Комбинативные изменения. Трансдукция, трансформация и конъюгация. Механизмы генетической рекомбинации бактериальной днк: трансформация, трансдукция, конъюгация Особенности построения генетических карт у прокариот

Генетические рекомбинации у эукариот - это образование индивидуумов с новым сочетанием признаков в результате полового процесса. Новая особь получает несколько генов от одного родителя и несколько от другого, генетически отличающегося родителя. Благодаря процессу рекомбинации увеличивается число наследственных изменений, на которые может воздействовать отбор.

У прокариот генетическая рекомбинация относится к так называемым парасексуальным процессам. У этих организмов известны три процесса, посредством которых генетический материал от двух различных родителей может рекомбинироваться. Это трансформация, конъюгация и трансдукция. Однако ни в одном из этих процессов не происходит истинного слияния клеток или полного слияния нуклеоидов. Лишь часть генетического материала клетки-донора передается клетке-реципиенту. Реципиент, таким образом, становится диплоидным, потому что часть его генетического материала дополняется генетическим материалом донора.

В такой неполной зиготе, называемой мерозиготой, сформированной в результате переноса генов, генетический материал реципиентной клетки называется эндогенным, а генетический фрагмент, переданный из донора,- экзогенным. Обычно экзогенная и эндогенная части соединяются и обмениваются сегментами немедленно после переноса.

Трансформация - это процесс переноса генов, при котором часть ДНК клетки-донора, полученная либо эстрагированием, либо при естественном лизисе клеток, может проникать в родственную (одного и того же вида или близкородственных видов) бактериальную клетку-реципиент. В результате происходит включение в ДНК реципиента фрагментов хромосомы ДНК донора, что обусловливает изменение признаков бактерии-реципиента.

Процесс трансформации можно подразделить на несколько стадий: 1 - контакт ДНК с поверхностью клетки; 2 - проникновение ДНК в клетку; 3 - соединение трансформирующей ДНК с соответствующим фрагментом хромосомы реципиента. Дальнейший процесс связан с рекомбинацией части экзогенной молекулы трансформирующей ДНК с реципиентной эндогенной хромосомной ДНК. Последняя стадия - репликация включенной в хромосому новой информации.

В лабораторных условиях трансформация осуществляется следующим образом. ДНК определенного штамма бактерий извлекают, очищают и смешивают с клетками бактерий другого штамма, отличающегося от первого одним или несколькими наследственными свойствами. Культуру подопытного микроорганизма оставляют расти. Среди потомства можно обнаружить небольшое количество клеток с некоторыми свойствами штамма, из которого была извлечена ДНК.

Очень редко бывает, что единичная бактериальная клетка приобретает в результате трансформации более чем одно новое свойство. Передача через ДНК большего числа признаков наблюдается лишь в том случае, если культура микроба-донора генетически близка к клеткам микроба-реципиента.

С помощью трансформирующей ДНК могут передаваться такие признаки, как капсулообразование, синтез необходимых клетке веществ, ферментативная активность, устойчивость к ядам, антибиотикам и другим лекарственным веществам.

Трансформацию наблюдали у многих бактерий, в частности у представителей родов Bacillus, Rhizobium, Streptococcus и др.

Конъюгация - процесс, при котором сблизившиеся родительские клетки соединяются обычно с помощью конъюгационных мостиков, через последние происходит обмен генетическим материалам. Конъюгацию исследовали у различных бактерий (Escherichia, Shigella, Salmonella, Pseudomonas), в частности она хорошо изучена у Escherichia coli.

Возможность клетки стать донором определяется специфическим половым фактором F (от англ. fertility - плодовитость), который при конъюгации переносится из одной бактериальной клетки в другую. Эти клетки были названы F+-клетками. Клетки бактерий, не имеющие F-фактора, являются реципиентами генетического материала и обозначаются F - Половой фактор F относится к числу конъюгативных плазмид и представляет собой циркулярно замкнутую молекулу ДНК с молекулярной массой 64х106 а. е.м. F-плазмида обусловливает образование на поверхности клетки одной или двух так называемых половых фимбрий, или F-pili, способствующих соединению клеток-доноров с клетками - реципиентами, а также независимую от хромосомы репликацию собственной ДНК и образование продуктов, которые обеспечивают перенос генетического материала как самой F-плазмиды, так и хромосомы клетки. F-плазмида располагается в цитоплазме автономно, вне бактериальной хромосомы. Однако она обладает способностью включаться (иитегрировать) в определенные места бактериальной хромосомы и становиться ее частью.

В результате интеграции F-плазмиды в состав бактериальной хромосомы образуется так называемый Hfr-штамм (High frequency of recombination - высокая частота рекомбинации). Когда происходит скрещивание Hfr-штамма с F - - бактериями, то, как правило, F - фактор не

Передается, а гены хромосомы бактерий передаются с довольно высокой частотой. В начале процесса конъюгации клетки-доноры F+ или Hfr соединяются с клетками-реципиентами (благодаря наличию у доноров F-pili). Впоследствии между клетками образуется конъюгационный мостик и через него, из клетки-донора в клетку-реципиент, передается генетический материал или F-плазмиды, или хромосомы. Обычно при конъюгации передается только одна цепь ДНК-донора, а вторая цепь (комплементарная) достраивается в клетке реципиента. Перенос, как правило, начинается с одного конца хромосомы и продолжается с последующим переносом других участков ее (рис. 21).

Переносу генетического материала можно препятствовать в любое время, разделяя конъюгирующие пары с помощью сильного встряхивания суспензии микроорганизмов, находящихся в жидкой среде. В этом случае только некоторые свойства мужских клеток переносятся в женскую клетку и могут проявиться в потомстве. Рано или поздно перенос прекращается в большинстве конъюгирующих пар и тогда, когда их искусственно не разделяют. Это происходит потому, что конъюгационный мостик непрочен и легко разрушается, не влияя на жизнеспособность клеток.

Таким образом, в результате конъюгации реципиентная клетка F - превращается в мерозиготу, содержащую из-за самопроизвольного прерывания переноса генетического материала только часть хромосомы-донора F+ в дополнение к собственной хромосоме. В результате процесса кроссинговера (перекрест хромосом, при котором гены меняются местами), наблюдающегося и у других организмов, образуется новая комбинация генетического материала. В зависимости от места расположения подвергающегося обмену генетического материала в потомстве могут возникнуть рекомбинанты разного типа.

Трансдукция - процесс переноса генетического материала от одной бактериальной клетки к другой посредством бактериофага. Другими словами, фаг при этом играет как бы роль гаметы, перенося в клетку - реципиент фрагмент ДНК клетки-донора. Трансдукция происходит при участии умеренных фагов.

Известны три главных типа трансдукции: общая (неспецифическая), локализованная (специфическая) и абортивная. При неспецифической трансдукции происходит передача различных фрагментов ДНК от бактерий-доноров к бактериям - реципиентам с помощью умеренных трансдуцирующих фагов. При этом принесенный фагом фрагмент ДНК донора способен включаться в гомологическую область ДНК клетки - реципиента путем рекомбинации.

Специфическая трансдукция характеризуется способностью фага переносить от бактерий - доноров к бактериям - реципиентам только определенные гены. Это обусловлено тем, что образование трансдуцирующего фага происходит в результате соединения его ДНК со строго определенными бактериальными генами, расположенными на хромосоме клетки-донора. Считают, что каждая частица фага переносит или только один бактериальный ген, или несколько близколежащих генов.

При Абортивной трансдукции принесенный фагом фрагмент хромосомы клетки - донора не включается в хромосому клетки-реципиента, а располагается в ее цитоплазме автономно и в таком виде может функционировать. В процессе деления клетки - реципиента трансдуцированный фрагмент ДНК - донора может передаваться только одной из двух дочерних клеток, то есть наследуется однолинейно, в связи, с чем утрачивается в потомстве.

При трансдукции возможен перенос генов, контролирующих питательные особенности бактерий, их устойчивость к лекарственным веществам, ферментативную активность, двигательный аппарат (жгутики) и другие свойства.

Перенос признаков с помощью процесса трансдукции обнаружен у представителей родов Bacillus, Pseudomonas, Salmonella, Escherichia и др.

Генетические рекомбинации – перераспределение генетического материала родителей в потомстве, обусловливающее комбинативную изменчивость организмов. Они происходят при участии ферментов в пределах отдельных генов.

Конъюгация – перенос генетического материала из клетки-донора в клетку реципиента при тесном контакте. Донорами генетического материала являются клетки, несущие F-плазмиду. Бактериальные клетки, не имеющие F-плазмиды, являются реципиентами.

Первым этапом конъюгации является прикрепление клетки донора к реципиенту с помощью половых ворсинок. Между клетками образуется конъюгационный мостик, через который из клетки-донора в клетку-реципиент передается F-плазмида.

Если F-плазмида встроена в хромосому бактерии, происходит разрыв одной нити ДНК при участии эндонуклеазы. Проксимальный конец ДНК через конъюгационный мостик проникает в клетку-реципиент и сразу же достраивается до двунитевой структуры. Оставшаяся в клетке донора нить является матрицей для синтеза второй нити.

Трансформация – непосредственная передача генетического материала донора реципиентной клетке. Трансформация эффективно происходит только между бактериями одного вида, имеющими разный генотип.

Клетки, способные принимать донорскую ДНК, называются компетентными. Состояние компетентности возникает в период роста клетки и совпадает с концом логарифмической фазы.

Трансформирующей активностью обладают двунитевые фрагменты ДНК с молекулярной массой не менее 0,5-1х10 6

Процесс трансформации состоит из фаз:

1) адсорбция ДНК донора на клетке-реципиенте,

2) проникновение ДНК внутрь клетки-реципиента с последующей деспирализацией,

3) соединение одной нити ДНК с гомологичным участком хромосомы реципиента.

Трансдукция – передача генетического материала от одной бактерии к другой при помощи фагов. Различают:

1) неспецифическую трансдукцию – когда в клетку–реципиент вместе с фаговой ДНК переносится любой ген донора. Перенесенный фагом фрагмент ДНК бактерии-донора способен включаться в гомологичную область ДНК клетки-реципиента путем рекомбинации. Трансдуцирующий фаг является только переносчиком генетического материала от одних бактерий к другим, а сама фаговая ДНК не участвует в образовании рекомбинантов,

2) специфическую трансдукцию – фаг переносит специфические гены от бактерии-донора к бактерии-реципиенту. При взаимодействии трансдуцирующих фагов с клетками реципиентного штамма происходит включение гена бактерии-донора вместе с ДНК дефектного фага в хромосому бактерии-реципиента.

3) абортивную – когда принесенный фагом фрагмент ДНК бактерии-донора не включается в хромосому бактерии-реципиента, а располагается в ее цитоплазме и может в таком виде функционировать. Во время деления бактериальной клетки-рекомбинанта принесенный фрагмент ДНК донора передается только одной из дочерних клеток и со временем исчезает.

Тема 6: Учение об инфекции. Химиотерапевтические препараты. Антибиотики.

Вопросы для самоподготовки :

1. Инфекция. Условия возникновения и пути передачи возбудителя.

2. Формы инфекции и их характеристика.

3. Периоды инфекционной болезни.

4. Характеристика бактериальных токсинов.

5. Антибиотики: классификация, применение, осложнения при приеме антибиотиков.

6. Методы определения чувствительности микроорганизмов к антибиотикам.

7. Важнейшие группы химиотерапевтических препаратов и механизмы их действия.

Теоретический материал для самоподготовки :

Дата добавления: 2015-09-03 | Просмотры: 888 | Нарушение авторских прав

микроб пищеварение инфекция

Рекомбинация -- процесс обмена генетическим материалом путем разрыва и соединения разных молекул. Рекомбинация происходит при репарации двунитевых разрывов в ДНК и для продолжения репликации в случае остановки репликационной вилки у эукариот, бактерий и архей. У вирусов возможна рекомбинация между молекулами РНК их геномов.

Рекомбинация у эукариот обычно происходит в ходе кроссинговера в процессе мейоза, в частности, при формировании сперматозоидов и яйцеклеток у животных. Рекомбинация, наряду с репликацией ДНК, транскрипцией РНК и трансляцией белков, относится к фундаментальным, раноГомологичная рекомбинация

Гомологичная рекомбинация

Классификация типов гомологичной рекомбинации: аллельная, эктопическая и гомеологичная; реципрокная (кроссинговер) и нереципрокная (генная конверсия).

Реципрокная рекомбинация. Ранние представления о природе кроссинговера: гипотезы “разрыв и соединение” и “выборочное копирование”. Опыты Мезелсона по доказательству механизма “разрыв и соединение”. Разработка методических подходов к изучению молекулярных механизмов рекомбинации. Два этапа формирования рекомбинантной ДНК: “состыкованная” (joint) и первичная рекомбинантная молекулы.

Генетический контроль гомологичной рекомбинации у бактериофагов. Система Red у бактериофага l. Экзонуклеаза l. Система Orf. Бактериофаг Т4: роль генов 30, 32, 43, 46, 47, 49 и uvsX. Энзимология рекомбинационных реакций: эндо- и экзонуклеазы, ДНК-полимераза, ДНК-лигаза, белок UvsX, белок SSB и другие белки. Процессы “вытеснения нити”, образования D-петли, “миграции ветвления”, коррекции гетеродуплекса. Основные стадии кроссинговера: пресинапсис, синапсис и постсинапсис. Схемы кроссинговера у бактериофагов. Общность процессов рекомбинации и репарации ДНК.

Основные модели гомологичной рекомбинации. Модель Холлидея. Предпосылки модели, сущность, значение. Развитие модели в последующих исследованиях, ее современное состояние. Модель Мезелсона-Рэдинга. Модель репарации двунитевых разрывов (ДНР) ДНК у дрожжей (Жостак и др.) применительно к кроссинговеру и конверсии.

Рекомбинация при трансформации хромосомной ДНК у бактерий. Параметры рекомбинации. Размеры интегрируемых фрагментов донорной ДНК. Кинетика и эффективность трансформации. Доказательства интеграции однонитевых фрагментов донорной ДНК. Генетический контроль и основные этапы процесса трансформации у Bacillus subtilis и Streptococcus pneumoniae. Донорно-реципиентный комплекс. Генетический контроль и механизм рекомбинации при трансформации у Haemophilus influenzae. Трансформосома.

Рекомбинация при конъюгации у Escherichia coli. Характеристика конъюгационного переноса ДНК. Механизмы интеграции донорной ДНК в хромосому реципиентной клетки.

Генетический контроль гомологичной рекомбинации у E.coli. Гены, участвующие в пресинапсисе: recA, recB, recC, recD, recE, recJ и др. Плейотропный эффект мутаций recB и recC. АТФ-зависимая RecBCD-нуклеаза, ее актвности, механизмы действия и роли в различных генетических процессах. Chi-сайт как горячая точка рекомбинации. Универсальность АТФ-зависимых нуклеаз для бактерий. Гены, контролирующие процесс синапсиса: recA, recF, recO, recR, ssb и др. Свойства recA-мутантов. Белок RecA, его характеристика. Реакции, катализируемые белком RecA, его ключевая роль в первых этапах процесса кроссинговера: пресинапсисе и синапсисе. Природа синапсиса при гомологичной рекомбинации. RecA-ДНК-филаменты, их структура и функции в рекомбинации. Схема кроссинговера у E.coli с участием RecBCD-нуклеазы и белка RecA. RecA-гомологи у других прокариотических и эукариотических организмов. Роль белка SSB. Гены постсинапсиса: ruvA, ruvB, ruvC, recG и их продукты. Pоль в осуществлении миграции полухиазмы Холлидея и в ее разрешении.

Супрессорные мутации sbcA, sbcB, sbcC и sbcD. Экзонуклеазы I и VIII. SbcCD-нуклеаза. Три пути рекомбинации хромосомной ДНК у E.coli K-12 по Кларку: RecBCD, RecF и RecE, их характеристика. Роль путей RecF и RecE в гомологичной рекомбинации плазмид.

Особенности процесса кроссинговера у эукариот. Мейотический кроссинговер. Роль синаптонемного комплекса. Генетический контроль мейотической рекомбинации. Разнообразие RecA-подобных белков (рекомбиназ) у эукариот.

Митотический кроссинговер: соотношение между реципрокной и нереципрокной рекомбинацией. Кроссинговер в G1-клетках. Различия в генетическом контроле мейотического и митотического кроссинговера у дрожжей-сахаромицетов.

Горячие точки рекомбинации у эукариот. Роль ДНР ДНК в инициации мейотического и митотического кроссинговера.

Рекомбинационная репарация ДНР в хромосомной и плазмидной ДНК у дрожжей. Генетический контроль и разнообразие механизмов: модель Жостака и др. и ее модификации, механизмы “разрыв и копирование”, “отжиг комплементарных цепей ДНК” (“single-strand annealing”), “гомолог-зовисимое лигирование”.

Эктопическая рекомбинация, ее генетический контроль, молекулярные механизмы и биологическое значение.

Конверсия гена (коррекция рекомбинационного гетеродуплекса). Нереципрокность внутригенной рекомбинации. Гипотеза коррекции неспаренных оснований (Холлидей). Генетический контроль и пути коррекции гетеродуплексов у E.coli. Системы репарации неспаренных оснований с образованием и застройкой протяженных брешей в гетеродуплексе. Система Mut HLSU, ее характеристика. Молекулярная модель коррекции гетеродуплекса с участием системы MutHLSU. Эволюционный консерватизм белков MutL и MutS. Роль белков MutL и MutS в процессах коррекции неспаренных оснований и в регуляции гомеологичной рекомбинации. Системы коррекции неспаренных оснований у E.coli с формированием и застройкой коротких брешей. Коррекция гетеродуплексов при бактериальной трансформации, ее генетический контроль (система Hex), влияние на результаты генетического картирования. Коррекция и высокая отрицательная интерференция.

Конверсия гена у эукариот. Тетрадный анализ межаллельных скрещиваний. Типы тетрад. Полярность конверсии, ее причины. Коконверсия. Протяженность участка конверсии. Вопрос о связи мейотической конверсии с реципрокной рекомбинацией фланговых маркеров. Митотическая аллельная генная конверсия. Эктопическая мейотическая и митотическая конверсия. Переключение локусов MAT у гомоталличных дрожжей. Генетический контроль конверсии гена у экариот на примерах дрожжей и человека. Эукариотические гомологи бактериальных белков MutL и MutS - семейства белков PMS, MHL, MHS и др., их функции в рекомбинации и других клеточных процессах. Сложность систем коррекции неспаренных оснований у эукариот, основанная на участии разнообразных гомологов батериальных белков MutL и MutS.

Роли конверсии в эволюции и в онтогенезе. Соотношение между процессами кроссинговера и конверсии в различных генетических системах. Конверсионные процессы, осуществляющиеся независимо от кроссинговера.

Рекомбинационные процессы, не нуждающиеся в гомологии для синапсиса

Сайт-специфическая рекомбинация. Распространение сайт-специфических рекомбинационных систем у прокариот и эукариот, их функции. Сайт-специфические топоизомеразы типа I как ключевые белки сайт-специфической рекомбинации у бактериофагов, бактерий и дрожжей. Два семейства сайт-специфических топоизомераз I - интегразы и резолвазы.

Сайт-специфическая рекомбинация при интеграции и эксцизии фага l. Схема Кемпбела. Различия между генетическими картами вегетативного фага и профага. Структура сайтов attP и attB. Система Int. Int-белок как представитель семейства интеграз. Белок IHF E.coli. Интасома. Молекулярная модель интеграции и эксцизии фага l. Антипараллельное выстраивание att-сайтов при синапсисе. Природа синапсиса при сайт-специфической рекомбинации.

Сайт-специфические инверсии ДНК у бактериофагов и бактерий (система Din) и у дрожжей. Ключевые белки рекомбинации - инвертазы как представители семейства резолваз. Рекомбинационные энхансеры для сайт-специфических инверсий. Белок Fis E.coli. Инвертасома. Молекулярная модель рекомбинации, осуществляемой резолвазами. Роль сайт-специфических инверсий в регуляции экспрессии генов.

Транспозиции подвижных генетических элементов. Транспозиции у прокариот. Подвижные генетические элементы: IS-элементы, транспозоны (Tn), фаг Мu. Структура подвижных элементов. Функции, контролируемые различными подвижными элементами. Транспозаза. Участие белков клетки-хозяина в транспозиции. Вопрос о специфичности интеграции подвижного элемента в ДНК-мишень. Общность реакций, составляющих процессы транспозиции у разных типов подвижных элементов прокариот и эукариот.

Генетическая организация простых транспозонов семейства Tn3. Гены tnpA и tnpR, их продукты. Репликативная транспозиция, два этапа процесса. Молекулярная модель Шапиро. Генетический контроль и молекулярный механизм нерепликативной транспозиции у сложных транспозонов Tn5, Tn9 и Tn10. Генетический контроль и механизмы транспозиции у фага Mu. Транспозосома.

Конъюгативные транспозоны грамположительных и грамотрицательных бактерий, их классификация. Генетический контроль и механизмы транспозиции. Биологическое значение.

Подвижные генетические элементы эукариот (дрожжи, растения, дрозофила, млекопитающие). Классификация эукариотических подвижных элементов. Элементы со структурой прокариотического типа. Ретротранспозоны типа I у дрожжей, растений и животных, их структура, генетический контроль и механизм транспозиции, классификация. Ретротранспозоны типа II: особенности строения, распространение, механизм транспозиции.

Генетические эффекты, вызываемые подвижными элементами у прокариот и эукариот: изменения экспрессии генов, генные мутации, хромосомные перестройки, гибридный дисгенезиз. Участие подвижных элементов в организации структуры хромосом. Роль в онтогенезе живых организмов и в эволюции генетического материала. Подвижные элементы как инструмент генетических исследований.

Незаконная рекомбинация. Круг явлений, относимых к незаконной рекомбинации. Негомологичная рекомбинация у бактерий, катализируемая ДНК-гиразой. Молекулярная модель (Икеда). Негомологичная рекомбинации с участием ДНК-зависимой протеинкиназы у позвоночных. Роль в репарации двунитевых разрывов, интеграции экзогенной ДНК в хромосомы и в перестройках иммуноглобулиновых последовательностей ДНК.

Запрограммированные рекомбинационные перестройки генетического материала в онтогенезе

Состыковка разобщенных частей генов с помощью сайт-специфической рекомбинации в процессе споруляции у Bacillus subtilis и при формировании гетероцист у нитчатых цианобактерий. Перестройка генетического материала при образовании макронуклеуса у ресничных инфузорий. Диминуция хроматина у ряда представителей беспозвоночных.

Сайт-специфическая рекомбинация у позвоночных, участвующая в перестройках иммуноглобулиновых последовательностей ДНК. Структура молекул иммуноглобулинов. Организация и структура последовательностей ДНК, участвующих в формировании генов, кодирующих иммуноглобулины. Роль продуктов генов RAG1 и RAG2. Механизм сайт-специфической рекомбинации при состыковке кодирующих сегментов генов иммуноглобулинов. Участие других генетических процесов в формировании генов иммуноглобулинов: гомологичная рекомбинация (эктопический митотический кроссинговер, эктопическая митотическая конверсия), незаконная рекомбинация, гипермутагенез, альтернативный сплайсинг. Приуроченность этих процессов к определенным стадиям дифференцировки B-лимфоцитов.

Трансформация -- процесс поглощения клеткой организма свободной молекулы ДНК из среды и встраивания её в геном, что приводит к появлению у такой клетки новых для неё наследуемых признаков, характерных для организма-донора ДНК. Иногда под трансформацией понимают любые процессы горизонтального переноса генов, в том числе трансдукцию, конъюгацию и т. д.

Трансформация прокариот

В любой популяции лишь часть бактерий способна к поглощению из среды молекул ДНК. Состояние клеток, при котором это возможно, называют состоянием компетентности. Обычно максимальное число компетентных клеток наблюдается в конце фазы логарифмического роста.

В состоянии компетентности бактерии вырабатывают особый низкомолекулярный белок (фактор компетентности), активизирующий синтез аутолизина, эндонуклеазы I и ДНК-связывающего белка. Аутолизин частично разрушает клеточную стенку, что позволяет ДНК пройти через неё, а также снижает устойчивость бактерий к осмотическому шоку. В состоянии компетентности также снижается общая интенсивность метаболизма. Возможно искусственное приведение клеток в состояние компетентности. Для этого применяют среды с высоким содержанием ионов кальция, цезия, рубидия, электропорацию или заменяют клетки реципиента протопластами без клеточных стенок.

Эффективность трансформации определяется количеством колоний, выросших на чашке Петри после добавления к клеткам 1 мкг суперскрученной плазмидной ДНК и рассева клеток на питательную среду. Современные методы позволяют добиваться эффективности 106--109.

Поглощаемая ДНК должна быть двухнитевой (эффективность трансформации однонитевой ДНК на порядки ниже, однако несколько возрастает в кислой среде), её длина -- не менее 450 пар оснований. Оптимальное pH для прохождения процесса -- около 7. Для некоторых бактерий (Neisseria gonorrhoeae, Hemophilus) поглощаемая ДНК должна содержать определённые последовательности.

ДНК необратимо адсорбируются на ДНК-связывающем белке, после чего одна из нитей разрезается эндонуклеазой на фрагменты длиной 2--4 тыс. пар оснований и проникает в клетку, вторая полностью разрушается. В случае, если эти фрагменты имеют высокую степень гомологии с какими-либо участками бактериальной хромосомы, возможна замена этих участков на них. Поэтому эффективность трансформации зависит от эволюционного расстояния между донором и реципиентом. Общее время процесса не превышает нескольких минут. Впоследствии, при делении, в одну дочернюю клетку попадает ДНК, построенная на основе исходной нити ДНК, в другую -- на основе нити с включённым чужеродным фрагментом (выщепление)

Трансформация эукариотических клеток с использованием синтетических полимерных катионов

Доставка чужеродных нуклеиновых кислот внутрь интактных клеток, или трансформация, лежит в основе многих методов генной инженерии. Транспортировка функциональных генов в ткани может сделать возможной коррекцию генной недостаточности и мутаций, следствием которых являются тяжелые наследственные патологии или раковые опухоли. В настоящее время разработан целый ряд приемов для введения ДНК в клетки, среди которых наиболее распространены преципитация фосфатом кальция или диэтиламиноэтил-декстраном (ДЕАЕ-декстраном), электропорация, микроинъекция, встраивание ДНК в реконструированную оболочку вирусов или липосомы (искусственные мембранные липидные везикулы).

Несмотря на разнообразие этих методов, поиск новых путей трансформации про- и эукариотических клеток продолжается. С одной стороны, это вызвано необходимостью повышения эффективности трансформации, с другой - перечисленные выше методы применимы лишь для ограниченного числа клеточных линий и неэффективны при попытках введения в клетки РНК. Наконец, большинство этих подходов не может быть использовано для генетической трансформации in vivo.

В качестве переносчиков ДНК используются ретровирусные векторы, векторы на основе ДНК-содержащих вирусов и ВИЧ, липосомы на основе катионных липидов, полимерные ДНК-связывающие катионы. Использование синтетических полимеров в качестве переносчиков ДНК имеет ряд преимуществ: удобство хранения и очистки, простота тестирования токсичности и безопасности и, что особенно важно для генной терапии, снижение риска патогенетических и иммунологических осложнений.

При смешивании растворов линейных поликатионов и ДНК формируются интерполиэлектролитные комплексы (ИПЭК) за счет образования кооперативной системы межцепных электростатических связей. При этом поликатионные цепи окружают молекулу ДНК, образуя сферы или тороиды, в зависимости от типа полимера. Включение в ИПЭК приводит к компактизации ДНК, повышению ее устойчивости к действию нуклеаз, способствует усилению ее взаимодействия с клеточной мембраной и повышению трансформирующей активности по отношению как к прокариотическим, так и эукариотическим клеткам. Соединяя молекулы поликатиона с лигандами, способными к специфическому связыванию с клеточной мембраной, можно обеспечить проникновение ИПЭК в клетку по рецепторному пути, а в организме - адресную доставку к клеткам-мишеням.

Системы доставки ДНК для применения в генной терапии должны обеспечивать проникновение ДНК в нужный орган, ткань, или в конкретную группу клеток, а затем - в клеточное ядро. Антисмысловые олигонуклеотиды, а именно они чаще всего используются в генной терапии, должны найти ту мРНК или участок хромосомной ДНК, против которой они направлены. Введенный ген должен войти в состав конструкции, способной его экспрессировать.

Однако это довольно сложная проблема. При введении нуклеиновой кислоты или олигонуклеотида в организм они не попадут преимущественно к нужной ткани или нужному органу, а та их часть, которая окажется в нужном месте, лишь в незначительной мере сможет пройти сквозь гидрофобную клеточную мембрану. Кроме того, в ходе эволюции были выработаны механизмы защиты клеток организма от вторжения факторов внешней среды, в том числе и чужеродной ДНК. Оказавшись внутри клетки, чужеродная ДНК может локализоваться не там, где это необходимо и, более того, может оказаться в лизосомах, где будет разрушена под действием нуклеаз.

Проникновение в клетку и внутриклеточный транспорт ИПЭК происходит, возможно, за счет образования и последовательного разрушения эндосом. На каждом из этапов этого процесса существенная часть материала теряется. Скудное высвобождение векторов из эндосом в цитоплазму и неэффективный перенос их в ядро приводят к низкой эффективности трансгенной экспрессии.

Рестрикционная карта плазмиды pBR 322:

цифрами указана нумерация нуклеотидов;

тонкие черточки - единичные сайты, узнаваемые рестриктазами;

толстые серые стрелки сверху - направление транскрипции;

Pbla - промотор гена Ampr - устойчивость к ампициллину;

Ptet- промотор гена Tetr- устойчивость к тетрациклину;

TТ1 - Rho-независимый терминатор транскрипции (положение 3140-3160); ТТ2 - положение 3080-3110; ROP - белок, способствующий образованию дуплексов между РНК 1 и РНК 2 (негативный регулятор копийности); РНК 1 - контрольная РНК (контролирует копийность плазмиды); РНК 2 - «праймерная» РНК (служит затравкой для репликации); толстые черные стрелки - направление транскрипции РНК 1 и РНК 2

Векторы на основе фага М13

Можно выделить три пути повышения эффективности переноса ДНК в эукариотические клетки с помощью синтетических поликатионов. Во-первых, это повышение специфичности трансфекции за счет лигандов, соединенных с молекулой поликатиона и обеспечивающих избирательное взаимодействие комплексов с клетками определенного фенотипа. Во-вторых - повышение эффективности трансформации за счет подбора генов или олигонуклеотидов, внедряемых в клетку. В-третьих - повышение частоты трансфекции, которое достигается за счет применения лигандов, более эффективно взаимодействующих с клеточной мембраной, и веществ, дестабилизирующих мембрану. Кроме того, возможен синтез новых поликатионов.

В лаборатории молекулярной вирусологии и генной инженерии НИИ гриппа РАМН в Санкт-Петербурге проводится изучение средств доставки ДНК и вирусных частиц в клетки. В этой работе используется набор полимерных носителей, синтезированный сотрудниками Института высокомолекулярных соединений РАН. В качестве экспрессионных векторов использовались плазмиды: pUC 18, содержащая цитомегаловирусный промотор и ген b-галактозидазы, и pBR 322, содержащая цитомегаловирусный промотор и ген зеленого флуоресцирующего белка водорослей.

В результате проведенных исследований было выяснено, что наибольшую трансфекционную активность имеют ИПЭК поли-(2-(диметиламино)этил)метакрилата (PDMAEMA) с низкими молекулярными массами. Дальнейшие исследования позволят разработать новые подходы к решению актуальных проблем в вирусологии, молекулярной и клеточной биологии, генной инженерии, генной терапии.

Трансдукция (от лат. transductio -- перемещение) -- процесс переноса бактериальной ДНК из одной клетки в другую бактериофагом. Общая трансдукция используется в генетике бактерий для картирования генома и конструирования штаммов. К трансдукции способны как умеренные фаги, так и вирулентные, последние, однако, уничтожают популяцию бактерий, поэтому трансдукция с их помощью не имеет большого значения ни в природе, ни при проведении исследований.

Общая (неспецифическая) трансдукция

Осуществляется фагом P1, существующим в бактериальной клетке в виде плазмиды, фагами P22 и Mu, встраивающимися в любой участок бактериальной хромосомы. После индуцирования профага с вероятностью в 10?5 на одну клетку возможна ошибочная упаковка фрагмента ДНК бактерии в капсид фага, ДНК самого фага в нём в этом случае нет. Длина этого фрагмента равна длине нормальной фаговой ДНК, его происхождение может быть любым: случайный участок хромосомы, плазмида, другие умеренные фаги.

Попадая в другую бактериальную клетку, фрагмент ДНК может включаться в её геном, обычно путём гомологичной рекомбинации. Перенесённые фагом плазмиды способны замыкаться в кольцо и реплицироваться уже в новой клетке. В ряде случае фрагмент ДНК не встраивается в хромосому реципиента, не реплицируется, но сохраняется в клетке и транскрибируется. Это явление носит название абортивной трансдукции.

Специфическая трансдукция

Наиболее хорошо изучена специфическая трансдукция на примере фага л. Этот фаг встраивается только в один участок (att-сайт) хромосомы E. coli с определённой последовательностью нуклеотидов (гомологичной att-участку в ДНК фага). Во время индукции его исключение может пройти с ошибкой (вероятность 10?3--10?5 на клетку): вырезается фрагмент тех же размеров что и ДНК фага, но с началом не в том месте. При этом часть генов фага теряется, а часть генов E. coli захватывается им. Вероятность переноса гена в этом случае падает при увеличении расстояния от него до att-сайта.

Для каждого специфически встраивающегося в хромосому умеренного фага характерен свой att-сайт и, соответственно, расположенные рядом с ним гены, которые он способен передавать. Ряд фагов может встраиваться в любое место на хромосоме и переносить любые гены по механизму специфической трансдукции. Кроме того, в хромосоме обычно есть последовательности, частично гомологичные att-участку ДНК фага. При повреждении полностью гомологичного att-сайта можно добиться включения фага в хромосому по этим последовательностям и передачу в ходе специфической трансдукции генов, соседних уже с ними.

Когда умеренный фаг, несущий бактериальные гены, встраивается в хромосому новой бактерии-хозяина, она содержит уже два одинаковых гена -- собственный и принесённый извне. Поскольку фаг лишён части собственных генов, часто он не может индуцироваться и размножиться. Однако при заражении этой же клетки «вспомогательным» фагом того же вида, индуцирование дефектного фага становится возможным. Из хромосомы выходят и реплицируются как ДНК нормального «вспомогательного» фага, так и ДНК дефектного, вместе с переносимыми им бактериальными генами. Поэтому около 50% образующихся фаговых частиц несут бактериальную ДНК. Это явление носит название трансдукции с высокой частотой (HFT от англ. high frequency transduction).

Конъюгамция (от лат. conjugatio -- соединение), парасексуальный процесс -- однонаправленный перенос части генетического материала (плазмид, бактериальной хромосомы) при непосредственном контакте двух бактериальных клеток. Открыт в 1946 году Дж. Ледербергом и Э. Тайтемом. Имеет большое значение в природе, поскольку способствует обмену полезными признаками при отсутствии истинного полового процесса. Из всех процессов горизонтального переноса генов конъюгация позволяет передавать наибольшее количество генетической информации.

Механизм

Для успешного установления контакта двух клеток в клетке-доноре должна присутствовать конъюгативная (половая, трансмиссивная) плазмида. Первой из них была открыта F-плазмида: эписома (способная встраиваться в бактериальную хромосому), длиной около 100 тыс. пар оснований. Плазмида несёт гены, кодирующие ряд функций. Одна из них -- образование половых пилей, отвечающих за приклепление к клетке-реципиенту.

Конъюгативные плазмиды также кодируют белки, противодействующие прикреплению пилей других бактерий к клеточной стенке данной. Поэтому клетки, уже содержащие трансмиссивные плазмиды, на несколько порядков реже выступают в роли реципиентов при конъюгации.

Плазмидой кодируется эндонуклеаза, разрезающая одну из нитей её ДНК в определённой точке (oriT). Затем разрезанная цепь раскручивается и 5"-концом переносится в клетку-реципиент. Выдвигалось предположение, что ДНК передаётся по каналам в половых пилях, но к настоящему времени показано, что перенос идёт через поры в клеточной стенке. В первом сегменте поступающей в клетку реципиента нити ДНК расположены антирестрикционные гены. Эти гены должны транскрибироваться в реципиенте сразу же после своего поступления туда, чтобы обеспечить накопление белков, блокирующих процесс разрушения ДНК рестриктазами. Наконец, переданная цепь замыкается в кольцо и на её основе восстанавливается двунитевая структура ДНК плазмиды. Весь процесс длится несколько минут.

Конъюгативная плазмида может встраиваться в хромосому путём гомологичной рекомбинации с участием IS-элементов. Конъюгация при этом идёт по тому же механизу, однако реципиенту передаётся не только плазмида, но и хромосомный материала донора. В этом случае процесс затягивается на часы, часто происходит разрыв передаваемой нити ДНК. Путём искусственного прекращения передачи ДНК в разное время и наблюдения за тем, какие гены были при этом переданы, была получена карта хромосомы кишечной палочки (E. coli) и показано её кольцевое строение.

При выщеплении из хромосомы плазмида может захватывать её фрагмент и переносить его с собой в другую клетку (аналогия с трансдукцией). Данный процесс носит название сексдукции.

Некоторые мелкие плазмиды, называемые мобилизуемыми, могут быть перенесены при конъюгации с помощью аппарата переноса «хелперной» трансмиссивной плазмиды. Для этого они должны содержать последовательности, аналогичные oriT конъюгативной плазмиды и распознаваемые её эндонуклеазами.

Прокариотам несвойственно половое размножение . Рекомбинация у них происходит в результате внутригеномных перестроек, заключающихся в изменении локализации генов в пределах хромосомы, или при проникновении в клетку реципиента части ДНК донора.

В результате рекомбинаций образуется только один рекомбинант, генотип которого представлен в основном генотипом реципиента с включенным в него фрагментом ДНК донора.

Генетические рекомбинации происходят при участии ряда ферментов в пределах отдельных генов или групп сцепленных генов. Существуют специальные гес-гены, детерминирующие рекомбинационную способность бактерий. Передача генетического материала (хромосомных генов) от одних бактерий к другим происходит путем трансформации, трансдукции и конъюгации. Передача плазмидных генов - путем трансдукции и конъюгации.

Трансформация - изменение одного типа клеток при действии активного начала из другого типа клеток. Феномен открыл Гриффит у Streptococcus pneumoniae (1928); позднее Эвери, Маклеод и Мак Карти (1944) выделили трансформирующее начало пневмококков в форме молекулы ДНК. Это и явилось первым прямым доказательством того, что носителем генетической информации является ДНК.

Погибшие бактерии постоянно высвобождают ДНК, которая может быть воспринята другими бактериями. Традиционно, любая чужеродная ДНК, попадающая в бактериальную клетку, расщепляется эндонуклеазами. При некоторых условиях такая ДНК интегрируется в геном бактерий и изменяет его. Встраивание плазмидной ДНК может менять вирулентность бактерий. В обмене генетической информацией трансформация играет незначительную роль.

Трансдукция - перенос фрагмента ДНК от одной клетки (донора) к другой (реципиенту) с помощью бактериофага. Явление открыл Ледерберг и Циндер (1952). Выделяют 3 типа трансдукции:

неспецифическая (общая) - в клетке, инфицированной бактериофагом, в ходе сборки дочерней популяции в головки некоторых фагов вместе с вирусной ДНК может проникнуть любой фрагмент бактериальной ДНК или плазмиды. В этом случае, фаг утрачивает часть своего генома, становиться дефектным и способен вызвать трансдукцию. При такой форме трансдукции в клетки-реципиенты могут быть внесены практически любые гены.

специфическая характеризуется способностью фага переносить определенные гены от бактерии-донора к бактерии-реципиенту. Это связано с тем, что образование трансдуцирующего бактериофага происходит путем выщепления профага из бактериальной хромосомы вместе с генами, расположенными на хромосоме в клетке-донора рядом с профагом. При взаимодействии трансдуцирующих фагов клетками реципиентного штамма происходит включение гена бактерии-донора вместе с ДНК дефектного фага в хромосому бактерии-реципиента. Бактерии, лизогенированные дефектным фагом, невосприимчивы, как и все лизогенные клетки, к последующему заражению гомологичным вирулентным фагом.

абортивная. Принесенный фагом фрагмент ДНК бактерии-донора не включается в хромосому бактерии-реципиента, а располагается в ее цитоплазме и может в таком виде функционировать. Во время деления бактериальной клетки трансдуцированный фрагмент ДНК-донора может передаваться только одной из двух дочерних клеток, т. е. наследоваться однолинейно и постепенно утрачиваться.

Конъюгация - перенос генетического материала их клетки-донора в клетку-реципиента при их скрещивании. Процесс конъюгации у бактерий впервые обнаружен Д. Ледербергом и Э. Тейтумом в 1946 г.Позднее выяснилось, что донорами генетического материала являются клетки, несущие F-плазмиду (половой фактор). При скрещивании F + с F" клеткой половой фактор передается независимо от хромосомы донора, если плазмида находится в автономном состоянии. При этом почти все реципиентные клетки получают F плазмиду и становятся F + клетками.

Этапы коньюгации:

прикрепление клетки-донора к реципиентной клетке с помощью половых ворсинок (sex pili).

образуется конъюгационный мостик, через который из клетки-донора в клетку-реципиент могут передаваться F-фактор и другие плазмиды, находящиеся в цитоплазме бактерии-донора в автономном состоянии.

Интеграция F-плазмиды в состав бактериальной хромосомы приводит к разрыву одной из нитей ДНК, что обеспечивает возможность переноса в реципиентную клетку.

Постановка опыта трансдукции

Умеренный фаг, полученный при фильтровании из культуры E.coli в объеме 1 мл вносят в стерильную пробирку, затем в эту пробирку вносят 1 мл бульонной культуры E.coli, не способной расщеплять лактозу. Опытную пробирку выдерживают в термостате 40 мин. Затем делают высевы на сектора чашки со средой Эндо: умеренный фаг; E.coli lac-; из опытной пробирки.

Постановка опыта конъюгации

В отдельную стерильную пробирку вносят бульонную культуру донора и бульонную культуру реципиента в объеме по 1 мл. Опытную пробирку выдерживают в термостате 40 мин. Затем производят высевы культуры донора, реципиента и смесь донора с реципиентом на отдельные сектора минимальной питательной среды. Инкубируют 24 часа 37°С.

Процесс образования геномов, содержащих генетический материал от двух родительских форм . У бактерий осуществляется в результате конъюгации, трансформации, трансдукции.

Рекомбинации подразделяют на законные и незаконные. Законная рекомбинация требует наличия протяженных, комплементарных участков ДНК в рекомбинируемых молекулах. Она происходит только между близкородственными видами микроорганизмов.

Незаконная рекомбинация не требует наличия протяженных комплементарных участков ДНК.

Трансформация - процесс поглощения клеткой организма свободной молекулы ДНК из среды и встраивания её в геном , что приводит к появлению у такой клетки новых для неё наследуемых признаков, характерных для организма-донора ДНК. Клетки, способные воспринимать донор
ную ДНК, называются компетентными. Состояние компетентности непродолжительно. Оно возникает в определенный период роста бактериальной культуры.В состоянии компетентности клеточная стенка бактерий становится проницаемой для высокополимерных фрагментов ДНК. По-видимому, это связано с тем, что трансформируемый фрагмент ДНК связывается с белком, образуя трансформасому, в которой он переносится в бактериальную клетку. Процесс трансформации:

1).Адсорбция ДНК-донора на клетке-реципиенте.

2) проникновение ДНК внутрь клетки-реципиента;

3) соединение ДНК с гомологичным участком хромосомы реципиента с последующей рекомбинацией.

После проникновения внутрь клетки трансформирующая ДНК деспирализуется. Затем происходит физическое включение любой из двух нитей ДНК донора в геном реципиента.

Трансдукция - процесс переноса бактериальной ДНК из одной клетки в другую бактериофагом .

Неспецифическая : трансдуцирующие фаги являются только переносчиком генетического материала от одних бактерий к другим, поскольку сама фагоная ДНК не участвует в образовании рекомбинантов.

Специфическая : характеризуется способностью фага переносить определенные гены от бактерии-донора к бактерии-
реципиенту.

Абортивная : принесенный фагом фрагмент ДНК бактерии донора не включается в хромосому бактерии реципиента, а располагается в цитоплазме.

Конъюга́ция - однонаправленный перенос части генетического материала при непосредственном контакте двух бактериальных клеток.

Первым этапом является прикрепление клетки-донора к реципиентной клетке с помощью половых ворсинок.Затем между обеими клетками образуется конъюгационный мостик через который из клетки-донора в клетку-реципиент могут передаваться F-фактор и другие плазмиды, находящиеся в цитоплазме бактерии-донора в автономном состоянии.

Транспозиция - перемещение определенных генетических элементов из одного места на хромосоме в другое.