IV. 3. Изменение генетического материала

Бактерии значительно больше, чем другие организмы подвержены изменчивости. Для них характерна как наследственная, так и ненаследственная (модификационная) изменчивость. Модификационные изменения происходят на уровне фенотипа и не затрагивают клеточный генотип. Широко известны адаптивные модификации. Так, у ряда бактерий обнаружена универсальная адаптивная реакция в ответ на различные стрессовые воздействия (высокие и низкие температуры, резкий сдвиг рН и др.), проявляющаяся в интенсивном синтезе сходных белков (белков теплового шока). Адаптивные модификации расширяют возможность организма к выживанию и размножению в более широком диапазоне условий внешней среды.

В основе наследственной изменчивости лежат мутации и генетические рекомбинации.

Мутации. Почти до XX в. господствовало мнение, что в отличие от других животных бактерии выживают при неблагоприятных внешних воздействиях не благодаря случайным генетическим изменениям (мутациям), а вследствие запуска физиологических процессов, что и позволяет им выжить. Эта теория была опровергнута исследованиями С.Е. Лурия и М. Дельбрюка, которые доказали, что устойчивость E.coli к бактериальным вирусам обусловлена произошедшими в них мутациями. Исследования Лурия – Дельбрюка положили начало современной генетике микроорганизмов.

Мутации (от лат. mutare – изменять) – скачкообразные изменения в генетическом материале клетки, приводящие к появлению новых признаков.

По происхождению мутации подразделяются на спонтанные («дикие», возникающие в популяции без видимого вмешательства извне) и индуцированные (вызванные искусственно). Индуцировать мутации могут физические факторы (ультрафиолетовые и рентгеновские лучи), химические мутагены (аналоги азотистых оснований, алкилирующие и интеркалирующие агенты, азотистая кислота) и биологические факторы (транспозоны и IS-элементы). Механизм действия мутагенов различен. Выделяют мутации, также, генные (затрагивают один ген) и хромосомные (распространяются на несколько генов, связаны с крупными перестройками в отдельных фрагментах ДНК). Получение индуцированных мутаций – один из способов изучения генетики микроорганизмов.

Рекомбинация генетического материала. В 1946 г. Ледерберг и Татум
(J. Lederberg, E.L. Tatum) продемонстрировали, что между членами генетически неоднородной популяции E.coli может происходить обмен генетической информацией и что при этом, как и у двуполых организмов, в результате физического обмена между хромосомами могут возникать новые генетические комбинации (генетическая рекомбинация). В настоящее время известны три способа передачи генетического материала у бактерий: конъюгация, трансформация и трансдукция.

Конъюгация – прямой перенос фрагментов ДНК от донорских клеток к реципиентам при непосредственном контакте этих клеток. Ледерберг и Татум впервые показали наличие конъюгации между бактериями. Ученые смешали два типа мутантов E.coli, один из которых нуждался в биотине и метионине, другой – в треонине и лейцине, и высеяли на минеральную среду. В результате этого появились генетические рекомбинанты со способностью к синтезу всех четырех факторов роста.

Для реализации процесса необходим F-фактор – плазмида, кодирующая информацию, необходимую для конъюгации. Конъюгация требует наличия двух типов клеток: доноров (F⁺), обладающих F-фактором, и реципиентов (F^-), не обладающих им. F-фактор содержит гены специальных и необходимых при коньюгации структур – F-пилей и ряд других генов, вовлеченных в процесс взаимодействия с
F^--клетками. На первом этапе происходит прикрепление клетки-донора к клетке-реципиенту с помощью F-пилей. Затем между клетками формируется конъюгационный мостик, через который передается F-фактор. При попадании F-фактора в клетку-реципиент она становится F⁺ и приобретает способность предавать F-фактор другим клеткам (F⁺-клетки не теряют способности к передачи информации, не становятся F-клетками) (рис. 18).

Рис. 18. Механизмы переноса бактериальной ДНК

А – конъюгация; Б – трансформация с использованием отдельной молекулы ДНК;
В – трансдукция с помощью фагов

Клетки, в которых F-плазмида интегрирована в хромосому, обозначаются как Hfr⁺-клетками (Hfr – от англ. high frequency recombination – клетки, обеспечивающие высокую частоту рекомбинации). Hfr⁺-клетки способны быть донорами хромосомной ДНК. При переносе генетического материала бактериальная ДНК реплицируется, начиная от места включения F-фактора. Одна цепь ДНК переносится в реципиентную клетку F-клетку, другая остается в Hfr⁺-клетке, т.е. донор сохраняет свое генетическое постоянство. После начала конъюгации хромосомный материал переносится, начиная от генов, близких к начальной точке транспорта (рис. 19).

Рис. 19. Hfr-конъюгация

Hfr – бактерии функционируют при конъюгации как доноры. Перенос ДНК осуществляется линейно
и начинается с удвоения места включения F-фактора (то есть с точки начала переноса – ТНП)

В бактерии-реципиенты обычно попадают первые из переносимых генов, размер которых зависит от времени, в течение которого происходила конъюгация, последними переходят гены, кодирующие F-пили. Конъюгация может быть прервана обычным встряхиванием суспензии бактерий, поэтому полный перенос генов – редкое явление и реципиентная клетка остается F^-. Вслед за процессом переноса в клетке-реципиенте происходит гомологичная рекомбинация между донорской ДНК и собственной ДНК реципиента.

Трансформация – генетическое изменение клеток в результате включения в их геном экзогенной ДНК (рис. 18, Б). Погибшие клетки постоянно высвобождают ДНК, которая может быть воспринята бактериями (как правило, любая чужеродная ДНК, попадающая в бактериальную клетку, расщепляется эндонуклеазами, но при некоторых условиях такая ДНК может быть включена в геном бактерии).

Трансдукция – перенос генов от одной бактериальной клетки к другой посредством бактериофага (рис. 18, В). Трансдуцирующий бактериофаг обычно переносит небольшой фрагмент ДНК хозяина от клетки-донора к клетке-реципиент. Известно три вида трандукции: неспецифическая, специфическая и абортивная.

При неспецифической трансдукции фагом может быть перенесен любой фрагмент ДНК хозяина. Трансдуцирующие фаговые частицы образуются в ходе определенных инфекционных процессов, когда ДНК клетки деградирует и фрагменты, по размеру примерно соответствующие фаговому геному, случайно упаковываются в зрелые частицы бактериофага. В результате последующего инфицирования клеток бактерий популяций фаговых частиц, содержащих трандуцирующие фаги, происходит передача ДНК донорских клеток этим инфицируемым клеткам. Рекомбинация между введенными фрагментами донорской ДНК и ДНК клетки-реципиента приводит к изменению генотипа последней.

Для специфической трансдукции характерен перенос определенных фрагментов. С помощью такого механизма трансдуцируются только те гены клетки-хозяина, которые тесно сцеплены с сайтом интеграции вирусного генома.

Примером специфической трансдукции служит передача с помощью бактериофага l. Этот фаг при переходе в состояние профага включается в геном бактерий в специфический хромосомный локус. При вырезании фаг может включать хромосомные гены, прилегавшие к интегрированному вирусному геному. Так, фаги трансдуцируют гены, ответственные за метаболизм галактозы (l gal), или гены, контролирующие синтез биотина (l bio), а фаги ф80 – различное число генов, кодирующие ферменты биосинтеза триптофана.

При абортивной трансдукции внесенный фрагмент ДНК донора не встраивается в хромосому клетки-реципиента, а остается в цитоплазме, транскрибируется, но не реплицируется. При клеточном делении передается только одной из дочерних клеток (наследуется однолинейно) и затем теряется в потомстве.

Контрольные вопросы и задания

1. Что представляет собой геном прокариот?

2. Какова структура бактериальной хромосомы?

3. Какова роль внехромосомных факторов наследственности?

4. Что такое плазмиды? Какую структуру они имеют и какие функции выполняют?

5. Как происходит репликация у прокариот?

6. В каких формах может выражаться генотипическая изменчивость?

7. Какие типы генетической рекомбинации известны у бактерий? Охарактеризуйте их.

Список рекомендуемой литературы

1. Генетика / А.А. Жученко, Ю.Л. Гужов, В.А. Пухальский и др.; Под ред. А.А. Жученко. – М.: КолоС, 2004. – 480 с.

2. Глик Б., Пастернак Дж. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение. – Пер. с англ. – М.: Мир, 2002.– 589 с.

3. Гусев М.В. Микробиология: Учебник для студ. биол. спец. вузов /М.В. Гусев, Л.А.Минеева. – М.: Изд. центр «Академия», 2003. – 464 с.

4. Жимулев И.Ф. Общая и молекулярная генетика: Учеб. пособие. – Новосибирск: Изд-во Новосиб. ун-та: Сиб. унив. изд-во, 2002.– 459 с.

5. Емцев В.Т., Мишустин Е.Н. Микробиология: Учебник для вузов. – М.: Дрофа, 2005. – 445 с.

6. Коничев А.С. Молекулярная биология. – М.: Изд. Центр «Академия», 2003.– 400 с.

7. Коротяев А.И., Бабичев С.А. Медицинская микробиология, иммунология и вирусология: Учебник для вузов. – СПб.: СпецЛит, 2002. – 591 с.

8. Поздеев О.К. Медицинская микробиология / Под ред. акад. РАМН В.И. Покровского. – М.:ГЭОТАР-МЕД, 2001. – 768 с.

9. Практикум по микробиологии: Учеб. пособие для студ. высших учебных заведений / А.И. Нетрусов, М.А. Егорова и др.; Под ред. А.И. Нетрусова. – М: Издат. центр «Академия», 2005. – 608 с.

10. Сингер М., Берг П. Гены и геномы: В 2 т. – Т. 1. – Пер. с англ. – М.: Мир, 1998.– 373с.

11. Чемерилова В.И. Основы генной инженерии. – Иркутск: Изд-во Иркутского университета, 1998. – 140 с.

12. Шлегель Г. Общая микробиология. – М.: Мир, 1987. – 556 с.

13. Эллиот В. Биохимия и молекулярная биология / В. Эллиот, Д. Эллиот; Под ред. А.И. Арчакова, М.П. Кирпичникова, А.Е. Медведева, В.П. Скулачева. – Пер. с англ. О.В. Добрыниной, И.С. Севериной, Е.Д. Скоцеляс и др. – М.: МАИК «Наука/Интерпериодика», 2002. – 446 с.

Глава V.
ПИТАНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ

Микроорганизмы, как и все другие живые существа, нуждаются в пищи. Питательные вещества могут поступать в микроорганизмы либо непосредственно сразу, усваивая их из окружающей среды, или предварительно преобразуя их в доступную форму.

Известны два способа питания живых существ – голозойный и голофитный. При голозойном способе питания живой организм захватывает или заглатывает плотные частицы пищи и переваривает их. Такой способ питания характерен для животных (от простейших до высших). При голофитном способе живые существа утилизируют питательные вещества в виде относительно простых молекул из водных растворов (присущ растениям, бактериям).

Поиск по сайту: