Механизм образования трансдуцирующих фагов, осуществляющих специфическую трансдукцию

Специфическую трансдукцию осуществляют фаги, ДНК которых при лизогенном пути развития включается в бактериальную хромосому в специфическом сайте и реплицируется вместе с ней. К таким фагам относятся лямбоидные фаги E. coli. Наиболее хорошо изучен фаг лямбда (λ).

Интеграция ДНК фага лямбда происходит через специфические att-сайты (от англ. аttachment), имеющиеся на фаговой и бактериальной ДНК. Фаговый (attР-РОР') и бактериальный (аttВ-ВОВ') сайты устроены сходным образом. Их основу составляют одинаковые последовательности из 15 нуклеотидов (О), фланкированные участками определенного строения. Эти участки у фагов обозначаются Р и Р', у бактерий – В и В'. Участки Р и Р' состоят соответственно из 145 и 75, а В и В' – из 3 - 5 п.н. Специальный фаговый белок делает ступенчатые разрывы в участке О фаговой и бактериальной ДНК, с образованием однонитевых комплементарных участков из 7 нуклеотидов. При взаимном обмене такими концами между РОР' и ВОВ' фаговая ДНК встраивается в бактериальную хромосому. Причем на концах профага оказываются рекомбинантные att-сайты ВОР' и РОВ' (рис.15). В случае индукции профаг исключается через эти сайты из бактериальной хромосомы.

Рис.15. Встраивание фаговой ДНК в бактериальную хромосому.

Изредка, с частотой около 10^-6, исключение профага осуществляется по случайным сайтам с захватом бактериальных генов, располагающихся слева или справа от него. Эти гены локализуются в фаговой ДНК соответственно слева или справа от attРОР' сайта. Такой фаг будет переносить при инфекции реципиентной клетки только определенные гены донора. Следовательно, фаги, вызывающие специфическую трансдукцию, являются рекомбинантами, содержащими фаговую и бактериальную ДНК. Специфическая трансдукция наблюдается только тогда, когда фаговые лизаты получены при спонтанном или индуцированном освобождении фага из лизогенизированного донора.

Рис.16. Механизм образования трансдуцирующих фагов, осуществляющих специфическую трансдукцию (на примере фага λ)

Молекулы ДНК, длина которых превышает длину ДНК фага лямбда. (48502 п.н.) более чем на 5-6% не упаковываются в головку. Поэтому включение бактериальных генов в фаговый геном происходит при потере части фаговой ДНК, что часто вызывает дефектность трансдуцирующих фагов. В дефектные трансдуцирующие фаги вместо генов левой части фагового генома может включиться до 25 т.п.н., а с другого конца только до 12 т.п.н., так как в нем локализуются гены, осуществляющие автономную репликацию ДНК фага. Если произойдет замена генов, несущественных для вегетативного развития фагов (не более 10 т.п.н.) и группирующихся вместе на обоих концах профага, то образуются жизнеспособные трансдуцирующие фаги.

Обычно фаг лямбда может трансдуцировать гены, удаленные от attВ сайта не более чем на 10-20 т.п.н., но с помощью разных молекулярно-генетических методов было выделено более 100 трансдуцирующих фагов лямбда, которые несут бактериальные гены, расположенные в разных частях хромосомы.

Судьба перенесенного фрагмента хромосомы различна. Трансду-цированный фрагмент может остаться соединенным с генетическим материалом фага и при встраивании фага в ДНК бактерии (лизогенизации бактерии) трансдуцированный фрагмент будет представлен в мерозиготе двумя копиями (донорной и реципиентной). Такое мерозиготное в отношении трансдуцированного гена состояние (гетерогенота) нестабильно. При размножении мерозигот с частотой 1 х 10³ происходит выщепление клеток с генотипом реципиента (за счет потери добавленного фрагмента) или стабильных рекомбинантов (при включении трансдуцированных генов в бактериальную хромосому). Включение фрагмента за счет двойного кроссинговера с образованием стабильных рекомбинантов происходит в 30% случаев.