Способы передачи наследственной информации у бактерий

В 1928 г. Ф. Гриффите получил интересные данные по заражению мышей возбудителем пневмонии. Он исполь­зовал два штамма пневмококка: вирулентный штамм S (клетки его имеют полисахаридную капсулу и дают глад­кие колонии) и невирулентный штамм R (клетки не об­ладают капсулой и образуют шероховатые колонии). За­ражение мышей вирулентным штаммом вызывало их гибель. При инъекции невирулентного штамма мыши не болели. Пневмония у них не развивалась и после введе­ния вирулентного штамма, убитого нагреванием. Однако, если мышам вводился одновременно убитый штамм S и живой штамм R, через некоторое время они погибали от пневмонии, а при посеве крови были выделены живые пневмококки с капсулой. Таким образом, мож­но было предполагать, что свойства убитого вирулентно­го штамма как бы перешли к живому невирулентному. Это явление было названо трансформацией.

Природу этого явления в 1944 г. установил О. Эвери. Он провел аналогичный эксперимент с пневмококками in vitro. Спонтанно штамм S мог мутировать, т. е. при­обретать свойства штамма R, но обратная мутация (R→S), как правило, не происходит. Однако добавле­ние к R экстракта убитых пневмококков S увеличивает вероятность обратной мутации. Эвери выделил вещество из убитых бактерий вирулентного штамма S, очистил, изучил химические свойства и назвал его трансформи­рующим фактором. Трансформирующий фактор инактивировался лишь одним ферментом — дезоксирибонуклеазой, расщепляющим только ДНК. Это означало, что трансформирующим веществом является ДНК. Так было получено первое подлинное доказательство генетической роли нуклеиновых кислот. Однако это открытие не сразу привлекло всеобщее внимание, поскольку в то время было мало известно о химической природе генов, структуре белков и ДНК. Тем не менее открытие Эвери сти­мулировало более детальное изучение нуклеиновых кис­лот. В 1947 г. Э. Чаргафф установил, что количество нуклеотидов ДНК и их соотношение у разных организ­мов неодинаково. Это навело на мысль, что порядок расположения нуклеотидов в молекуле ДНК, очевидно, как-то связан с ее генетической специфичностью.

Трансформация сводится к включению вещества хро­мосомы одной бактерии (донора) в хромосому другой (реципиента) и служит одним из способов обмена гене­тической информацией у бактерий. Однако механизм ее еще недостаточно изучен.

Долгое время считалось, что генетическая трансфор­мация свойственна только одноклеточным. В настоящее время установлено, что явления, напоминающие генети­ческую трансформацию, могут происходить и в клетках эукариотов. При взаимодействии некоторых вирусов с клетками животных возможна трансформация эукариотной клетки. Полученная ею новая генетическая инфор­мация устойчиво передается при последующих клеточ­ных делениях. Получены неоспоримые доказательства существо­вания генетической трансформации в клетках млекопи­тающих. Дж. Берг и В. Мак-Брайд при культивировании клеток мыши в среде с изолированными хромосомами клеток человека выделили потомство клеток с маркера­ми последнего. (Имеются основания считать, что в геном реципиента включается лишь небольшой участок хромо­сомы донора, около 2 %.) Пока мало известно о харак­тере связи между геномом реципиента и фрагментом хромосомы донора, но, несомненно, связь эта довольно прочная — клетки мыши не теряли приобретенные свой­ства даже при выращивании в неселективных условиях.

В 1952 г. Н. Циндер и Дж. Ледерберг описали еще один способ передачи наследственной информации у бак­терий. Исследования проводились на бактериях мыши­ного тифа Salmonella fyphimurium. В U-образную трубку с бактериальным фильтром посередине засевались на полную питательную среду 2 штамма: в одну часть пробирки штамм 22А (ауксотрофный по мутации, тормозящей синтез триптофана Т-; это требовало добав­ления данной аминокислоты в среду для культивирова­ния), в другую — штамм 2А дикого типа (способен син­тезировать триптофан Т+). Совместное выращивание двух штаммов бактерий мышиного тифа привело к тому, что через некоторое время при посеве на минимальную среду бактерии штамма 22А дали небольшое количество колоний. Следовательно, они каким-то образом приобре­ли способность синтезировать триптофан. Переход бак­терий из одного колена пробирки в другое преграждался бактериальным фильтром, а возможность обратной му­тации штамма 22А исключалась, так как он был стабиль­ным в этом отношении. По мнению Циндера и Ледерберга, перенос информации осуществлялся фагом. Было установлено, что ДНК-содержащие вирусы (фаги) де­лятся на две группы: паразиты, приводящие к гибели бактериальные клетки, и умеренные (симбиотические), не вызывающие заболевания и разрушения клеток.Уме­ренные вирусы, или профаги, существуют в клетке в виде ДНК, интегрированной с ДНК бактерии, и реплицируют­ся вместе с ее хромосомой. Явление такого со­существования умеренного фага и бактерии носит назва­ние лизогении. Лизогенная клетка (иначе клетка с профагом) обычно ничем не отличается от других бактерий. Обнаружить профаг удается лишь при активизации его ионизирующим и ультрафиолетовым излучением или при воздействии каких-либо иных факторов, вследствие чего он превращается в зрелый фаг, убивает клетку и исполь­зует ДНК бактерии на построение своей ДНК. Таким образом, профаг при заражении новой клетки может со­общить ей часть наследственной информации от старой. Штамм 2А оказался лизогенным по фагу, который из умеренного в силу каких-то причин превратился в пара­зитический и при заражении новых бактерий перенес в них часть фрагмента ДНК с геном, контролирующим синтез триптофана. Бактериальный фильтр не послужил преградой для вирусов, так как размеры их очень малы и они могут фильтроваться.

Явление переноса наследственной информации бак­териофагом от одних бактерий к другим называется трансдукцией.Механизм трансдукции еще недостаточно изучен. Предполагается, что фрагмент чужеродной ДНК вначале самостоятельно реплицируется, а затем путем рекомбинации включается в хромосому клетки-реципи­ента. Трансдукция в настоящее время детально изучает­ся в связи с вопросами генной инженерии, поскольку мо­жет рассматриваться в качестве одного из путей пере­носа наследственной информации от клетки к клетке.

В 1946 г. Дж. Ледерберг и Е. Татум при совместном выращивании двух ауксотрофных комплементарных мутантов кишечной палочки Е. coli (В-М-Р+Т+ и В+М+Р-Т-) в течение ночи получили культуру В+М+Р+Т+, которая оказалась способной в отличие от исходных штаммов расти на минимальной питательной среде без добавления метионина, биотина, треонина и пролина. Трансформации и трансдукции здесь явно не было. При наличии бактериального фильтра в сосудах, где выращивались культуры, взаимного обмена инфор­мацией не наблюдалось. Очевидно, существует очень тесный контакт между бактериями. На основании этого впервые было высказано предположение о возможности у бактерий полового процесса. Половой процесс у бакте­рий, при котором осуществляется перенос генетической информации при тесном контакте клеток, был назван конъюгацией.Впоследствии удалось получить микрофо­тографии конъюгирующих бактерий кишечной палочки. Передача информации при конъюгации носит односторонний характер.В 1952 г. Б. Хейс показал, что при конъюгации одна из клеток (мужская F+) служит донором, другая (женская F^-) — реципиентом. Донорные клетки несут особый фактор F (фрагмент молекулы ДНК; автономно существует в цитоплазме и содержит около 10 пар нуклеотидов), являющийся нехромосомной структурой. Реципиенты этого фактора не имеют.

Процесс конъюгации и механизм переноса генетиче­ского материала был описан у бактерий Е. coli в 1955 г. В. Вольманом и Ф. Жакобом. Они показали, что при конъюгации фактор F может переходить из мужской клетки в женскую и превращать ее в F⁺. При этом дру­гие свойства бактериальной клетки не изменяются. Пе­редача полового фактора происходит как бы независимо от других генетических маркеров. Клетки штаммов F- внутри себя не рекомбинируют.

При обратной мутации половой фактор у бактерий может вновь приобрести автономное состояние. Осво­божденный из хромосомы, подобно профагу, он иногда захватывает фрагмент бактериальной хромосомы, при­легающий к нему, и при конъюгации вместе с ним пере­ходит в женскую клетку, сообщая ей свойства донорной клетки и некоторые другие свойства, контролируемые фрагментом хромосомы. Такой процесс переноса наслед­ственной информации из одной бактериальной клетки в другую посредством полового фактора называется сексдукцией.

Таким образом, половой фактор является саморедуплицирующим генетическим элементом, способным су­ществовать в двух состояниях: автономном и интегриро­ванном в хромосому. Такие участки генетического мате­риала получили название эписом.

Репликация ДНК

Уотсон и Крик уже во второй своей работе 1953 года предположили возможный механизм копирования наследственного материала. Легко представить, что цепи молекулы ДНК расходятся и каждая из них становится матрицей, на которой синтезируется новая комплементарная цепь. В результате образуются две дочерние двуспиральные молекулы ДНК, неотличимые от родительской молекулы.

Каждая молекула ДНК состоит из одной цепи исходной родительской молекулы и одной вновь синтезированной цепи. Такой механизм копирования называется полуконсервативным.В то же время обсуждались две другие модели, одна из них "консервативная" другая "дисперсионная" (Рисунок). Доказали существование полуконсервативной модели М. Мезелсон и Ф. Сталь в 1958 году. Авторы выращивали бактерии Е. coli несколько поколений на минимальной среде, в которой единственным источником азота был ¹⁵NH₄C1 (хлорид аммония). В этом соединении нормальный изотоп ¹⁴N, был заменен на ¹⁵N. В результате все клеточные компоненты бактерий, включая пурины и пиримидины в молекулах ДНК содержали более тяжелый азот ¹⁵N. Затем клетки переносили на среду, содержащую изотоп ¹⁴N. Через 1 или 2 поколения выделяли ДНК и центрифугировали в градиенте CsCl. Фракции, содержащие легкие или тяжелые цепи, а так же гибридные ¹⁵N/¹⁴N, легко отделялись одна от другой.

В 1957 году Артур Корнберг (в 1959 году Артуру Корнбергу (Arthur Kornberg) была присуждена Нобелевская премия за открытие механизма биосинтеза ДНК) обнаружил у бактерии Е. coli фермент, катализирующий процесс полимеризации ДНК из нуклеотидов – ДНК-полимеразу. Открытие Корнберга показало, что в основе удвоения молекул ДНК лежат обычные биохимические реакции. По современным представлениям в репликации ДНК у прокариот выделяют следующие этапы: 1. Релаксация суперспирализованной ДНК. Этот процесс катализируется ферментом топоизомеразой. 2. Денатурация двойной спирали ДНК.

Поскольку синтез ДНК происходит на одноцепочечной матрице, ему должно предшествовать обязательное разделение двух цепей ДНК. Участок начала расхождения цепей называется репликационной вилкой из-за характерной Y-образной формы. Именно в этой репликационной вилке ДНК-полимеразы синтезируют дочерние молекулы ДНК.

Модели репликации ДНК:

а - полуконсервативная, б - консервативная, в - дисперсионная.

Родительские цепи изображены в виде красных лент, вновь синтезированные

показаны синим цветом.

Участок ДНК, в котором репликация уже завершилась, выглядит как пузырек или "глазок" в нереплицированной ДНК. Репликационные глазки образуются в тех местах, где находятся специфические последовательности – точки начала репликации (origin of replication). Они состоят примерно из 300 нуклеотидов. С ориджина ими связываются инициаторные белки репликации.

Для того, чтобы цепи ДНК разъединились, функционирует особый фермент – ДНК-хеликаза, который связывается с инициаторными белками. Этот фермент движется по одиночной цепи ДНК и, встречая участок двойной спирали, он разрывает водородные связи между основаниями, разделяет цепи и продвигает репликационную вилку.

Субстратом для ДНК-полимеразы являются дезоксирибонуклеозид-трифосфаты (дНТФ), полимеризующиеся на одноцепочечной матрице. ДНК-полимеразы последовательно наращивают одну нить ДНК, шаг за шагом присоединяя к ней следующие звенья в направлении от 5' к 3' концу. В клетках присутствуют несколько разных типов ДНКполимераз, выполняющих различные функции и имеющих разное строение: они могут быть построены из различного количества белковых цепей (субъединиц), от одной до десятков. Однако, все они работают на любых последовательностях нуклеотидов матрицы; задача этих ферментов - сделать точную копию каждой матрицы.

Генетический материал живых организмов имеет огромные размеры и реплицируется с высокой точностью. В среднем, в процессе воспроизведения генома млекопитающего, состоящего из ДНК длиной 3 млрд. пар нуклеотидов, возникает не более трех ошибок. При этом ДНК синтезируется чрезвычайно быстро (скорость ее полимеризации колеблется в пределах от 500 нуклеотидов в секунду у бактерий до 50 нуклеотидов в секунду у млекопитающих).

Высокая точность репликации, наряду с ее высокой скоростью, обеспечивается наличием специальных механизмов, осуществляющих коррекцию, т.е. устраняющих ошибки.

Суть механизма коррекции заключается в том, что ДНК-полимеразы дважды проверяют соответствие каждого нуклеотида матрице: один раз перед включением его в состав растущей цепи, второй раз перед тем, как включить следующий нуклеотид. Очередная фосфодиэфирная связь синтезируется лишь в том случае, если последний нуклеотид растущей цепи ДНК образовал правильную уотсон-криковскую пару с соответствующим нуклеотидом матрицы.