Трансдукцией называется передача бактериального генетического материала бактериофагами.

Бактериофаги бывают вирулентными или умеренными. Вирулентные способны к одному пути развития в бактериях—литическому, результатом которого является гибель бактерий (их лизис). Умеренные бактериофаги, заражая бактерию, могут проходить либо литический путь развития как вирулентные, либо лизогенный, когда их система репликации подавлена иммунным репрессором — продуктом их собственного гена. В таком состоянии фаговая ДНК либо встраивается в бактериальный геном и существует какое-то время (пока не будет индуцирована) как часть бактериальной хромосомы, либо прикрепляется к бактериальной мембране подобно крупной плазмиде и реплицируется, как последняя, синхронно с хромосомой один раз в течение клеточного цикла (плазмидоподобный фаг). Бактерия, несущая умеренный бактериофаг в зарепрессированном состоянии называется лизогенном, а такой фаг—профагом. Трансдукцию осуществляют умеренные бактериофаги. Вирулентные в принципе тоже способны к трансдукции, но в этих целях обычно не используются, поскольку губят бактериальную популяцию. Умеренные фаги способны к двум типам трансдукции: общей, или неснецифической, и специфической.

Общая, или неспецифическая, трансдукция была обнаружена впервые в 1951 г. Циндером, Ледербергом и Лавли (Zinder N. D., LederbergJ., Lavalle R.). Она осуществляется либо умеренными плазмидоподобными фагами (PI — у Е. coli или Р22 — у Salmonella tiphimurium), либо умеренными неспецифическими фагами, способными интегрировать (встраиваться) в любое место бактериальной хромосомы (Mu — у Е. coli). Все умеренные бактериофаги, находящиеся в лизогенном состоянии, могут переходить к литическому циклу развития при снижении в бактериальной клетке концентрации иммунного репрессора — индуцироваться. Индукция может происходить спонтанно, т. е. неконтролируемо со стороны экспериментатора, или вызывается последним путем определенного воздействия (чаще всего радиацией или определенными химическими соединениями). После индукции фаг переходит в бактериальной клетке в вирулентное состояние: его генетический материал реплицируется, нарабатывается определенное для каждого типа фага число геномов, которые упаковываются в белковые оболочки.

При этом иногда в оболочку фага может включиться не его собственная, а бактериальная ДНК. Размер фрагмента бактериальной ДНК не может при этом превышать размер генома фага. Такие фаговые частицы, выходя после лизиса из бактериальной клетки, могут абсорбироваться на новых не инфицированных фагом бактериях и передавать им содержащуюся в них бактериальную ДНК. Они не вирулентны, поскольку фаговой ДНК в них нет, но могут осуществлять трансдукцию в результате включения перенесенной ими бактериальной ДНК в хромосому реципиента (нового хозяина), т. е. являются трансдуцирующими. Показано, что при неспецифической трансдукции бактериофаг PI может переносить около 100 генов, бактериофаг Р22 — около 30 генов. Частота трансдукции для разных хромосомных генов близка и составляет для каждого из них примерно 10^-5 на клетку реципиента.

Судьба трансдуцированного в бактериальную клетку фрагмента ДНК не однозначна. Как уже было сказано выше, он может включиться в хромосому реципиента, модифицировав его генетическую информацию, но, как было показано в 1953 г. Ледербергом и др., может сохраняться в бактериальной клетке долгое время в автономном состоянии и фенотипически выражаться, не встраиваясь в хромосому. Такая бактериальная клетка гетерозиготна по внесенному фагом участку хромосомы, т. е. несет две негомологичные копии этого участка. Это явление называется абортивной трансдукцией. Частота абортивной трансдукции в 5-20 раз превышает частоту истинной неспецифической трансдукции.

В процессе неспецифической трансдукции может трансдуцироваться не только хромосомный материал бактерий, но и имеющиеся в них плазмиды и различные умеренные фаги.

Специфическая трансдукция выявлена в 1956 г. Ледербергом с учениками. Осуществляющие ее фаги встраиваются не в любое, а в определенное место бактериального генома. При этом типе переноса генов умеренный бактериофаг, чтобы стать трансдуцирующим, должен быть предварительно обязательно встроен в хромосому бактерии-реципиента, т. е. находиться в состоянии профага. Примером умеренного бактериофага, осуществляющего специфическую трансдукцию, может быть фаг λ Е. coli. В фаговой частице его ДНК находится в линейной форме, как и у других умеренных фагов. Попадая в бактериальную клетку, она замыкается в кольцо и в такой форме встраивается в определенный район кольцевой хромосомы бактерии. В этом районе бактериальной хромосомы имеется последовательность ДНК, гомологичная участку последовательности ДНК фага—att-сайт. Встраивание происходит кольцо в кольцо за счет единичных разрывов ДНК в att-сайтах фага и бактериальной хромосомы и единичного перекреста этих структур— механизм Кемпбела (Campbell А. М.).

Бактериофаг λ встраивается в хромосому Е. coli около гена gal, контролирующего сбраживание галактозы.

Во время индукции бактериофага λ из бактериальной хромосомы его исключение может произойти неточно: в хромосоме Е. coli останется участок генома фага, а в фаговую частицу вместе с ДНК λ включится фрагмент бактериальной хромосомы, сцепленный с профагом, — ген gal. Такая фаговая частица при следующем цикле заражения клеток Е. coli способна трансдуцировать в них бактериальный ген gal. В то же время она содержит неполный фаговый геном, т. е. дефектна. Обычно после индукции λ из состояния профага в хромосоме Е. coli фаговые лизаты способны осуществлять трансдукцию гена gal с частотой 1*10^-5 Возникшие трансдуктанты Е. coli несут два гена gal: один — принадлежащий хромосоме Е. coli, а другой—внесенный фагом и урезанный (дефектный) бактериофаг λ (Adg) в состоянии профага.

При вторичной индукции λ из таких лизогенных трансдуктантов фаголизат осуществляет трансдукцию гена gal с очень высокой частотой — около 50%; этот процесс называется трансдукцией с высокой частотой (high freguency transduction—HFT). Полученные трансдуктанты тоже несут две копии гена gal и дефектный геном λ и тоже дают лизаты HFT. Часто при такой «вторичной» трансдукции в бактериальный геном, кроме A.dg, встраивается и вторая частица фага λ — недефектная, т.е. трансдуктанты несут два гена gal и два генома λ, дефектный и нормальный. При этом частицы λdg могут включаться в бактериальную хромосому за счет рекомбинации, по att-сайту и по гену gal.

Кроме att-сайта, полностью гомологичного att-участку, в геноме бактериофага λ на хромосоме Е. coli есть и другие последовательности, не полностью гомологичные, но близкие к нему. Если вырезать из хромосомы бактерии att-сайт, то бактериофаг λ будет встраиваться в эти «вторичные» последовательности бактериальной хромосомы и сможет после индукции трансдуцировать и другие гены, а не только ген gal.

Кроме бактериофага λ известно большое число различных специфичных фагов, встраивающихся в разные участки хромосомы Е. coli и других бактерий. Естественно, эти фаги в процессе специфичной трансдукции передают реципиенту разные бактериальные гены соответственно местам их включения. Трансдуцироваться могут не только хромосомные гены бактерий, но также нлазмидные и фаговые. Поскольку практически все бактериальные культуры несут какие-то умеренные фаги, процесс трансдукции, несомненно, имеет место не только в лабораторных, но и в природных условиях и, учитывая довольно большой фрагмент переносимого фагом бактериального материала, играет определенную роль в изменчивости бактерий.

- Читать далее "Конъюгация у бактерий"

Редактор: Искандер Милевски. Дата публикации: 12.07.2019