Трансдукция - это перенос генетического материала из одной бактериальной клетки в другую бактериофагом. Трансдукция была открыта в 1952 г. Н. Циндером и Е. Ледербергом на двух ауксотрофных мутантах Salmonella typhimurium. Опыт проводился в {/-образной трубке, разделенной стеклянным ультратонким пористым фильтром. В одну часть ее помещали гистидин - зависимый штамм 2А, в другую - триптофан - зависимый штамм 22А. Спустя некоторое время в культуре штамма 22А появлялись прототрофы, синтезирующие триптофан. Было установлено, что штамм 22А содержал фаг (Р22), способный лизировать клетки штамма 2А. Проникая через стеклянный фильтр, фаг Р22 лизировал клетки штамма 2А. При этом высвобождался неизвестный агент, названный фильтрующимся. Этот агент проходил через фильтр и сообщал некоторым клеткам штамма 22А способность к синтезу триптофана. Поэтому при высеве культуры 22А на среду, не содержащую триптофан, появлялся рост этой культуры.
Изучение величины (по размерам пор фильтра), скорости седиментации, чувствительности к нагреванию этого фильтрующегося агента показало, что он идентичен таковыми фага Р22. На основании этого было сделано заключение, что содержащийся в культуре 22А фаг проходил через фильтр, инфицировал чувствительные к нему клетки штамма 2А и в процессе репродукции в состав своего генома включал фрагмент хромосомы бактерий этого штамма. Высвободившись из лизированных клеток, фаг проходил обратно в колено трубки, где были клетки штамма 22А. При инфицировании этих клеток фаг передавал им унесенный фрагмент хромосомы клеток штамма 2А, которые были независимы по триптофану. В результате интеграции этого фрагмента в хромосому клеток штамма 22А образовывались прототрофные рекомбинанты. В культуре штамма 2А прототрофы не появлялись, так как клетки лизировались.
Фаг может переносить гены, ответственные за различные свойства клетки: устойчивость к антибиотикам, токсинообразова- ние, прототрофность. При трансдукции, как и при трансформации, переносятся только небольшие фрагменты ДНК - не более 1/100 длины бактериальной хромосомы.
Трансдуцирующими свойствами обладают только некоторые умеренные фаги, а именно: фаги, которые несут в составе своего генома фрагмент бактериальной хромосомы. Эти фаги дефектны: они не содержат полный набор собственных генов. Часть их генов остается в хромосоме бактерий (вместо взятых генов хромосомы).
Различают три типа трансдукции: общую, или неспецифическую, специфическую и абортивную.
Тип трансдукции определяется условиями формирования трансдуцирующих фагов.
Общая трансдукция осуществляется фагами, которые образуются в ходе литического цикла. При внутриклеточном размножении фага происходит разрушение бактериальной хромосомы и отдельные случайные фрагменты ее включаются в созревающие частицы фага. Размер включенного фрагмента определяется емкостью головки фага. Например, трансдуцирующий фаг Р1 включает 2,3 % хромосомы Е. coli, фаг Р22, геном которого в 2,3 раза меньше, чем у Р1 (следовательно, и емкость головки также меньше), включает 1 % хромосомы сальмонелл. У отдельных трансдуцирующих фагов вся их ДНК может быть заменена на бактериальную. Поэтому такие фаги могут переносить любые хромосомные гены и включаться в любой участок хромосомы реципиента. Фаги, обеспечивающие такую трансдукцию, могут переносить гены, контролирующие пищевые потребности бактерий, ферментативные свойства, устойчивость к лекарственным препаратам, серологические и вирулентные свойства, т. е. любые свойства донорной клетки.
Специфическая трансдукция осуществляется фагами, образовавшимися в результате индукции лизогенных бактерий (например, облучением их УФ), либо при спонтанном освобождении профага из хромосомы. В общих случаях формирующийся фаг при исключении из хромосомы может включать в свой геном только рядом расположенный сегмент хромосомы, оставив часть своего генома в хромосоме. В отличие от фагов, осуществляющих общую трансдукцию, в геноме которых преобладает бактериальная ДНК, у фагов специфической трансдукции основную часть генома составляет фаговая ДНК. При лизогенизации чувствительных бактерий геном фага специфической трансдукции соединяется только с определенными участками i хромосомы бактерий, т. е. фаг имеет определенную точку прикрепления на хромосоме. Поэтому при освобождении такой фаг захватывает только рядом расположенную строго определенную область хромосомы бактерий и передает ее реципиентной клетке. Эта способность к специфической трансдукции была установлена у фага X Е. coli, который при лизогенизации клеток всегда фиксируется на бактериальной хромосоме рядом с генами, контролирующими ферментацию галактозы (галактокиназы и галактозилтрансферазы), и трансдуцирует их в клетку реципиента gal-. При специфической трансдукции клетка- реципиент получает строго определенные гены.
Абортивная трансдукция происходит так же, как и неспецифическая, но фрагмент хромосомы донора, привнесенный фагом в реципиентную клетку, не включается в хромосому и не реплицируется, а располагается в цитоплазме клетки. Этот фрагмент при делении клетки передается только одной дочерней клетке, и только эта клетка несет новое свойство, контролируемое привнесенным геном донорной клетки.
Трансдукцию необходимо отличать от фаговой конверсии. При трансдукции любого типа изменения происходят лишь в тех инфицированных фагом клетках, в которые была внесена ДНК бактерий-доноров, т. е. которые были инфицированы трансдуци- рующими фагами. Это весьма небольшое количество бактериальной популяции. Изменения, вызванные трансдуцирующими фагами, очень стойкие, передаются потомству и сохраняются даже тогда, когда клетка теряет фаг.
Фаговая, гаи лизогенная, конверсия - это изменения фенотипа (свойства клетки), обусловленные заражением клетки умеренным фагом. Изменения здесь вызывают гены фага. Они могут непосредственно контролировать синтез отдельного фрагмента или, взаимодействуя с бактериальными, приводить к изменению фенотипа клетки. Чаще всего фаговая конверсия затрагивает синтез или активность ферментов, контролирующих образование клеточных компонентов, что сопровождается изменениями морфологии колоний. Так, лизогенизация шероховатых штаммов микобактерий приводит к образованию гладких колоний. Изменение испытывают все инфицированные фагом клетки (при трансдукции - одиночные). При фаговой конверсии изменения фенотипа бактерий сохраняются до тех пор, пока в клетке присутствует фаг.
Специфическая трансдукция
Отличается от неспецифической тем, что в этом случае трансдуцирующие фаги всегда переносят только определенные гены, а именно, те из них, которые располагаются в хромосоме лизогенной клетки слева от attL или справа от attR. Специфическая трансдукция всегда связана с интеграцией умеренного фага в хромосому клетки-хозяина. При выходе (исключении) из хромосомы профаг может захватить ген с левого или правого фланга, например или gal, или bio. Но в этом случае он должен лишиться такого же размера своей ДНК с противоположного конца, чтобы ее общая длина оставалась неизменной (иначе она не может быть упакована в головку фага). Поэтому при такой форме исключения обр
Специфическую трансдукцию у E. coli осуществляет не только фаг лямбда, но и родственные ему лямбдоидные и другие фаги. В зависимости от места расположения сайтов attB на хромосоме они при своем исключении могут включать различные бактериальные гены, сцепленные с профагом, и трансдуцировать их в другие клетки. Встраивающийся в геном материал может замещать до 1 / 3 генетического материала фага.
Трансдуцирующий фаг в случае инфицирования реципиентной клетки интегрируется в ее хромосому и привносит в нее новый ген (новый признак), опосредуя не только лизогенизацию, но и лизогенную конверсию.
Таким образом, если при неспецифической трансдукции фаг является только пассивным переносчиком генетического материала, то при специфической фаг включает этот материал в свой геном и передает его, лизогенизируя бактерии, реципиенту. Однако лизогенная конверсия может произойти и в том случае, если геном умеренного фага содержит такие собственные гены, которые у клетки отсутствуют, но отвечают за синтез существенно важных белков. Например, способностью вырабатывать экзотоксин обладают только те возбудители дифтерии, в хромосому которых интегрирован умеренный профаг, несущий оперон tox. Он отвечает за синтез дифтерийного токсина. Иначе говоря, умеренный фаг tox вызывает лизогенную конверсию нетоксигенной дифтерийной палочки в токсигенную.
Метод агаровых слоев заключается в следующем. Вначале в чашку наливают слой питательного агара. После застывания на этот слой добавляют 2 мл расплавленного и охлажденного до 45 °C агара 0,7 %-ного, в который предварительно добавляют каплю концентрированной суспензии бактерий и определенный объем суспензии фага. После того как верхний слой застынет, чашку помещают в термостат. Бактерии размножаются внутри мягкого слоя агара, образуя сплошной непрозрачный фон, на котором хорошо видны колонии фага в виде стерильных пятен (рис. 84, 2). Каждая колония образуется за счет размножения одного исходного фагового вириона. Применение этого метода позволяет: а) путем подсчета колоний точно определить количество жизнеспособных фаговых вирионов в данном материале;
б) по характерным признакам (размер, прозрачность и др.) изучать наследственную изменчивость у фагов.
По спектру своего действия на бактерии фаги подразделяются на поливалентные (лизируют родственные бактерии, например поливалентный сальмонеллезный фаг лизирует почти все сальмонеллы), монофаги (лизируют бактерии только одного вида, например фаг Vi-I лизирует только возбудителей брюшного тифа) и типоспецифические фаги, которые избирательно лизируют отдельные варианты бактерий внутри вида. С помощью таких фагов производится наиболее тонкая дифференциация бактерий внутри вида, с разделением их на фаговарианты. Например, с помощью набора фагов Vi-II возбудитель брюшного тифа делится более чем на 100 фаговариантов. Поскольку чувствительность бактерий к фагам является относительно стабильным признаком, связанным с наличием соответствующих рецепторов, фаготипирование имеет важное диагностическое и эпидемиологическое значение.
Трансдукция была открыта Дж. Ледербергом и Н.Циндером в 1952 г. у Salmonella typhimurium и фага Р22.
Трансдукция – перенос генетической информации (хромосомных генов или плазмид) от клетки-донора к клетке-реципиенту, который осуществляется при участии бактериофагов. При трансдукции фрагменты хромосомы или плазмиды должны упаковаться в головку бактериофага; выйти в составе этой фаговой частицы из клетки-донора в результате ее лизиса и попасть в другую клетку (клетку-реципиент) при новом акте заражения. Белковый капсид фаговой головки предохраняет находящуюся в ней ДНК от разрушения внеклеточными нуклеазами. В этом отношении трансдуцирующая ДНК более «сохранна», чем «голая» ДНК при трансформации. Поскольку адсорбция хвостового отростка фага на рецепторах поверхности клетки видоспецифична, то и перенос генетического материала при трансдукции может происходить, в основном, между близкородственными бактериями.
При трансдукции размеры переносимого фрагмента ДНК определяются размерами головки бактериофага. Различные фаги могут переносить фрагменты ДНК от 20 до 40 т. п. н. Таким образом, при трансдукции передаются как единичные гены, как и сцепленные маркеры. Рекомбинанты, получаемые при данном способе обмена генетической информацией, называются трансдуктантами .
Изучение трансдукции показало, что одни фаги могут переносить разные бактериальные гены, а другие – только определенные. В соответствии с этим принято выделять два типа трансдукции: 1) генерализованная (неспецифическая, или общая); 2) специфическая, или ограниченная.
При генерализованной трансдукции может переноситься любой бактериальный признак с частотой 10 –5 –10 –6 . Количество бактериальной ДНК, которое может переноситься фагом, обычно составляет 1–2 % всей ДНК, содержащейся в клетке. Исключение составляет бактериофаг РBS1 B. subtilis , который может трансдуцировать до 8 % генома хозяина. В осуществлении генерализованной трансдукции бактериальный вирус является только «пассивным» переносчиком генетического материала бактерий. Трансдуцирующие дефектные фаги содержат только фрагменты бактериальной ДНК. А генетическая рекомбинация у трансдуцируемых бактерий происходит по общим закономерностям рекомбинационного процесса.
Характерными особенностями специфической трансдукции являются: 1) каждый трансдуцирующий фаг передает только строго определенную, весьма ограниченную область бактериальной хромосомы; 2) фаг не только переносит генетический материал, но и обеспечивает его включение в бактериальную хромосому; 3) вирус включает ДНК бактерий в свой геном и передает ее, лизогенизируя бактерии-реципиенты.
Наиболее известным примером специфической трансдукции является трансдукция, осуществляемая фагом λ, который способен заражать клетки бактерий E. coli с последующей интеграцией его ДНК в геном бактерий.
Трансдукция имеет практическое использование:
Позволяет трансдуцировать плазмиды и короткие фрагменты хромосомы донора;
Для конструирования штаммов заданного генотипа, в частности изогенных штаммов. Изогенные штаммы, сконструированные при помощи генерализованной трансдукции, различаются только по участку хромосомы, переносимому трансдуцирующим фагом;
Для точного картирования бактериальных генов, установления порядка и их расположения в оперонах.
Вопросы для самоконтроля
1 Какие процессы могут происходить в клетке-реципиенте, после попадания вовнутрь нее донорной ДНК и перехода в состояние мерозиготы?
2 Что такое процесс трансформации? Какие стадии он включает?
3 Перечислите основные стадии процесса конъюгации.
4 Охарактеризуйте процесс трансдукции. Чем отличается специфическая трансдукция от генерализованной?
Практическое занятие 8
Цель: изучение основных способов генетического обмена у бактерий; выявление общих и отличительных особенностей процессов трансформации, конъюгации и трансдукции.
Материалы и оборудование : демонстрационные схемы (рисунки): а) мерозиготы; б) процесса трансформации; в) механизма бактериальной конъюгации; г) F-плазмиды бактерий E. сoli ; д) генерализованной трансдукции; ж) специфической трансдукции; электронная микрофотография конъюгирующих клеток E. сoli ; цветные карандаши.
Ход работы
В протоколе занятия:
1 Дать общую характеристику способам обмена генетической информацией у бактерий: указать три основных способа обмена генетической информацией, их общие особенности.
2 Нарисовать схему мерозиготы и показать два пути ее развития.
3 Охарактеризовать процесс трансформации согласно схеме описания: понятие трансформации, история открытия, этапы процесса трансформации, компетентность, практическое использование трансформации.
4 Составить графологическую схему «Стадии процесса трансформации», отразив в этой схеме по отдельности процесс трансформации: а) плазмидной ДНК; б) бактериальной ДНК.
5 Охарактеризовать процесс конъюгации согласно схеме описания: понятие конъюгации, история открытия, этапы процесса конъюгации, количество переносимой ДНК при конъюгации, практическое использование конъюгации.
6 Составить графологическую схему «Передача генетического материала при конъюгации», отразив в этой схеме по отдельности участие в качестве клеток-доноров: а) F + -доноров; б) доноров Hfr-типа.
7 Охарактеризовать процесс трансдукции согласно схеме описания: понятие трансдукции, история открытия, этапы процесса трансдукции, количество переносимой ДНК при трансдукции, типы трансдукции, практическое использование трансдукции.
8 Составить графологические схемы «Генерализованная трансдукция», «Специфическая трансдукция». Обратить внимание на существенные отличия между этими двумя типами трансдукции.
ограниченная (специфическая) трансдукция - Передача от бактериального донора бактериальному реципиенту с помощью бактериофага строго определенного фрагмента бактериальной ДНК, расположенного вблизи сайта интеграции бактериофага (как правило, нескольких генов); к бактериофагам,… … Справочник технического переводчика
У этого термина существуют и другие значения, см. Трансдукция. Трансдукция (от лат. transductio перемещение) процесс переноса бактериальной ДНК из одной клетки в другую бактериофагом. Общая трансдукция используется в генетике бактерий для… … Википедия
См. Трансдукция специфическая … Большой медицинский словарь
- (от лат. transductio перемещение) перенос генетического материала из одной клетки в другую с помощью вируса (См. Вирусы), что приводит к изменению наследственных свойств клеток реципиентов. Явление Т. было открыто американскими учёными Д … Большая советская энциклопедия
- (син. Т. локализованная) Т., при которой переносится строго определенный участок дезоксирибонуклеиновой кислоты бактерии … Большой медицинский словарь
Specialized (special, restricted) transduction ограниченная (специфическая) трансдукция. Передача от бактериального донора бактериальному реципиенту с помощью бактериофага строго определенного фрагмента бактериальной ДНК, расположенного вблизи… … Молекулярная биология и генетика. Толковый словарь.
Ограниченная трансдукция специфическая т - Ограниченная трансдукция, специфическая т. * абмежаваная трансдукцыя, спецыфічная т. * restricted transduction or special t. передача с помощью бактериофага от бактериального донора бактериальному реципиенту строго определенного фрагмента… … Генетика. Энциклопедический словарь
- (греч. baktērion палочка) одноклеточные микроорганизмы с примитивной цитоплазмой и ядром без ядрышка и ядерной оболочки. Относятся к прокариотам. Наряду с другими микроорганизмами широко распространены в почве воде, воздухе, заселяют… … Медицинская энциклопедия
Термин бактериофаг Термин на английском bacteriophage Синонимы фаги, вирусы бактерий Аббревиатуры Связанные термины биологические нанообъекты, ДНК, капсид, нанофармакология, векторы на основе наноматериалов Определение (от бактерии и греч. ????… … Энциклопедический словарь нанотехнологий
- (лат. transductio перенос, перемещение; Транс + ducto водить, вести) перенос бактериофагом генетического материала (участка дезоксирибонуклеиновой кислоты) от одной бактерии (донора) к другой (реципиенту); приводит к изменению генотипа бактерии… … Медицинская энциклопедия
Трансдукция - разновидность рекомбинативной изменчивости микроорганизмов, сопровождающаяся переносом генетической информации от донора к реципиентус помощью бактериофага. Перенос участков бактериальной хромосомы фагами был открыт в 1951г. Ледербергом и Циндером у Salmonella typhimurium, впоследствииописана у многих родов бактерий: Salmonella, Escherichia, Shigella, Bacillus, Pseudomonas, Vibrio, Streptococcus, Slaphylococcus, Corynebacterium. Капсидная оболочка бактериофага защищает ДНК от действия нуклеаз, поэтому трансдукция, в отличие от трансформации, не чувствительна к нуклеазам. Трансдукцию осуществляют умеренные фаги . Они переносят лишь небольшой фрагмент генома клетки хозяина, и как правило, среди особей одного вида, но возможен и межвидовой перенос генетической информации, если бактериофаг имеет широкий спектр хозяев.
В зависимости от исхода взаимодействия фага с бактерией выделяют литические и умеренные фаги.
Литические (вирулентные) фаги впрыскиваютнуклеиновую кислоту в клетку и репродуцируются в ней, после чего покидают клетку путем лизиса.
Лизогенные, или умеренные фаги , инъецировав свою ДНК в клетку, могут вести двояко: 1) начать цикл репродукции и покинуть клетку путем лизиса; 2) интегрировать свою генетическую информацию в геном бактерии и в его составе передаваться дочерним клеткам. Фаги, встроенные в геном бактерий, называют профагами , а бактерии со встроенными в геном фагами, - лизогенными. В результате действия факторов, прерывающих лизогению (УФ, ионизирующей радиация, химические мутагены), вновь синтезируются вирусные частицы, которые покидают клетку. Примером умеренного фаг является фаг l, поражающий E. coli . Этапы его трансдукции:
- Адсорбция фага к рецепторам на поверхности E. coli .
- Проникновение хвостовой части фага через клеточную стенку и инъекция ДНК в клетку-хозяина.
- Рекомбинация кольцевой молекулы ДНК фага с ДНК хозяина и установление лизогении (фаговая ДНК находится в интегрированном состоянии).
- Передача профага дочерним клеткам в процессе размножения E. coli . Чем больше делений, тем большее количество клеток содержит бактериофаг.
- Окончание лизогении. ДНК бактериофага вырезается из бактериальной хромосомы. Происходит синтез вирусных белков и репликация ДНК фага, сопровождающиеся созреванием вирусных частиц и их выходом из клетки путем ее лизиса. Во время вырезания бактериофаг может захватывать близлежащие бактериальные гены, которые в последующем попадают в клетку реципиента.
- Встраивание генома бактериофага, несущего бактериальные гены, в ДНК бактерии-реципиента. В зависимости от места встраивания бактериофага выделяют следующие виды трансдукции:
a. Неспецифическую (общую). Бактериофаг может встраиваться в любом месте генома бактерии и потому способен переносить любой фрагмент ДНК хозяина.
b. Специфическую. Бактериофаг встраивается в строго определенные места генома бактерии, а потому переносит лишь строго определенные фрагменты ДНК.
c. Абортивную . Участок бактериальной хромосомы донора, перенесенный бактериофагом, не вступает в рекомбинацию с хромосомой реципиента, а остается вне хромосомы. Происходит транскрипция перенесенной ДНК (на это указывает синтез соответствующего генного продукта), но не репликация. В процессе деления клетки донорский фрагмент переходит только в одну из дочерних клеток и со временем утрачивается.