Генетическая трансдукция — это перенос ДНК бактерий из одной клетки в другую с помощью бактериофага. В этом процессе ведущая роль принадлежит вириону, который является трансдукционной частицей. В результате происходит изменение наследственных признаков.
История исследования
Процесс перемещения ДНК был установлен американскими исследователями Д. Ледербергом и Н. Циндером в 1952 г. Ученые изучали функции и строение бактерии Salmonella typhimurium и фага Р22. В результате проведенных опытов они пришли к выводу: происходит генетический обмен между микроорганизмами, не способными к синтезу соединений, и прототрофами.
В ходе эксперимента в клетке наблюдали вегетативный рост профага. Через некоторое время образовавшиеся частицы фага проникали в ауксотрофный вид и переносили в его клетки гены своего прежнего хозяина.
Реакции фагов
Вирионы, избирательно уничтожающие бактериальные клетки, перемещают генетический материал от донора, в котором размножался возбудитель, к реципиенту, зараженному фагом. Вирус Х переносит лишь избранные гены — gal и Ыо. Носитель вирусных частиц проникает в фазу генома фага, внедренную в хромосомную часть ДНК зараженной клетки.
Вирусная ДНК отделяется от бактериальной нуклеопротеидной структуры, несущей наследственную информацию. Возможно ошибочное деление вирусной ДНК. В этом случае ее фрагмент сохранится в нуклеопротеиде, но гены основной зиготы будут уничтожены. Главная причина появления неточности — неправильное перераспределение генетического материала.
Фаги уничтожают бактериальную структуру, используя литический или лизогенный метод,
Генетика фагов изучает мутации вирионов Та и Ти, а также физические и химические свойства фагов F1 и I2. Мутанты вирионов чувствительны к колебаниям температуры. К ним принадлежат фаг ts и холодочувствительный вирус es. Они размножаются и разрушают клетки при высокой температуре.
Литическая
Клеточный процесс сложный. Вирионы Т (Т2, Ти, Т6) содержат в ДНК вещество 5-гидроксиметилцитозин. Измененные формы фага способны к репродукции за счет заблокированных фаз. В вирионах-мутантах различные части расположены в четкой последовательности.
Фаги не способны двигаться. В результате взаимодействия вириона и взвеси бактерий частицы фага после столкновения с клетками остаются на их поверхности и вводят в структурную единицу бактерии свою ДНК.
Через несколько часов часть клеток разрушается. Вирусы, участвующие в литической фазе, становятся вирулентными.
На последней стадии литического процесса протеиновые частицы окружают нуклеиновую кислоту, формируя новые фаги.
Лизогенная
Умеренные вирусы взаимодействуют с микроорганизмами. Нуклеиновая кислота, находящаяся внутри бактериальной структурной единицы, внедряется в геном. В течение длительного периода наблюдают сосуществование вируса и клетки, не сопровождающееся гибелью структурной единицы.
При изменении условий среды вирус проникает в клетку. Начинается развитие активной стадии заболевания. Клетка, содержащая геном вириона, встраивающийся в хромосомную ДНК бактерии, называется лизогенной. Процесс сопровождается мутацией наследственной структурной единицы.
Умеренный фаг обладает способностью к заражению, которая определяется ДНК-связывающими свойствами белка. Лизогения меняет наследственные признаки бактериальной клетки.
Трансдукционное картирование
При переносе бактериальной ДНК вирионы размножаются на чувствительных клетках донора. Для мутагенного ДНК-связывающего белка, содержащего фрагмент нуклеопротеида и несущего наследственную информацию, проводят идентификацию донора и хозяина по нескольким признакам. Для установления сцепления используют отборное скрещивание.
Вирус размножают на штамме, имеющем фенотип Itr+Leu+, и заражают им клетки хозяина, которые нуждаются в аминокислотах.
После обработки вирионом структурные единицы организма помещают в питательную среду, не содержащую треонина. В питательной смеси не происходит рост гибридной нуклеиновой кислоты, но образуются структурные единицы, получившие часть хромосомы донора с многофакторным наследственным материалом.
На этом же участке может располагаться второй ген, встречаются двойные Iht+Leu+. Их можно обнаружить, поместив колонии трансдуктантов в питательную среду, не содержащую лейцина. Аминокислоту используют как неселективный отборный материал, необходимый для установления котрансдукции.
Общая (неспецифическая) трансдукция
Вирус Р1, находящийся в структурной единице хозяина в виде плазмиды, а также фаги Р22 и Ми осуществляют неспецифическое перемещение бактериальной ДНК. Вирусы Р22 и Ми встраиваются в любой участок нуклеопротеидной структуры инфицированной зиготы.
Усиление генной структуры фага сопровождается проникновением части ДНК бактерии в его структуру. ДНК вириона в капсиде отсутствует. Величина этого участка равна длине стандартной вирусной ДНК.
Проникая в иную клетку, часть ДНК попадает в состав генетического материала после соответствующей рекомбинации. Перенесенные вирусом небольшие молекулы ДНК образуют кольцо и подвергаются репликации в новой бактериальной структурной единице.
События в клетке реципиента
Частицы, появившиеся в результате трансдукции, доставляют ДНК в клетки бактерий. Инфекционный процесс не развивается, т.к. наследственные факторы, отвечающие за воспроизведение фага, отсутствуют.
ДНК, принадлежащая донору, придерживается одного из двух путей развития: прикрепляется к хромосоме или остается в цитоплазме. Если часть ДНК не способна к процессу перекодирования, через некоторое время она разрушается.
Иногда отрезок ДНК удваивается самостоятельно и передается в другие поколения как носитель наследственных признаков, находящихся вне хромосомы.
Вирусы Р22 и Р1 принимают участие в двухниточной замене частей бактериальной хромосомы на вирусную ДНК. В клетку реципиента в процессе трансдукции попадает лишь 5% всей нуклеиновой кислоты.
Использование
Практическое применение вирусов основано на литическом воздействии фагов на бактерии. Вирион используют в следующих случаях:
- для лечения инфекционных болезней;
- с целью идентификации микроорганизмов, вызывающих холеру, сальмонеллез, дифтерию.
Вирионы используют для изучения генетики микроорганизмов. Лечение заболеваний антибиотиками не всегда приводит к желаемому результату, поэтому применяют фаготерапию.
Вирионы применяют в сельском хозяйстве, животноводстве, растениеводстве.
Бактериальные фаги имеют следующие достоинства: не влияют на рост микрофлоры живого организма, уничтожают устойчивые к лечению АБ патогенные микроорганизмы, не оказывают воздействия на формирование эукариотических клеток.
Специфическая трансдукция
Ученые изучили перенос бактериальной ДНК вирусом Л. Фаг располагается на att-участке нуклеопротеидной структуры Е.coli, имеющей одинаковую последовательность фосфорных эфиров.
В период выведения вириона его исчезновение часто сопровождается ошибкой: удаляется часть, по размеру равная фрагменту ДНК. Особенность процесса состоит в том, что начало обломка располагается в другом месте. Некоторые гены вируса исчезают, другие наследственные факторы, несущие информацию, поглощаются фагом.
Некоторые фаги внедряются в любую часть нуклеопротеиновой структуры и переносят наследственную информацию, используя механизм специфического перемещения бактериальной ДНК из одной клетки в другую.
В хромосоме находится пространство, имеющее общие черты с att-участком и ДНК вируса. При разрушении гомологичного ресурса осуществляют внедрения фага в нуклеопротеид и его передачу при специфическом перемещении генов, расположенных рядом.
Формирование частиц фага лямбда
Вирус принадлежит к умеренным фагам E.coli, обладающим двухцепочной ДНК. Фаг внедряется в генную структуру бактерий в виде профага и передается нескольким поколениям.
Вирион лямбда состоит из следующих элементов: головки, хвоста, боковых нитей, белковой пленки. Внедрение сопровождается генетическим перераспределением материала на участке бактерии. В результате обмена наследственной информацией в присутствии вирусного и бактериального белка формируется форма Холлидея.
Вирус лямбда имеет 2 пути развития — мутагенный и литический. Фаг образует новые частицы, которые попадают во внешнюю среду, а клетка хозяина гибнет. В случае развития лизогенной реакции геном вириона проникает в хромосому E.coli и передается нескольким поколениям.
Вирус лямбда используют как вектор для клонирования, применяют для лечения холеры, дизентерии.
Какие события происходят в клетке реципиента
Вирус Л перемещает хромосомы от клеток донора к реципиенту. Ученые вывели геном фага, внедренного в хромосомную ДНК бактерии в культуре клеток кишечной бактерии К 12. В процессе получили расщепленные вирусом структурные элементы. Ими заражали культуры типа К 12. Затем их высевали в питательные среды и учитывали количество колоний, проверяя наличие аллелей от клеток-доноров, передавшихся мутантным реципиентам.
Вирион может переносить часть хромосомы, но процесс специфический, его осуществляет геном gal, находящийся на хромосоме бактериальной структуры. Многие трансдуктанты Cal+ нестабильны, теряют этот признак.
Абортивная трансдукция
При этом виде перемещения часть бактериального наследственного фактора не обменивается. Геном располагается в клетке, но не размножается. В случае деления клетки эта часть переходит в дочерние образования. После нескольких делений все клетки потомства остаются без этого фрагмента.
Процесс абортивного перемещения установлены Дж. Ледербергом в 1953 г. Он доказал, что часть хромосомы, оказавшейся в другой бактериальной зиготе, находится в клетке реципиента в виде непродуктивной частицы и передается 1 дочерней единице, а затем исчезает в потомстве.
Трансдукции клеток млекопитающих с вирусными векторами
Перенос фаговых векторов применяют для модификации наследственных факторов в клетках млекопитающих. В небольших молекулах ДНК гены локализуют в установленных местах вирусные частицы.
Плазмиды внедряют методом фланирования в структуру, образующуюся вместе с другими частями ДНК-конструкции, которые снабжены вирусными частицами, создающими инфекционные полноценные комплексы из нуклеиновой кислоты и капсида.
Для обеспечения безопасности процесса каждая плазмида содержит все данные, необходимые для формирования фага. Одновременное воспроизведение вируса в 2-3 плазмидах приводит к образованию инфекционного вириона.
Векторы, существующие в семействе палочковидных вирусов, могут синтезировать эукариотические протеины в клетках насекомых. Бакуловирус передает наследственную информацию зиготе млекопитающих, он не аутопродуктивен, а векторы, созданные на его основе, безопасны.
Векторы вирусов млекопитающих поражают гены в клетках-мишенях и используются как естественные градиенты для перемещения ДНК в эукариотические клетки. Учитывают такие факторы, как простота использования, регуляция во времени, скорость образования протеинов эукариотов.
Применяют векторы, созданные на основе аденовируса, ретровируса, возбудителя герпеса, лентовирусов.
Система имеет недостатки:
- неадекватность модификаций;
- большая чувствительность бакуловирусов.
Векторы, созданные на их основе, используют в биологии, биомедицине, для вакцинации и в генной терапии.