Что такое конъюгация у бактерий
Что такое конъюгация у бактерий
Длительное время считали, что бактерии — изолированные генетические системы, и каждая особь имеет одного (и только одного) родителя, то есть их изменчивость вызвана лишь мутациями. Никто не мог себе представить, что, подобно гаметам высших организмов, бактерии способны обмениваться генетическим материалом и, по аналогии с половым размножением, давать начало потомству с новыми свойствами. Однако Лёдерберг и Тёйтем (1946), высевая на минеральную среду, предварительно смешав два типа мутантов Escherichia coli (один нуждался в биотине и метионине, другой — в треонине и лейцине), показали, что у бактерий генетические рекомбинанты со способностью к синтезу всех четырёх факторов роста возникают с частотой 10″6, хотя теоретическая вероятность реверсии по двум генам составляет 10-14-10-16 на генерацию. Это противоречие было снято установлением факта прямой передачи генетического материала от донорной клетки к реципиентной (конъюгация). Помимо конъюгации, передача генетического материала у бактерий может осуществляться также с помощью трансформации и трансдукции (рис. 4-16).
Рис. 4-16. Механизмы перенос бактериальной ДНК. Конъюгация (А), трансформация с использованием отдельной молекулы ДНК (Б) трансдукция с помощью фагов (В).
Конъюгация бактерий. F-фактор бактерии.
Конъюгация — прямой перенос фрагмента ДНК от донорских бактериальных клеток к реципиентным при непосредственном контакте этих клеток. Биологическая значимость этого процесса стала проясняться после внедрения в медицинскую практику антибиотиков. Устойчивость к антибиотикам можно получить в результате мутации, что происходит один раз на каждые 106 клеточных делений. Однако, однажды изменившись, генетическая информация может быстро распространяться среди сходных бактерий благодаря конъюгации, поскольку каждая третья из близкородственных бактерий способна именно к этому типу генетического переноса. Для реализации процесса необходим F-фактор — плазмида, кодирующая информацию, необходимую для конъюгации.
В бактерии-реципиенты обычно попадают первые из переносимых генов, размер которых зависит от времени, в течение которого проходила конъюгация, и очень редко — все гены. Позже всех переносится участок плазмиды, содержащий ген переноса кодирующий F-пили. Поскольку полная трансмиссия — явление редкое, реципиентная клетка при Hfr-конъюгации обычно остаётся F-. Вслед за процессом переноса в клетке-реципиенте происходит гомологичная рекомбинация между донорской ДНК и собственной ДНК реципиента.
Процесс конъюгации может происходить только при соблюдении ряда условий.
Рис. 4-17. Hfr-конъюгация. Hfr-бактерии функционируют при конъюгации как доноры. Перенос ДНК осуществляется линейно и начинается с удвоения места включения F-фактора (то есть с удвоения точки начала переноса — ТНП).
• На поверхности реципиентных бактерий должны быть рецепторы пилей, имеющие существенное сродство ( к F-пилям, что позволяет образовать стабильную связь между пилями и рецепторами.
• Для эффективной конъюгации у F-фактора должна быть точка начала репликации, распознаваемая репликативными системами хозяина.
• Эффективность Hfr-конъюгации зависит от величины гомологии ДНК. Перенос негомологичного хромосомного материала донора не приведёт к его интеграции с ДНК реципиента.
Конъюгация у бактерий
Содержание
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.
Конъюгация между видами с различным классификационным положением
Для успешной конъюгации бактериальные клетки не обязательно должны принадлежать к одному виду. Показана даже возможность передачи посредством конъюгации генов от бактерий эукариотам: растениям и грибам. Например, бактерии рода Agrobacterium (семейство Rhizobia) содержит Ti и Ri плазмиды, которые переносятся в клетки растений, внедряются в ядро и изменяют их метаболизм, в результате чего клетки начинают вырабатывать опины, которые Agrobacterium использует как источник углерода и энергии. В Ti и Ri плазмидах существуют две системы генов, кодирующих свой перенос. Это vir гены для переноса в растения и tra гены для переноса в другие бактерии.
Конъюгативный перенос у основного лабораторного штамма бацилл – Bacillus subtilis 168
Что такое конъюгация у бактерий
11. Механизмы передачи генетического материала у бактерий: конъюгация, трансдукция, трансформация.
Рекомбинация между геномами бактерий осуществляется 3-мя механизмами: конъюгацией, трансдукцией и трансформацией
Трансформация – передача генетической информации через выделенную из клетки-донора ДНК.
1928г. Ф Гриффит (опыт с вирулентнотью пневмококков)
По происхождению ДНК может быть плазмидной или хромосомной и нести гены, трансформирующие реципиента. Подобным путем среди бактериальных популяций могут распространять гены, кодирующие факторы вирулентности, однако в обмене генетической информацией трансформация играет незначительную роль.
Трансформирующей активностью обладает только двунитчатая высокоспирализованная ДНК.
В клетку-реципиент проникает только одна нить ДНК, другая – в клеточной мембране подвергается деградации с освобождением энергии, необходимой для проникновения в клетку второй нити ДНК.
Интеграция с хромосомой требует наличия гомологичных участков с трансформирующей ДНК.
Процесс трансформации зависит от компетентности клетки-реципиента и состояния трансформирующей донорской ДНК.
Компетентность клеток бактерий (способность воспринимать трансформирующую ДНК) зависит от присутствия в ЦПМ особых белков, обладающих специфическим аффинитетом к ДНК. Компетентность зависит от фазы роста бактериальной культуры, вида бактерий. Может увеличиваться при обработке культуры раствором хлорида кальция при пониженной температуре.
Трансформация служит хорошим инструментом для картирования хромосом, поскольку трансформированные клетки включают различные фрагменты ДНК. Определение частоты одновременного приобретения двух заданных характеристик (чем ближе расположены гены, тем более вероятно, что они оба включатся в один и тот же участок ДНК) дает информацию о взаиморасположении соответствующих генов в хромосоме.
Трансформация является основным методом генной инженерии, используемым при конструировании рекомбинантных штаммов с заданным геномом.
Трансдукция – передача бактериальной ДНК посредством бактериофага.
1952г. Дж. Ледебург и Н. Циндер (опыты с сальмонеллами)
· Общая (неспецифическая) трансдукция – перенос бактериофагом фрагмента любой части бактериальной хромосомы. Феномен неспецифической трансдукции может быть использован для картирования бактериальной хромосомы.
● Специфическая трансдукция – фаговая ДНК интегрирует в бактерию с образованием профага. При исключении ДНК фага из бактериальной хромосомы захватывается прилегающий к месту включения фаговой ДНК фрагмент бактериальной хромосомы. Специфическая трансдукция может служить механизмом переноса вирулентных генов среди бактерий при условии, что эти гены локализованы в непосредственной близости от мест интеграции профага.
● Абортивная трансдукция . При абортивной трансдукции внесенный фрагмент ДНК донора не встраивается в хромосому реципиента, а остается в цитоплазме и там самостоятельно функционирует. Впоследствии он передается одной из дочерних клеток (т.е. наследуется однолинейно) и затем теряется в потомстве.
Биологическое значение конъюгации хорошо видно на примере распространения резистентности бактерий к антибиотикам. Устойчивость к антибиотикам бактерия может получить в результате мутации, что происходит 1 раз на каждые 106 клеточных делений. Изменившаяся генетическая информация может быстро распространяться среди сходных бактерий посредством конъюгации.
КОНЪЮГАЦИЯ У БАКТЕРИЙ
КОНЪЮГАЦИЯ У БАКТЕРИЙ (лат. conjugatio соединение; бактерии) — форма обмена генетическим материалом между бактериями при их клеточном контакте. К. у б. была обнаружена в 1946 г. Ледербергом (J. Lederberg) и Тейтемом (E. L. Tatum) при исследовании штаммов двойных и тройных ауксотрофных мутантов Е. coli К12 (см. Ауксотрофность, Ауксотрофные микроорганизмы). Смешивая культуры двух штаммов, для роста одного из которых было необходимо добавление в среду метионина (Met-) и биотина (Bio-), а для роста другого — треонина (Thr-), лейцина (Leu-) и тиамина (Thi-), и высевая затем образцы смешанных культур на минимальную, т. е. не содержащую необходимых соединений среду, они обнаружили на ней колонии прототрофных бактерий (Met+, Bio+, Thr+, Leu+, Thi+). Частота проявления таких бактерий была равна 1 на каждые 10 7 высеянных родительских клеток. Дальнейшее изучение показало, что они являются генетическими рекомбинантами, т. е. клетками, несущими комбинацию генов родительских клеток (см. Рекомбинация, у бактерий). В последующих экспериментах, включая электронно-микроскопические наблюдения, было установлено, что обязательным условием для формирования таких рекомбинантов является непосредственный контакт между двумя генетически различающимися бактериями (рис. 1).
Важную роль в осуществлении начальных этапов К. у б. играют, очевидно, специфические нитевидные образования на поверхности клеток-доноров, в т. ч. «половые ворсинки» (F-ворсинки, F-пили), синтез которых контролируется генами F-фактора.
Несмотря на то, что К. у б. детально изучена лишь на примере производных авирулентного штамма Е. coli К12, это явление имеет, вероятно, исключительно важное значение в эволюции различных видов бактерий, обеспечивая им широкий спектр комбинативной изменчивости (см. Бактерии). Генетический обмен в форме конъюгации обнаружен у различных представителей родов Escherichia, Salmonella, Shigella, Vibrio, Pseudomonas, Pasteurella и др. Имеющиеся сведения о возможности скрещиваний доноров Е. coli К12 со штаммами Shigella, Salmonella, Pasteurella, Proteus и др. дают основание предполагать существенную роль межродовой гибридизации в возникновении атипичных форм патогенных бактерий. Большой практический интерес представляют также экспериментальные данные о передаче при внутривидовых, межвидовых и межродовых скрещиваниях различных бактерий конъюгативных плазмид, несущих детерминанты лекарственной устойчивости, бактериоциногенности, гемолитической активности, токсигенности, антигенных свойств и др. Эффективность экспериментальных скрещиваний бактерий в организме различных лабораторных животных позволяет считать, что К. у б. может происходить не только в окружающей среде, но и в организме человека и с.-х. животных.
Феномен конъюгации широко используется в генетике бактерий с целью картирования генов, т. е. определения их локализации на бактериальной хромосоме. На основании результатов прерываемых скрещиваний серии штаммов Hfr, клетки которых переносили реципиентам различные, но перекрывающие друг друга хромосомные сегменты, был сделан вывод о замкнутой (кольцевой) структуре хромосомы Е. coli К12 и составлена ее генетическая карта. Аналогичная карта построена для Hfr-штаммов Salmonella typhimurium, которые были получены при скрещиваниях с Е. coli К12 Hfr. Подобным же образом получены Hfr-штаммы шигелл и условно-патогенных эшерихий. Оригинальные конъюгативные плазмиды, способные обеспечивать эффективный хромосомный перенос, обнаружены у штаммов Vibrio cholerae, Pseudomonas aeruginosa и других патогенных бактерий. В результате таких исследований создаются предпосылки для проведения генетического анализа вирулентных, антигенных и других свойств бактерий.
Библиография: Браун В. Генетика бактерий, пер. с англ., М., 1968, библиогр.; Г о л ь д ф а р б Д. М. Введение в генетику бактерий, М., 1966, библиогр.; Мейнелл Г. Бактериальные плазмиды, пер. с англ., М., 1976, библиогр.; Пехов А. П. Генетика бактерий, М., 1977, библиогр.; X э й e У. Генетика бактерий и бактериофагов, пер. с англ., М., 1965, библиогр.
Бактериальная конъюгация передача генетического материала между бактериальные клетки посредством прямого межклеточного контакта или мостикового соединения между двумя клетками. [1] Это происходит через пилус. [2] Это парасексуальный способ размножения бактерий.
Это механизм горизонтальный перенос генов так же как и трансформация и трансдукция хотя эти два других механизма не связаны с межклеточным контактом. [3]
Классический Кишечная палочка бактериальная конъюгация часто рассматривается как бактериальный эквивалент половое размножение или же вязка поскольку это предполагает обмен генетическим материалом. Однако это не половое размножение, поскольку обмена гамет не происходит, да и вообще нет. создание нового организма: вместо этого существующий организм трансформируется. Во время классической Кишечная палочка сопряжение донор клетка обеспечивает конъюгативный или мобилизуемый генетический элемент, который чаще всего является плазмида или же транспозон. [4] Большинство конъюгативных плазмид имеют системы, обеспечивающие получатель ячейка еще не содержит подобный элемент.
Передаваемая генетическая информация часто приносит пользу получателю. Преимущества могут включать устойчивость к антибиотикам, ксенобиотик толерантность или умение использовать новые метаболиты. [5] Другие элементы могут быть вредными и могут рассматриваться как бактериальные. паразиты.
Спряжение в кишечная палочка спонтанным зигогенезом [6] И в Микобактерии смегматис распределительной супружеской передачей [7] [8] отличаются от более изученных классических Кишечная палочка конъюгация в том смысле, что эти случаи включают существенное смешение родительских геномы.
Содержание
История
Процесс был обнаружен Джошуа Ледерберг и Эдвард Татум [9] в 1946 г.
Механизм
В F-плазмида является эписома (плазмида, которая может интегрироваться в бактериальный хромосома к гомологичная рекомбинация) длиной около 100 kb. Он несет в себе начало репликации, то oriV, и происхождение перевода, или ОРИТ. [4] В данной бактерии может быть только одна копия F-плазмиды, свободная или интегрированная, и бактерии, обладающие такой копией, называются F-положительный или же F-plus (обозначается F + ). Клетки, в которых отсутствуют плазмиды F, называются F-отрицательный или же F-минус (F − ) и как таковые могут функционировать как клетки-получатели.
Помимо другой генетической информации, F-плазмида несет тра и trb локус, которые вместе имеют длину около 33 КБ и состоят из около 40 гены. В тра локус включает пилин ген и регуляторные гены, которые вместе образуют пили на поверхности клетки. Локус также включает гены белки которые прикрепляются к поверхности F − бактерии и инициируют конъюгацию. Хотя есть некоторые споры о точном механизме конъюгации, похоже, что пили не являются структурами, через которые происходит обмен ДНК. Это было показано в экспериментах, в которых пилусам позволяют контактировать, но затем они денатурированный с SDS и все же трансформация ДНК все еще продолжается. Несколько белков, закодированных в тра или же trb locus, по-видимому, открывает канал между бактериями, и считается, что фермент traD, расположенный в основании пилуса, инициирует слияние мембран.
Когда конъюгация инициируется сигналом, релаксаза фермент создает Ник в одной из цепей конъюгативной плазмиды на ОРИТ. Релаксаза может работать самостоятельно или в комплексе из более чем десятка белков, известных под общим названием релаксосома. В системе F-плазмиды фермент релаксазы называется TraI, а релаксосома состоит из TraI, TraY, TraM и интегрированного фактора хозяина IHF. Надрезанная прядь, или Т-образная прядь, затем разматывается с неразрывной цепи и переносится в реципиентную клетку в направлении от 5′-конца к 3′-концу. Оставшаяся цепь реплицируется независимо от конъюгативного действия (вегетативная репликация начинается с oriV) или совместно с конъюгацией (конъюгативная репликация, аналогичная катящийся круг воспроизведение лямбда-фаг). Для конъюгативной репликации может потребоваться второй ник, прежде чем произойдет успешный перенос. В недавнем отчете утверждается, что он ингибировал конъюгацию с химическими веществами, которые имитируют промежуточный этап этого второго события пощипывания. [10]
Если переносимая F-плазмида была ранее интегрирована в геном донора (продуцируя штамм Hfr [«Высокая частота рекомбинации»]), часть хромосомной ДНК донора также может быть перенесена с плазмидной ДНК. [3] Количество передаваемой хромосомной ДНК зависит от того, как долго две конъюгированные бактерии остаются в контакте. В обычных лабораторных штаммах Кишечная палочка перенос всей бактериальной хромосомы занимает около 100 минут. Затем перенесенная ДНК может быть интегрирована в геном реципиента через гомологичная рекомбинация.
Культура клеток, которая содержит в своей популяции клетки с неинтегрированными F-плазмидами, обычно также содержит несколько клеток, которые случайно интегрировали свои плазмиды. Именно эти клетки ответственны за низкочастотный перенос хромосомных генов, происходящий в таких культурах. Некоторые штаммы бактерий с интегрированной F-плазмидой можно выделить и выращивать в чистой культуре. Поскольку такие штаммы очень эффективно переносят хромосомные гены, их называют Hfr (часкайф жтребование рэкомбинация). В Кишечная палочка геном был первоначально картирован в ходе экспериментов по прерванному спариванию, в которых различные клетки Hfr в процессе конъюгации были оторваны от реципиентов менее чем через 100 минут (первоначально с использованием блендера Waring). Затем были исследованы переданные гены.
Спонтанный зигогенез в Кишечная палочка
В дополнение к классической бактериальной конъюгации, описанной выше для Кишечная палочка, форма конъюгации, называемая спонтанным зигогенезом (сокращенно Z-спаривание), наблюдается у некоторых штаммов Кишечная палочка. [6] При Z-спаривании происходит полное генетическое смешение и нестабильное диплоиды образуются, которые отбрасывают фенотипически гаплоидные клетки, некоторые из которых показывают родительские фенотип и некоторые верны рекомбинанты.
Конъюгальный перенос микобактерий
Спряжение в Микобактерии смегматис, как спряжение в Кишечная палочка, требует стабильного и продолжительного контакта между донором и штаммом-реципиентом, устойчив к ДНКазе, а перенесенная ДНК встраивается в хромосому реципиента путем гомологичной рекомбинации. Однако в отличие от Кишечная палочка Конъюгация Hfr, микобактериальная конъюгация основана на хромосоме, а не плазмиде. [7] [8] Кроме того, в отличие от Кишечная палочка Конъюгация Hfr, в М. смегматис все участки хромосомы переносятся с сопоставимой эффективностью. Длина донорских сегментов сильно различается, но средняя длина составляет 44,2 КБ. Поскольку в среднем переносится 13 участков, среднее количество перенесенной ДНК на геном составляет 575 КБ. [8] Этот процесс называется «распределительный супружеский перенос». [7] [8] Gray et al. [7] обнаружили существенное смешение родительских геномов в результате конъюгации и считали, что это смешение напоминает то, что наблюдается в мейотических продуктах полового размножения.
Передача между королевствами
Бактерии, относящиеся к фиксация азота Ризобия представляют собой интересный случай меж-Королевство спряжение. [14] Например, индуцирующая опухоль (Ti) плазмида Агробактерии и плазмида, индуцирующая корневую опухоль (Ri) A. rhizogenes содержат гены, которые способны передаваться в клетки растений. Экспрессия этих генов эффективно превращает растительные клетки в высказывать мнение-производящие заводы. Опины используются бактериями как источники азота и энергии. Форма инфицированных клеток коронный галл или же опухоли корня. Таким образом, плазмиды Ti и Ri являются эндосимбионты бактерий, которые, в свою очередь, являются эндосимбионтами (или паразитами) зараженного растения.
Плазмиды Ti и Ri также могут передаваться между бактериями с помощью системы ( тра, или же передача, оперон), которая отличается и не зависит от системы, используемой для передачи между королевствами ( Вир, или же вирулентность, оперон). Такие передачи создают вирулентные штаммы из ранее невирулентных штаммов.