Трансформация у бактерий и вирусов

Трансформация – изменение наследственности бактериальной клетки путем проникновения в нее ДНК, происходящей из другой клетки или штамма с др. наследственными задатками.

В процессе трансформации участвуют 2 бактериальные клетки: донор и реципиент причем они не соприкасаются друг с другом.

Механизм переноса генетического материала заключается в том, что из клеток донора выделяются в окружающую среду ДНК.

Явление трансформации было открыто в 1928 Гриффитсом. Получив у пневмококков, вызывающих заболевание мышей воспаление легких два штамма – один капсульный вирулентный (ядовитый) гладкий S – формы образует массивную полисахаридную капсулу, придает колонии пневмококков блестящий вид. Капсула защищает бактерию от разрушающего действия обычных защитных механизмов тканей инфицированного животного. Второй – бескапсульный, авирулентный (не ядовитый). R- формы такой капсулы не образует. Он вводил мышам:

Если штамм был вирулентным – мыши заболевали и погибали;

Если он был авирулентным R – оставались здоровыми.

При введении мышам убитого нагреванием вирулентного штамма они заболевали, когда тем же мышам был введен вслед за ним второй – авирулентный штамм, у них развивалось воспаление легких и они погибали.

Штамм, выделенный из погибших мышей оказался вирулентным, но бескапсульным.

Таким образом, в организме мышей произошла передача вирулентности от одного штамма бактерий другому. Это явление было названо трансформацией.

В 1944 году Эйвери с сотрудниками повторил эксперимент Гриффитса. Трансформация происходит не часто – примерно 1 на 1000 клеток, а межвидовая – еще реже (1 на 3-10 млн.клеток).

У вирусов трансформация является единственным путем обмена генетическим материалом между разными штаммами.

Трансдукция

В 1952 году публикуются работы Н.Д.Циндера и Дж.Ледерберга в которых описано явление трансдукции, также подтверждающие решающую роль ДНК в передаче наследственной информации. Они проводили исследования на патогенных для мышей бактериях Salmonellatyphimurium

Суть трансдукции состоит в том, что бактериофаги (паразиты бактерий) из одной бактериальной клетки в другую вместе со своей ДНК переносят отдельные гены. Трансдуцированные бактерии приобретают только те свойства, которые были у донора.

Опыт позволивший открыть этот новый генетический механизм и новый способ изучения наследственности заключается в следующем.

Были отобраны два штамма этих бактерий: штамм 22А ауксотрофный, не способный синтезировать триптофан (Т~), и штамм 2А, способный синтезировать триптофан (Г1"). Эти штаммы засевали в U-образную трубку, разделенную внизу бактериальным фильтром . В одно колено трубки засевали штамм 22А (Т~), в другое — штамм 2А (Т4"). После определенного периода инкубации бактерии штамма 22А при посеве на минимальную питательную среду дали небольшое количество колоний (частота появления трансдуцированных клеток была равна 1-10—*). Это свидетельствовало о том, что некоторые клетки приобрели способность синтезировать триптофан. Каким же образом бактерии могли приобрести это свойство?

Исследования показали, что штамм 22А был лизогенен по фагу Р-22. Этот фаг освобождался из лизоген-ной культуры, проходил через фильтр и лизировал штамм 2А. Присоединив часть генетического материала штамма 2А, фаг возвращался обратно и передавал этот генетический материал штамму 22А. Штамм 22А приобретал специфические наследственные свойства штамма 2А, в данном случае свойство синтезировать триптофан. Аналогичным образом могут быть трансдуцированы и другие признаки, в том числе способность к сбраживанию, устойчивость к антибиотикам и т. д. Существуют три типа трансдукции: неспецифическая (общая), специфическая и абортивная.

Общая (неспецифическая) трансдукция - перенос бактериофагом фрагмента любой части бактериальной хромосомы. В клетке, инфицированной бактериофагом, в ходе сборки дочерней популяции в головки некоторых фагов может проникнуть фрагмент бактериальной ДНК или плазмиды либо вместе с вирусной ДНК, либо вместо нее. Этот процесс происходит вследствие того, что бактериальная ДНК фрагментируется после фаговой инфекции и кусочек бактериальной ДНК того же размера, что и фаговая ДНК, проникает в вирусную частицу с частотой приблизительно 1 на 1000 фаговых частиц. При такой форме трансдукции в клетки-реципиенты могут быть внесены практически любые гены. Феномен неспецифической трансдукции может быть использован для картирования бактериальной хромосомы.

Специфическая трансдукция наблюдается в том случае, когда фаговая ДНК интегрирует в бактерию с образованием профага. При исключении ДНК фага из бактериальной хромосомы в результате случайного процесса захватывается прилегающий к месту включения фаговой ДНК фрагмент бактериальной хромосомы. Так как большинство умеренных фагов интегрируют в бактериальную ДНК в специфических участках, для таких бактериофагов характерен перенос в клетку-реципиент определенного участка бактериальной ДНК донора. Специфическая трансдукция может служить механизмом переноса вирулентных генов среди бактерий при условии, что эти гены локализованы в непосредственной близости от мест интеграции профага.Наиболее характерным примером служит трансдукция, осуществляемая фагом λ. Обычно он трансдуцирует определенные гены: gal (кодирует синтез галактозы) и bio (кодирует синтез биотина). При переходе в состояние профага фаг λ включается в определенный участок хромосомы бактерии-хозяина - между генами gal и bio . Отделение фаговой ДНК от бактериальной хромосомы может происходить неточно и какой-то фрагмент ее останется в хромосоме, а близко расположенные гены будут захвачены фаговой ДНК. В случае заражения трансдуцирующим фагом клеток, дефектных по определенному гену, например gal - , может произойти рекомбинация с заменой собственного дефектного гена бактерии интактным трансдуцированным геном с образованием рекомбинанта (трансдуктанта) gal + .

Абортивная трансдукция. При абортивной трансдукции внесенный фрагмент ДНК донора не встраивается в хромосому реципиента, а остается в цитоплазме и там самостоятельно функционирует. Впоследствии он передается одной из дочерних клеток (т.е. наследуется однолинейно) и затем теряется в потомстве.