазмиды, как и другие плазмиды, представляют собой двухцепочечные кольцевые молекулы ДНК • R-плазмиды имеют сложное молекулярное строение • В их состав входят R-гены, кодирующие резистентность к таким антибиотикам, как ампициллин, хлорамфеникол, канамицин и др.

Бактериоциногенные плазмиды и бактериоцины • Бактериоциногенные плазмиды контролируют синтез особого рода антибактериальных веществ – бактериоцинов, способных вызывать гибель бактерий того же вида или близких видов • Бактериоцины обнаружены у кишечных бактерий (колицины), бактерий чумы (пестицины), холерных вибрионов (вибриоцины), стафилококков (стафилоцины) и др. • Наиболее изучены колицины, продуцируемые кишечными палочками, шигеллами, и некоторыми другими энтеробактериями

Плазмиды патогенности • Плазмиды патогенности или плазмиды вирулентности, контролируют вирулентные свойства бактерий и токсинообразование • Tox- плазмиды контролируют токсинообразование • Ent- плазмиды контролируют синтез энтеротоксинов • Hly- плазмиды контролируют синтез гемолизинов • Например, энтеротоксигенные штаммы E. coli имеют Ent- плазмиды, которые содержат гены, кодирующие синтез энтеротоксинов •

Плазмиды деградации • Плазмиды деградации или метаболические плазмиды несут гены, кодирующие образование ферментов, которые катализируют деградацию тех или иных веществ, например, ксенобиотиков • Таким образом, бактерии могут разрушать разнообразные ароматические соединения, такие, например, как толуол, пестициды, - например, 2, 4 -дихлорфеноксиуксусную кислоту и т. д • Такого рода плазмиды могут также играть важную роль в экологии патогенных бактерий, обеспечивая им селективные преимущества во время пребывания в организме человека или в окружающей среде • Например, уропатогенные штаммы кишечных палочек содержат плазмиды, кодирующие ферменты гидролиза мочевины

Мигрирующие элементы • Хромосомы бактерий, вирусов и эукариотических клеток содержат участки ДНК, которые могут перемещаться с места на место по геному • Эти участки ДНК способны к самостоятельному перемещению из одного участка в другой в пределах репликона, а также к перемещению из одного репликона (хромосомного, плазмидного или фагового) в другой • К мигрирующим генетическим элементам бактерий относятся транспозоны и IS-элементы (insertion sequence)

IS-элементы • Наиболее простыми мигрирующими элементами являются IS- последовательности или IS-элементы • Это короткие линейные последовательности ДНК, длиной около 1000 пар нуклеотидов • IS-элементы содержат только гены, которые необходимы для их транспозиции, а по их краям располагаются так называемые инвертированные повторы, т е. такие последовательности оснований, которые идентичны или близки в обеих цепях при их прочтении в направлении от 5’ к 3’ концу • Инвертированные повторы имеют протяженность от 8 до 40 пар нуклеотидов и могут быть различны у различных IS-элементов • Между этими инвертированными повторами располагается ген, несущий информацию о ферменте, который называется транспозаза • Этот фермент требуется для транспозиции и опознает границы IS-элементов

Транспозоны • Истинные композиционные транспозоны в отличие от IS- элементов могут содержать дополнительные гены вдобавок к тем, которые необходимы для транспозиции • Таким образом, транспозоны состоят из центральной области, содержащей такие дополнительные гены, а по краям имеют идентичные IS-элементы или которые очень напоминают друга • Многие транспозоны устроены проще - они имеют по краям инвертированные повторы, а в середине располагаются кодирующие транспозоционные и дополнительные гены • Предполагают, что транспозоны образуются, когда два IS- элемента соединяются с центральным сегментом, несущим тот или иной ген • Такая комбинация может возникнуть, если IS-элемент реплицируется и передвигается ниже на один или два гена

Структура сложного транспозона Tn 10

Транспозоны • Транспозоны продуцируют множество важных эффектов • Они могут вставляться в ген, вызывая соответствующую мутацию или стимулировать перестройку ДНК, ведущую к делеции генетического материала • Некоторые транспозоны могут нести стоп-кодоны или терминационные последовательности ДНК, которые могут блокировать транскрипцию или трансляцию • Другие элементы несут промоторы и таким образом могут активировать гены, в местах их внедрения в ДНК хозяина • Гены прокариотических и эукариотических микроорганизмов могут быть включены или выключены в результате перемещения транспозонов • Транспозоны могут также располагаться на плазмидах и участвовать в таких процессах, как слияние плазмид или вставка F-плазмид в хромосому у E. coli

Изменчивость и ее виды

Наследственность • Существование дискретных биологических видов зависит от точности передачи генетической информации от организмов- родителей к организмам-потомкам • Точность передачи генетической информации служит основой явления наследственности, которое мы определяем как сохранение специфических свойств организма в ряду поколений • Бактериям также как и всем живым организмам присуще явление наследственности • Генетическая информация у бактерий передается от родительских к дочерним клеткам • Точность передачи генетической информации обеспечивается удвоением молекул ДНК в процессе репликации

Изменчивость • Для бактерий, как и для всех других организмов, характерна изменчивость, то есть способность изменять те или иные признаки • В каждой популяции микроорганизмов постоянно присутствует некоторое количество клеток с измененными свойствами • Изменчивость может быть ненаследственной (модификационной) и наследственной • Модификации – это фенотипические изменения некоторых биохимических, физиологических и структурных особенностей клеток, которые представляют собой ответную реакцию на действие внешних факторов и не сопровождаются изменениями в генотипе

Модификационная изменчивость • Как правило, изменения носят приспособительный характер, это так называемые адаптивные модификации, т. е. это ненаследственные изменения, полезные для организма и способствующие его выживанию в изменяющихся условиях окружающей среды • Такие изменения исчезают сразу же или вскоре после того, как действие вызывающего их фактора прекращается • Наряду с кратковременными иногда наблюдаются длительные модификации, сохраняющиеся у нескольких поколениях микроорганизмов после возвращения культуры в стандартные условия • Длительные модификации связаны, по-видимому, с временными изменениями, возникающими не в хромосомах, а в других компонентах клетки (рибосомах, клеточных мембранах и других структурах клетки), которые могут передаваться дочерним клеткам при делении

Модификационная изменчивость • Для модификаций характерно следующее: – изменения возникают лишь при определенной комбинации условий (т. е. в ответ на определенные воздействия, а не спонтанно) – Одни и те же изменения возникают у всех особей – эти изменения обратимы

Модификационная изменчивость • Модификационная изменчивость не имеет существенного значения в эволюции микроорганизмов, но она играет определенную роль в приспособляемости микробных популяций к изменяющимся условиям внешней среды.

Наследственная изменчивость • Наследственная или генотипическая изменчивость связана с изменением генетической информации, закодированной в ДНК • В этом случае изменения признаков в популяции бактерий возникают вначале как редкие события • Если измененные особи имеют некоторое преимущество перед неизмененными, выражающееся в повышенной скорости роста или жизнеспособности, они постепенно накапливаются в популяции и вытесняют исходные особи • Наследственные изменения подхватываются естественным отбором и служат основой эволюции организмов

Мутации и рекомбинации • Наследственные изменения могут происходить в результате мутаций или рекомбинаций генетического материала • При рекомбинациях происходит перекомбинация генов или сегментов хромосом, в результате чего возникают новые комбинации генетического материала • Мутации – это наследственные изменения структуры генома, происходящее под влиянием внешней или внутренней среды

Мутации • Мутации представляют собой наследуемые изменения в первичной структуре ДНК, т. е. изменения в последовательности нуклеотидов в ДНК генов • Обычно каждое такое изменение в первичной структуре ДНК сопровождается наследственно закрепленной утратой или изменением какого-либо признака • У бактерий мутации носят спонтанный и ненаправленный (случайный) характер • Образующиеся мутантные признаки подвержены жестокому давлению естественного отбора • В результате в популяциях бактерий закрепляются лишь мутации, максимально соответствующие условиям окружающей среды

Мутации • Процесс возникновения мутаций, основанный на различных механизмах, называют мутагенезом • Организм, который получается в результате мутации, называют мутантом • Факторы, которые вызывают мутации, называют мутагенами • Мутации можно классифицировать по происхождению, характеру изменений в структуре ДНК, фенотипическим последствиям для мутировавшей бактериальной клетки и другим признакам

Мутации • По происхождению мутации подразделяют на спонтанные и индуцированные • Считается, что спонтанные мутации возникают самопроизвольно в нормальных для организма условиях окружающей среды • Характерной особенность таких мутаций является их низкая частота, т. е. они возникают довольно редко • Спонтанные мутации обуславливают естественную изменчивость микроорганизмов и лежат в основе их эволюции

Мутации • Индуцированными мутациями называют наследуемые изменения генома, возникающие в результате тех или иных мутагенных воздействий в искусственных (экспериментальных условиях) или при неблагоприятных воздействиях окружающей среды в естественных условиях • Важнейшие мутагенные факторы - химические мутагены (разнообразные органические и неорганические вещества), а также ионизирующее излучение

Мутации • В классификации, основанной на размерах сегментов генома, подвергающихся преобразованиям, мутации разделяют на геномные, хромосомные, и генные • Геномные мутации (изменение числа хромосом), как правило, могут происходить только у эукариотных организмов • При хромосомных мутациях происходят крупные перестройки, которые затрагивают несколько генов • При хромосомных мутациях могут наблюдаться потери (делеции) или удвоение (дупликации), а также изменение ориентации (инверсии) части генетического материала бактериальной хромосомы

Мутации • На генном уровне изменения первичной структуры ДНК генов под действием мутаций менее значительны, чем при хромосомных мутациях • Однако генные мутации возникают более часто, чем хромосомные • Генные мутации могут включать замены, делеции (т. е. выпадение) и вставки одного или нескольких нуклеотидов, транслокации (т. е. перенос), дупликации (т. е. удвоение) и, наконец, инверсии (т. е. поворот на 180 градусов) различных частей генов

Мутации • По фенотипическим последствиям мутации подразделяют на нейтральные, условно- летальные и летальные • Нейтральные мутации фенотипически не проявляются какими-либо изменениями признаков, поскольку они заметно не отражаются на функциональной активности синтезируемого белка • Мутации, которые приводят к изменению, но не к утрате функциональной активности фермента, называют условно-летальными • Летальные мутации характеризуются полной утратой способности синтезировать жизненно важный для бактериальной клетки фермент или ферменты

Мутации • Мутации могут проявляться в фенотипе также в виде утраты или изменения морфологических и биохимических признаков, например, жгутиков, пилей, капсул, клеточной стенки, способности ферментировать какие-либо углеводы, синтезировать определенные аминокислоты, витамины и другие соединения • В результате мутаций может возникать устойчивость к лекарственным и дезинфицирующим веществам • В результате мутаций бактерии могут приобретать способность метаболизировать ранее не метаболизируемые ими соединения • Однако в результате мутаций они могут и утрачивать эти свойства

Ауксотрофные и прототрофные мутанты • Мутанты, нуждающиеся в определенных аминокислотах, азотистых основаниях, ростовых факторах, называются ауксотрофными в противовес исходным прототрофным штаммам, которые способны расти на минимальных средах • Ауксотрофные мутанты могут сохранять способность к росту лишь в том случае, если утрата соответствующего фермента или ферментов компенсируется наличием в среде готового конечного продукта, образуемого при участии этих ферментов

Рекомбинации • Изменения, возникающие у прокариот в результате рекомбинации генетического материала, относятся ко второму типу наследственной изменчивости • Рекомбинация – это перераспределение генетического материала родителей, приводящее к возникновению новых комбинаций генов • У эукариот под рекомбинацией понимают создание новой комбинации генов при соединении гамет родителей в процессе полового размножения • Прокариотам не свойственно половое размножение • Рекомбинация у прокариот происходит либо в результате внутригеномных перестроек, либо при проникновении в клетку реципиента части ДНК донора

Парасексуальный процесс • В отличие от эукариот, у которых половой процесс заключается в слиянии двух клеток, у бактерий наблюдается своеобразный парасексуальный процесс передачи наследственного материала • Из клетки донора в клетку реципиент передается не вся хромосома, а только ее фрагмент, в результате чего образуется неполная или так называемая мерозигота

Три основных способа передачи ДНК у бактерий • У бактерий известны три основных способа передачи ДНК от одной бактериальной клетки к другой: трансформация, конъюгация и трансдукция • При трансформации клетка-реципиент поглощает генетический материал в форме свободной ДНК • При конъюгации процесс передачи генетического материала от одной клетки к другой происходит при их непосредственном контакте • При трансдукции перенос генетического материала из одной клетки в другую осуществляется при помощи бактериофага

Рекомбинация • После переноса ДНК в клетке-рецепиенте происходит рекомбинация, при этом ДНК донора обменивается с гомологичными участками ДНК реципиента либо встраивается в хромосому бактерии- реципиента • В результате образуется клетка- рекомбинант, содержащая почти весь генетический материал реципиента и часть генов донора

Трансформация • Трансформация – это процесс переноса генетического материала, при котором клетка реципиент поглощает генетический материал в форме свободной ДНК от разрушенной клетки, при этом не требуется непосредственного контакта между двумя клетками • Явление трансформации было открыто Гриффитсом в 1928 году • Гриффитс обнаружил, что если в организм мыши ввести убитые нагреванием капсульные пневмококки, а потом живые, не образующие капсул, то последние приобретают способность образовывать капсулы, то есть подвергаются трансформации • В 1944 г Эвери, Мак-Леод и Мак-Карти выявили, что активным веществом, выделяемым из капсульных клеток и специфически изменяющим безкапсульные, является ДНК.

Трансформация • Способность ДНК проникать в клетку реципиента зависит как от природы самой ДНК, так и от физиологического состояния клетки-реципиента • Клетки, способные воспринимать донорную ДНК, называются компетентными • В состоянии компетентности клеточная стенка бактерий становится проницаемой для высокомолекулярных фрагментов ДНК • Трансформирующей активностью обладают двунитиевые фрагменты ДНК с молекулярной массой не менее 0. 5 -1 х106

Трансформация • Процесс трансформации бактерий подразделяют на несколько фаз: 1. адсорбция ДНК-донора на клетке- реципиенте 2. проникновение ДНК внутрь клетки- реципиента 3. соединение ДНК с гомологичным участком хромосомы реципиента с последующей рекомбинацией

Конъюгация • Конъюгация – это процесс передачи генетического материала от одной клетки к другой при их непосредственном контакте, при этом осуществляется направленный перенос генетического материала от клетки донора в клетку реципиента • Конъюгация у бактерий была открыта Ледербергом и Татумом в 1946 году • Известно три типа клеток доноров, различающихся состоянием F-фактора: F+, Hfr и F’

F + х F- Конъюгация • В F+-клетках F плазмида существует автономно в виде замкнутой кольцевой молекулы ДНК • При конъюгации F+ х F-, F+ клетка присоединяется к F- клетке при помощи F пили • F плазмида реплицируется по механизму катящегося кольца и одна цепь ДНК передается через F-пили в реципиентную клетку • На этой цепи в реципиентной клетке синтезируется другая цепь ДНК и, таким образом, в реципиентной клетке появляется точно такая же плазмида как в донорной клетке • В результате F+ х F- конъюгации образуется две F+ клетки • При конъюгации F+ и F- клеток гены бактериальной хромосомы переносятся редко и поэтому частота рекомбинации - низкая

Hfr конъюгация • Второй тип донорских клеток – это клетки, в которых F фактор интегрирован в хромосому • Такие клетки или штаммы бактерий получили название Hfr-клеток (от англ. high frequency of recombination – высокая частота рекомбинации) • Конъюгация, осуществляемая Hfr-клетками, называется Hfr конъюгацией • Особенность Hfr клеток состоит в том, что при конъюгации с F- клетками они передают свои хромосомные гены с очень высокой частотой, примерно в 1000 раз большей, чем F+ штаммы • В результате возрастает частота рекомбинации и появления рекомбинантных клеток, откуда и произошло название этих клеток - Hfr-клетки.

Hfr конъюгация • Процесс переноса ДНК при скрещивании Hfr и F- клеток начинается с того, что одна цепь интегрированного F фактора разрезается в сайте Ori. T • С этого сайта инициируется передача генов при конъюгации и репликация хромосомы по механизму катящегося кольца • По мере того как одна цепь ДНК передается из Hfr- клетки через конъюгационный мостик в реципиентную F- клетку , происходит синтез второй цепи ДНК • Как правило, только часть интегрированной F плазмиды переносится со стартовым материалом в клетку реципиента • Таким образом, реципиентная клетка остается, как правило, F- клеткой

F’-клетки • Поскольку F плазмида является эписомой, она может покинуть хромосому • Таким образом, процесс превращения F+-клеток в Hfr клетки является обратимым, а половой фактор может перейти в автономное состояние, то есть стать опять автономной плазмидой • Иногда при этом процесс выделения полового фактора из состава хромосомы происходит с ошибкой, не точно по границам полового фактора, при этом F фактор может захватить часть генов бактериальной хромосомы • Такой модифицированный половой фактор обозначают символом F’, а несущие его клетки F’ клетками

F+, F-, Hfr и F’ клетки

F’ х F- конъюгация • При конъюгации F’-клетки передают реципиентным F- клеткам F’ фактор • F’ клетки скрещиваются с F- таким же образом, как F+ с F- клетками • Бактериальные гены, которые располагаются на F’ плазмиде, переносятся в реципиентную клетку в составе плазмиды и могут экспрессироваться, находясь в составе плазмиды • Клетка реципиент становится F’ и по существу является диплоидной мерозиготой • В результате F’ х F- конъюгации образуется две F’ клетки

Трансдукция • Трансдукцией называется перенос генетического материала из одной клетки в другую с помощью бактериофагов • Этот способ генетического обмена был открыт в 1952 году Зиндером и Ледербергом

Трансдукция • Трансдукция оказывается возможной, если в процессе размножения фага одна из частиц случайно захватывает фрагмент бактериальной хромосомы • Когда такая фаговая частица заражает бактерию реципиент, бактериальная ДНК проникает в клетку вместе с фаговой ДНК • Между трансдуцированной бактериальной ДНК и гомологичным участком бактериальной хромосомы может произойти обмен и, как следствие, возникают рекомбинанты, несущие небольшую часть генетического материала клетки-донора

Трансдукция • Различают три типа трансдукции: общую (неспецифическую), ограниченную (специфическую) и абортивную

Общая трансдукция • При общей или неспецифической трансдукции, бактериофаг может переносить любой ген бактериальной хромосомы • Общая трансдукция может произойти в ходе литического цикла бактериофагов • При этом в процессе репродукции фагов при сборке фаговых частиц в их головку вместе с фаговой ДНК (или даже вместо нее) по ошибке могут попасть фрагменты распадающейся бактериальной хромосомы

Общая трансдукция • Далее такой дефектный трансдуцирующий фаг может адсорбироваться на другой бактериальной клетке и ввести в нее свою ДНК вместе с захваченными бактериальными генами • При этом литический цикл фага не инициируется • Привнесенный фагом фрагмент ДНК бактерии-донора может включаться в гомологичную область хромосомы бактерии- реципиента путем рекомбинации

Специфическая трансдукция • При специфической трансдукции трансдуцирующий бактериофаг переносит только небольшую определенную часть бактериального генома • Это связано с тем, что переносчиком генетического материала в данном случае является профаг, который включается в строго определенные места на бактериальной хромосоме • При выщеплении профага из бактериальной хромосомы он иногда захватывает соседние бактериальные гены • При взаимодействии трансдуцирующих фагов с клетками реципиентного штамма происходит включение гена бактерии-донора вместе с ДНК дефектного фага в хромосому бактерии-реципиента

Абортивная трансдукция • При абортивной трансдукции привнесенный фагом фрагмент ДНК бактерии-донора в хромосому бактерии реципиента не включается, а располагается в цитоплазме • При делении такой бактериальной клетки фрагмент ДНК, внесенный фагом, передается только одной из двух дочерних клеток, а вторая оказывается свободной от него