31.5. Фактор F позволяет бактериям передавать гены реципиентам путем конъюгации

Некоторые плазмиды обусловливают перенос бактериями генетического материала

Рис. 31.8. Спаривание одноцепочечной молекулы ДНК (показана красным цветом) с комплементарной цепью (желтым) дуплекса, катализируемое белком В результате образуется структура, называемая D-петлей.

в другие бактерии путем образования непосредственных межклеточных контактов. Этот процесс, названный конъюгацией, открыли в 1946 г. Джошуа Ледерберг и Эдвард Татум (Joshua Lederberg, Edward Tatum). При конъюгации клеток Е. coli один партнер (мужского пола) служит донором генетического материала, другой (женского пола) - реципиентом. Бактерии мужского пола имеют на поверхности особые отростки, получившие название половых пилей, а женские клетки несут рецепторные участки, которые связывают пили.

Таблица 31.1. (см. скан) Мобильные генетические элементы

Пиль связывает между собой мужскую и женскую клетки (рис. 31.1). Затем он сокращается, что позволяет клеткам вступить в непосредственный контакт для передачи ДНК (рис. 31.10). Бактерия мужского пола содержит плазмиду, называемую фактором F (от англ. fertility - плодовитость), которая несет гены, детерминирующие образование половых пилей и других компонентов, участвующих в конъюгации. При конъюгации одна цепь плазмиды фактора F разрывается в одном месте, и происходит расплетание двухцепочечной молекулы (рис. 31.11). 5-конец разорванной цепи входит в

реципиентную клетку, и на ней синтезируется комплементарная цепь. При этом образуется замкнутая кольцевая двухцепочечная молекула. Присутствие плазмиды фактора F в реципиентной клетке (первоначально F) превращает ее в мужскую клетку Мужская клетка может спонтанно терять свой фактор и ревертировать таким образом к генотипу

Плазмида фактор F может интегрировать с бактериальной хромосомой. Интеграция происходит путем кроссинговера с одним из множества мест в бактериальной хромосоме. Частота интеграции составляет примерно 10-5 в расчете на одну генерацию. Бактерии, несущие фактор F в своих хромосомах, называются клетками (от англ. high frequency of recombination - высокая частота рекомбинации). Клетки как и клетки участвуют в конъюгации в качестве доноров (рис. 31.12). Различие между ними состоит в том, что клетка передает всю бактериальную хромосому (включая интегрированный фактор тогда как клетка передает реципиенту только фактор При скрещивании вся хромосома переносится примерно за 90 мин. Порядок входа передаваемых генов в реципиентную клетку зависит от места, в котором произошла интеграция фактора F и от его полярности. Поэтому порядок генов в хромосоме донора можно легко установить, прерывая конъюгацию в различные моменты времени и определяя, какие маркеры успели перейти. Передаваемая хромосома донора может рекомбинировать с хромосомой реципиента. Частота рекомбинации выше всего для генов, которые вошли в реципиентную клетку первыми, так как они находятся там дольше всего. Таким образом, можно строить генетические карты, определяя время входа и частоту рекомбинации маркеров, передаваемых донором.

При исключении фактора F из хромосомы -клетки она переходит в состояние Этот процесс, обратный интеграции фактора также происходит с частотой примерно 10-5 за одну генерацию. В небольшой части ревертантов кроссинговер происходит в сайте, отличном от сайта интеграции. В результате образуется плазмида, содержащая, помимо генов фактора хромосомные гены (рис. 31.13). Такая плазмида называется фактором штрих обозначает, что в ней присутствуют хромосомные гены. Конъюгация клетки F с клеткой приводит к переносу этих хромосомных генов из донора в реципиентную клетку, которая в результате становится диплоидной по этим генам.

Рис. 31.9. Электронная микрофотография небольшой плазмиды фактора (Печатается с любезного разрешения д-ра Jack Griffith.)

Рис. 31.10. Электронная микрофотография двух клеток Е. coli во время конъюгации. (Печатается с любазного разрешения д-ра Lucien Саго.)

Рис. 31.11. Предполагаемый механизм переноса нити фактора R при конъюгации. В суперспирализованную молекулу фактора R в клетке F+донора вносится одноцепочечный разрыв, и после этого он расплетается, Перенос одной цепи фактора R в клетку F-реципиента сопряжен с репликацией этой цепи донора. Затем в реципиентной клетке синтезируется комплементарная цепь. [Warren G.J., Twigg A.J., Sher-ratt D. J., Nature, 274, 260 (1978).]

Рис. 31.12. Схема образования -клеток путем интеграции фактора F с хромосомой Е. coli.

Таким образом, у бактерий имеется механизм для переноса целых хромосом или нескольких генов из одной клетки в другую. Фактор F можно рассматривать как особый переносчик (вектор), возникший специально для обмена генетическим материалом. Интересно отметить, что лизогенизирующие фаги также могут участвовать в обмене генов клетки-хозяина. Например, ДНК фага X может интегрировать между генами gal и bio хромосомы Е. coli (разд. 30.16). Исключение профага из хромосомы обычно происходит точно, но не всегда. Примерно в одном вирионе на 105 ДНК фага X содержит оперон или ген При заражении такими фагами, называемыми и эти гены вводятся в клетку Е. coli вместе с генами фага Другой родственный фаг, который называется интегрирует вблизи оперона и может переносить гены

Рис. 31.13. Аномальное исключение фактора F приводит к образованию плазмиды содержащей часть хромосомы Е. coli.

из одной зараженной клетки в другую. Бактериофаг интегрирует почти в любом месте хромосомы Е. coli и при исключении всегда захватывает кусок бактериальной хромосомы. Эти трансдуцирующие фаги, подобно фактору представляют собой подвижные генетические элементы, которые обеспечивают взаимообмен бактериальных генов. Не исключено, что трансдукция ускоряет эволюцию бактерий.