4. Передача наследственной информации у бактерий. F-фактор. Конъюгация, трансформация, трансдукция

Конъюгация бактерий состоит в переходе генети¬ческого материала (ДНК) из клетки-донора («мужской») в клет¬ку-реципиент («женскую») при контакте клеток между собой.

«Мужская» клетка содержит F-фактор, или половой фактор, который контролирует синтез так называемых половых пилей, или F-пилей. Клетки, не содержа¬щие F-фактора, являются «женскими»; при получении F-фактора они превращаются в «мужские» и сами становятся донорами. F-фактор располагается в цитоплазме в виде кольцевой двунитчатой молекулы ДНК, т. е. является плазмидой. Молекула F-фак¬тора значительно меньше хромосомы и содержит гены, контро¬лирующие процесс конъюгации, в том числе синтез F-пилей. При конъюгацииF-пили соединяют «мужскую» и «женскую» клетки, обеспечивая переход ДНК через конъюгационный мостик или F-пили. Клетки, содержащие F-фактор в цитоплазме, обозначаются F+; они передают F-фактор клеткам, обозначае¬мым F- («женским»), не утрачивая донорской способности, так как оставляют копии F-фактора. Если F-фактор включается в хромосому, то бактерии приобретают способность передавать фрагменты хромосомной ДНК и называютсяHfr-клетками (от англ. highfrequencyofrecombination — высокая частота реком¬бинаций), т.е. бактериями с высокой частотой рекомбинаций. При конъюгации клеток Hfr и клеток F- хромосома разрывается и передается с определенного участка (начальной точки) в клет¬ку F-, продолжая реплицироваться. Перенос всей хромосомы может длиться до 100 мин.

Переносимая ДНК взаимодействует с ДНК реципиента — происходит гомологичная рекомбинация. Прерывая процесс конъ¬югации бактерий, можно определять последовательность распо¬ложения генов в хромосоме. Иногда F-фактор может при выхо¬де из хромосомы захватывать небольшую ее часть, образуя так называемый замещенный фактор — F'.

При конъюгации происходит только частичный перенос ге¬нетического материала, поэтому ее не следует отождествлять пол¬ностью с половым процессом у других организмов.

Трансдукция — передача ДНК от бактерии-донора к бактерии-реципиенту при участии бактериофага. Различают неспецифическую (общую) трансдукцию, при которой возможен перенос любого фрагмен¬та ДНК донора, и специфическую — перенос определен¬ного фрагмента ДНК донора только в определенные участки ДНК реципиента. Неспецифическая трансдукция обусловлена включе¬нием ДНК донора в головку фага дополнительно к геному фага или вместо генома фага (дефектные фаги). Специфическая транс¬дукция обусловлена замещением некоторых генов фага генами хромосомы клетки-донора. Фаговая ДНК, несущая фрагменты хромосомы клетки-донора, включается в строго определенные участки хромосомы клетки-реципиента. Таким образом, привно¬сятся новые гены, и ДНК фага в виде профага репродуцируется вместе с хромосомой, т.е. этот процесс сопровождается лизогенией. Если фрагмент ДНК, переносимый фагом, не вступает в рекомбинацию с хромосомой реципиента и не реплицируется, но с него считывается информация о синтезе соответствующего про¬дукта, такая трансдукция называется абортивной.

Трансформация заключа¬ется в том, что ДНК, выделенная из бактерий в свободной ра¬створимой форме, передается бактерии-реципиенту. При транс¬формации рекомбинация происходит, если ДНК бактерий род¬ственны друг другу. В этом случае возможен обмен гомологич¬ных участков собственной и проникшей извне ДНК. Впервые явление трансформации описал Ф. Гриффите (1928). Он вводил мышам живой невирулентный бескапсульный R-штамм пневмо¬кокка и одновременно убитый вирулентный капсульный S-штамм пневмококка. Из крови погибших мышей был выделен вирулен¬тный пневмококк, имеющий капсулу убитого S-штамма пнев¬мококка. Таким образом, убитый S-штамм пневмококка передал наследственную способность капсулообразования R-штамму пнев¬мококка. О. Эвери, К. Мак-Леод и М. Мак-Карти (1944) дока-зали, что трансформирующим агентом в этом случае является ДНК. Путем трансформации могут быть перенесены различные признаки: капсулообразование, устойчивость к антибиотикам, синтез ферментов.

Изучение бактериальной трансформации позволило установить роль ДНК как материального субстрата наследственности. При изучении генетической трансформации у бактерий были разработаны методы экстракции и очистки ДНК, биохимические и биофизические методы ее анализа.