Трансформация и трансдукция были описаны в разное время. Последняя была открыта в 1952 г. В статье рассмотрим, какие существуют виды трансдукции, какими особенностями они обладают и где используется это явление.
Первые исследования
В студенческие годы Н. Циндер, работая в лаборатории Ледерберга, занимался изучением наличия конъюгации у Salmonella typhimurium. Он использовал 20 моноауксотрофных ее штаммов. При попарном их смешивании ученый пытался обнаружить прототрофное потомство. В 9 случаях из 79 комбинаций были выявлены клоны таких клеток. В связи с тем, что ни один из первоначальных штаммов не образовывал репертантов на минимальной среде, Цингер сделал вывод о том, что между ними осуществляется конъюгация, во время которой передается наследственная информация.
Чтобы подтвердить гипотезу, вместе с Ледербергом он повторил эксперимент Дэвиса с использованием U-образной пробирки, разделенной фильтром из стекла, не пропускавшим клетки микроорганизмов. В исследовании использовались штаммы Salmonella typhimurium 2Ahis– и 22Atrp–. В одну ветвь пробирки вносилась культура штамма 22А, в другую – 2А. Обе были в концентрации 1•108 кл/мл. После периода инкубации в части с содержанием штамма 22А были выявлены прототрофные клетки. Они образовывались с частотой 1•10-5. В другой ветви пробирки прототрофные клетки отсутствовали.
Результаты эксперимента не подтвердили гипотезу о конъюгационном переносе информации у штаммов 22А и 2А.
Трансдукция: опыт
При последующей проверке было выявлено, что штамм 22А инфицирован фагом Р22. Он способен заражать и лизировать клетки Salmonella typhimurium 2А. Проникнув через фильтр, он инфицировал клетки, репродуцировался и растворял их. Вместе с этим происходило высвобождение фильтрующего агента (как его назвали Ледерберг и Цингер). Он, в свою очередь, проникал через стекло. Под воздействием фильтрующего агента некоторые клетки в штамме 22А приобретали специфические наследственные признаки. Они были аналогичны тем, которые присутствовали в штамме 2А, из которого выделялся ФА.
В частности выявилась способность к синтезу триптофана. Было определено, что активность фильтрующего агента не теряется в процессе обработки его ДНКазой. Это исключало вероятность трансформации. При этом установлено, что свойства фильтрующего агента идентичны характеристикам фага Р22. Из этого был сделан вывод, что последний переносит информацию от штамма 22А к 2А, что выступало в качестве доказательства наследственной роли нуклеиновых кислот.
Трансдукция как понятие была введена для обозначения этого явления передачи генетических данных.
Специфика процесса
Трансдукция – это специфичное явление, при котором осуществляется перенос генетической информации от клетки-донора к клетке-реципиенту при помощи фага. Оно основано на том, что в ходе размножения фагов могут формироваться их частицы. Вместе с ДНК или вместо нее они включают и другие фрагменты и были названы трансдуцирующими. По своим адсорбционным свойствам и морфологии они аналогичны обычным фаговым вирионам. Однако если они инфицируют новые клетки, происходит передача генетических детерминантов прошлого хозяина. Механизм трансдукции, таким образом, заключается в следующем. Для передачи генетических детерминантов необходимо провести размножение фага на клетках штаммо-донора. После этого следует полученный фаголизат ввести в клетки реципиента. Выбор трансдуктантов осуществляется на селективных средах. В них исходные клетки-реципиенты расти не могут.
Классификация
При изучении явления было установлено, что одни фаги обладают способностью передавать различные гены, а другие – только конкретные. В соответствии с этим, выделяется два типа переноса данных:
- Генерализованная трансдукция. Это явление предполагает передачу любого фрагмента хромосомы.
- Специфический перенос. В этом случае передаются только определенные гены.
Неспецифический (генерализованный) процесс
Какими особенностями в этом случае обладает трансдукция? Это явление имеет место при наличии вируса, выступающего только в качестве переносчика материала. Один из них - упомянутый фаг Р22. С ним работали Ледерберг и Цингер. Кроме этого, фаги, которыми осуществляется генерализованная трансдукция, - это PBS1 B. Subtilis, Р1 E. Coli и проч. Процесс протекает при участии дефектных их частиц. Формирование этих элементов происходит при репродукции фагов в сопровождении распада бактериальной хромосомной ДНК. Необходимо отметить, что их образование может иметь место и при литическом развитии, и после индукции профага. В определенное количество частиц при этом упаковывается бактериальная ДНК. Величина ее фрагментов не больше размера головки. При этом упаковываться могут различные части бактериальной хромосомы. Фаговые частицы, которые несут фрагменты ДНК, именуются дефектными.
Рекомбинация
Если фаголизатом, в котором присутствуют как нормальные, так и трансдуцирующие фрагменты, обработать клетки реципиентного штамма, то инфицирование их нормальным фагом приводит обычно к лизису (растворению). Но некоторые клетки заражают дефектные компоненты. В структуры поступают короткие части двунитевой ДНК от донора. При этом циркуляризации не происходит. Другими словами, линейные фрагменты от ДНК донора рекомбинируют с ДНК от реципиента. Этот процесс контролируется recA-геном. Таким образом, он представляет собой общую гомологичную рекомбинацию, которая осуществляется посредством реципрокного (взаимного) обмена соответствующими гомологичными частями.
Специфический процесс
Трансдукция этого типа была обнаружена в 1956 г. Ее особенностью является то, что каждый фаг передает очень ограниченную, определенную область хромосомы. Если при неспецифической трансдукции фаг – "пассивный" переносчик генетического материала, а рекомбинация протекает по общим закономерностям, то в этом случае он не только передает информацию, но и обеспечивает ее вхождение в хромосому. Самым известным примером выступает процесс, осуществляемый фагом λ. Он способен инфицировать клетки E. Coli с дальнейшей интеграцией ДНК в геном. Этот умеренный фаг при лизогенезации бактерий при сайт-специфической рекомбинации (при которой осуществляется разрыв и перекрестное соединение цепей молекулы) встраивается в хромосому исключительно на одном участке – между bio- и gal-локусами. Предположительно, это обуславливается "неправильным" формированием петли в ходе дезинтеграции профага. Вследствие этого область генома, прилегающая к нему, выщепляется из структуры хромосомы и переходит в состав свободного фага. Встраиваемый материал способен заместить до 1/3 генетической информации. После упаковки ДНК фага формируются дефектные частицы.
Направления использования
Трансдукция бактерий может применяться:
- При конструировании штаммов определенного генотипа, изогенных, в частности. В этом случае небольшая величина передаваемых частиц обеспечивает преимущество трансдукционного процесса перед конъюгационным. Изогенные штаммы, сформированные с помощью генерализационной передачи материала, отличаются только по тому участку хромосомы, который переносится дефектным фагом.
- Для точного картирования генов бактерий, установления порядка их размещения в оперонах, тонкой структуры некоторых детерминант. Это осуществляется посредством комплементационного теста. Установлено, что для синтезирования определенных продуктов требуется работа нескольких генов. Например, процесс определяется компонентами структур а и b. Допустим, имеется 2 фенотипически аналогичных мутанта, которые неспособны к синтезу фермента. При этом неизвестно, отличаются ли они генетически. Для идентификации генотипа осуществляется трансдукция, то есть размножение фага на клетках в одной популяции с последующим заражением элементов второй. Если при выведении на селективную среду образуются и большие и маленькие колонии трансдукантов, делается вывод, что локализация мутаций находится в разных генах.
- При трансдуцировании плазмидов и коротких фрагментов хромосом донора.
Дополнительно
В литературе часто используется также такое понятие, как "сигнальная трансдукция". Она представляет собой передачу сигнала. Процесс проходит по определенной схеме. Сначала внешний агент вступает во взаимодействие с клеточным рецептором. После этого активируется эффекторная молекула. Она располагается в мембране и отвечает за образование вторичных посредников. Их генерация способствует активации белков-мишеней. Они, в свою очередь, запускают следующих посредников.
