Генетическая рекомбинация

Генотипическая изменчивость прокариот наблюдается в результате рекомбинации генетического материала за счет частичного объединения геномов двух клеток и проявляется в фенотипе бактерий. К рекомбинативной изменчивости генетического материала прокариот приводят трансформация, трансдукция и конъюгация.

В отличие от эукариот, у которых при половом процессе происходит образование истинной зиготы, объединяющей генетический материал обоих родителей, у прокариот при всех трех вышеуказанных процессах наблюдается лишь частичный перенос генетического материала из клетки-донора в клетку-реципиент, что приводит к образованию неполноценной зиготы – мерозиготы (от греч. meros – часть). Таким образом, прокариотная клетка-реципиент становится частично диплоидной, сохраняя в основном генотип клетки-реципиента и приобретая лишь отдельные свойства клетки-донора.

Ответственность за рекомбинации несут специальные гены клетки-реципиента, получившие название rec-генов. Механизм рекомбинаций включает ряд последовательных стадий: разрыв нитей ДНК клетки-реципиента; встраивание фрагментов ДНК, привнесенных из клетки-донора в геном клетки-реципиента; репликация рекомбинативной ДНК, дающей начало потомству клеток с измененным геномом. Доказательства вышеуказанного механизма рекомбинации были экспериментально получены при изучении процесса конъюгации кишечной палочки (Escherichia coli) с использованием меченных по фосфору (Р³²) клеток-доноров.

Трансформация (от лат. transformatio – преобразование) – изменение генома, а следовательно, и свойств бактерий в результате переноса информации при проникновении фрагмента свободной ДНК из среды в клетку. При трансформации не требуется непосредственного контакта между клеткой-донором и клеткой-реципиентом. Источником трансформирующей ДНК может служить свежеубитая культура бактерий или чистые препараты ДНК, экстрагированной из нее.

Явление трансформации у бактерий впервые наблюдал Ф. Гриффитс в 1928 г. Он обнаружил, что при совместном ведении в организм мышей убитого вирулентного капсульного пневмококка S-типа с живым авирулентным бескапсульным пневмококком R-типа все животные погибают. При этом из крови погибших мышей наряду с бескапсульными пневмококками R-типа выделяются вирулентные капсульные пневмококки S-типа. Гриффитс не сумел объяснить явление трансформации. Лишь в 1944 г.
О. Эвери, К. Мак-Леод и М. Мак-Карти выделили трансформирующее вещество из убитых клеток капсульных пневмококков и показали, что им является ДНК, чувствительная к ДНК-полимеразе.

Процесс трансформации проходит в несколько этапов: 1) адсорбция трансформирующей ДНК на поверхности компетентной клетки-реципиента; 2) ферментативное расщепление трансформирующей ДНК с образованием фрагментов со средней молекулярной массой (4-5)·10⁶; 3) проникновение фрагментов ДНК в клетку-реципиент, сопровождающееся деградацией одной из цепей ДНК и образованием одноцепочечных фрагментов; 4) интеграция – включение фрагментов трансформирующей ДНК в ДНК клетки-реципиента путем генетического обмена; 5) экспрессия – интенсивное размножение трансформированных клеток, потомство которых будет иметь измененный ген в молекуле ДНК.

Трансформирующий фрагмент ДНК обычно соответствует 0,3% бактериальной хромосомы, или примерно 15 генам. В клетку-реципиент проникает очень малый фрагмент ДНК, что обуславливает трансформацию только одного признака и редко двух. Путем трансформации из одной клетки в другую могут быть перенесены такие признаки бактерий, как устойчивость к лекарственным препаратам, способность к синтезу капсульных полисахаридов, ферментов, определенных метаболитов и т.д. При трансформации, как правило, не происходит добавления качественно нового наследственного признака, наблюдается лишь замена одного признака другим.

Процесс трансформации показан для многих видов бактерий – пневмококков, стафилококков, гонококков, менингококков, кишечной палочки, некоторых бацилл и клубеньковых бактерий. Изучение возможности трансформации бактерий свидетельствует о распространенности в царстве прокариот этого механизма передачи генетического материала, а следовательно, о существенной роли его в эволюционном процессе. Установлено, что проникновение фрагмента ДНК в клетку-реципиент вызывает трансформацию бактерий с достаточно высокой частотой 10 ^{– 2} – 10 ^{– 3} и зависит от вида микроорганизма, от свойств трансформирующей ДНК и состояния клеток-реципиентов.

Трансдукция заключается в переносе генетического материала из клетки-донора в клетку-реципиент умеренным бактериофагом. Явление трансдукции в 1952 г. открыли Н. Циндер и Дж. Ледерберг на примере двух штаммов сальмонелл.

По механизму взаимодействия с бактериальной клеткой фаги подразделяются на вирулентные и умеренные. Вирулентные фаги, проникая в клетку, обусловливают формирование новых фагов и лизис бактерий. Заражение клеток умеренными фагами не всегда сопровождается лизисом бактерий, часть их выживает и становится лизогенными. В лизогенных бактериях ДНК-фага включается в ДНК-клетки и умеренный фаг превращается в профаг, утрачивая при этом способность лизировать бактериальную клетку. Профаг ведет себя как часть бактериальной хромосомы и репродуцируется в ее составе в течение ряда поколений. Освобождение умеренных фагов из клеток лизогенных бактерий происходит спонтанно либо под действием лизогенных бактерий происходит спонтанно либо под действием индуцированных агентов – ультрафиолетовых лучей, ионизирующей радиации и химических мутагенов.

В процессе репродукции некоторых умеренных фагов небольшой фрагмент бактериальной хромосомы, включается в геном фага. Трансдуцирующий фаг переносит фрагмент ДНК предыдущего хозяина в новую чувствительную к нему бактериальную клетку. Таким образом, бактериальная клетка-реципиент становится частичной зиготой.

У бактерий различают 3 типа трансдукции: специализированную, общую и абортивную.

При специализированной трансдукции в геном фага включаются строго определенные гены ДНК бактерии-донора, расположенные на хромосоме бактерии непосредственно рядом с профагом. Прилегающие к профагу гены выщепляются из бактериальной хромосомы, а часть генов профага остается в ее составе. Освобождающиеся из клетки-донора трансдуцирующие дефектные фаги вызывают лизогенезацию клетки-реципиента. ДНК дефектного фага включается в состав хромосомы клетки-реципиента, привнося в нее и гены бактерии-донора.

Общая трансдукция отличается от специализированной тем, что в состав ДНК фага включается любой фрагмент ДНК бактерии-донора.

Таким образом, при общей трансдукции трансдуцирующие фаги переносят из хромосомы бактерии-донора любые гены, контролирующие различные признаки, в клетку бактерии-реципиента.

При абортивной трансдукции фрагмент хромосомы клетки-донора, привнесенный трансдуцирующим фагом в клетку-реципиент, не включается в ее хромосому, а локализуется в цитоплазме и при делении клетки-реципиента передается только одной из образующихся клеток.

Трансдукция в эксперименте показана на кишечных бактериях, псевдомонадах, стафилококках, бациллах и актиномицетах. Очевидно, в естественных условиях перенос генетического материала с помощью фагов может быть самым распространенным механизмом рекомбинации у прокариот. Трансдукция определяет появление разновидностей бактерий с новыми свойствами, устойчивость к лекарственным препаратам, синтез ферментов, аминокислот и др.

В экспериментах по генной инженерии трансдукция открывает не только широкие возможности межвидовой гибридизации бактерий, но и возможность получения гибридов среди разных групп прокариот.

Конъюгация происходит при непосредственном контакте бактериальных клеток и предусматривает направленный перенос генетического материала из клетки-донора в клетку-реципиент. Феномен конъюгации в 1946 г. описали Дж. Ледерберг и Э. Тейтум на примере кишечной палочки (Escherichia coli) штамма К₁₂.

Способность бактерий к конъюгации связана с наличием у них полового F-фактора, относящегося к числу конъюгативных плазмид. Клетки, несущие F-фактор, обозначаются F ⁺ ; клетки, лишенные F-фактора, - F^¯.
F-фактор (F-плазмида) в клетках F ⁺ обычно находится в изолированном состоянии от бактериальной хромосомы и является цитоплазматической структурой. Бактериальные клетки, содержащие F-фактор, отличаются от остальных клеток рядом свойств: измененным поверхностным зарядом и способностью синтезировать дополнительные поверхностные структуры F-пили.

Процесс конъюгации начинается с прикрепления конца F-пили клетки-донора к клетке-реципиенту. В течение нескольких минут клетка-донор и клетка-реципиент сближаются, возможно, за счет сокращения F-пили и вступают в непосредственный контакт. Через цитоплазматический мостик по каналу F-пили, менее чем за 5 мин, происходит передача полового
F-фактора, независимо от бактериальной хромосомы, из цитоплазмы клетки-донора F ⁺ в цитоплазму клетки-реципиента F^¯. При этом клетка-донор не теряет своей донорной способности, так как в ней остаются копии
F-фактора.

Среди популяции клеток F ⁺ имеются бактерии, способные при конъюгации передавать не F-фактор, а фрагмент бактериальной хромосомы. Эти клетки бактерий и образованные ими штаммы обозначаются Hfr (от англ. high frequency of recombination), что означает бактерии с высокой частотой рекомбинации. Рекомбинации между клетками Hfr и клетками
F^¯ происходят в тысячу раз чаще, чем между клетками F ⁺ и F^¯. Отличие клеток Hfr от клеток F ⁺ заключается в том, что половой F-фактор у них включён в бактериальную хромосому. Во время конъюгации в клетке-доноре Hfr идет процесс репликации ДНК. При этом одна из реплицирующихся цепей ДНК через конъюгационный мостик проникает в клетку-реципиент F^¯, вторая остается в клетке-доноре Hfr, затем каждая из этих цепей достраивается комплементарной нитью. Конъюгационный мостик непрочен, он легко разрывается, поэтому из клетки-донора Hfr в клетку-реципиент F^¯ передается не вся хромосома, а лишь ее фрагмент.

Между перенесенным из клетки Hfr фрагментом хромосомы и гомологичным участком хромосомы клетки F^¯ происходит генетический обмен. В результате часть донорной ДНК встраивается в ДНК реципиента, а соответствующая часть реципиентной ДНК исключается из нее. Эффективность включения донорной ДНК в хромосому реципиента высока и составляет примерно 0,5.

Конъюгацию прокариот не следует отождествлять с половым процессом эукариот, так как при конъюгации в клетку F^¯ передается только часть генетического материала клетки F ⁺, в результате чего образуется неполноценная мерозигота. Основу последней составляет геном клетки-реципиента с привнесенной частью генома клетки-донора.

Итак, наряду со стабильностью и точностью наследственных свойств генетический аппарат прокариот характеризуется изменчивостью, которая проявляется в форме мутаций и рекомбинаций.

Спонтанные мутации прокариот, очевидно, следует считать начальным видом изменчивости, возникшим параллельно началу функционирования их ДНК как генетической структуры. Возможно, что на протяжении миллионов лет мутации были единственным механизмом изменчивости прокариот.

Скачком в эволюции прокариот явилось появление рекомбинативной изменчивости, заключающейся в частичном объединении генетической информации двух прокариотных клеток донора и реципиента. Таким образом возник новый дополнительный материал для естественного отбора, ускоряющий процесс эволюции. Из трех вышерассмотренных рекомбинативных процессов наиболее совершенным является конъюгация, так как она обеспечивает более полный обмен генетической информации между двумя клетками. Известны случаи, когда при длительной конъюгации
(90 мин) двух клеток Escherichia coli наблюдается вхождение всей хромосомы клетки-донора в клетку-реципиент.

Однако, оценивая значимость рекомбинаций в эволюционном процессе прокариот, следует иметь в виду, что эффективность генетических рекомбинаций оказывается высокой только для близкородственных бактерий, имеющих родство в пределах вида.