Зміст
Введення
Відкриття кон'югації
Типи донорних клітин
Механізм
Умови для процесу кон'югації
Список літератури
Введення
Бактерії подібно вищим організмам мають здатність до обміну генетичного матеріалу, але істотно відрізняються від останніх способами передачі його від донорной клітини до реципієнтного. Обмін генетичного матеріалу у бактерій має місце при трансформації, кон'югації і трансдукції.
Кон'югація - пряме перенесення фрагмента ДНК від донорських бактеріальних клітин до реципієнтного при безпосередньому контакті цих клітин. Біологічна значущість цього процесу стала прояснюватися після впровадження в медичну практику антибіотиків. Стійкість до антибіотиків можна отримати в результаті мутації, що відбувається один раз на кожні 10 Червень клітинних поділів. Проте, одного разу змінившись, генетична інформація може швидко поширюватися серед подібних бактерій завдяки кон'югації, оскільки кожна третя з близькоспоріднених бактерій здатна саме до цього типу генетичного переносу. Для реалізації процесу необхідний F-фактор. F-фактор розташовується в цитоплазмі у вигляді кільцевої дволанцюжкової молекули ДНК, тобто є плазмидой. Розмір її кільцевої ДНК становить 94,5 тисяч пар нуклеотидів.
Кон'югація вимагає наявності двох типів клітин: донорів (F +), що володіють F-фактором (від англ, fertility плідність), і реципієнтів (F -), не володіють ім. При схрещуванні клітин F - і F + фактор фертильності передається з частотою, близькою до 100%.
Фактор переносу містить гени спеціальних і необхідних при кон'югації структур - F-пілей і ряд інших генів, залучених в процес взаємодії з F +-клітинами.
Відкриття кон'югації
Відкриття кон'югації бактерій належить Дж. Ледербергом і Є. Татум (1946). Вони використовували два ауксотрофних мутанта Є. coli К-12, кожен з яких окремо не мав здатність синтезувати дві амінокислоти. Один був ауксотрофним по амінокислотам А і В, але синтезував кислоти С і D (А''С D'J, інший мутант був комплементарний (A BCD). На мінімальній середовищі ці мутанти роздільно не зростали. При висіві суміші їх на те середовище з'являлися колонії, клітини яких мали здатність синтезувати всі 4 амінокислоти, тобто це були генетичні рекомбінантів двох реціпрокіо дефектних (взаємодоповнюючих) батьківських клітин. Однак у цьому досвіді не виключалася можливість появи рекомбінантного потомства під впливом речовин, що володіють трансформирующей активністю.
Найбільш переконливі докази утворення генетичних рекомбінантів в результаті кон'югації були отримані Б. Девісом. В одне коліно U-подібної трубки, розділеної скляним пористим бактеріальним фільтром, містився один ауксотрофний штам бактерій, в інше - інший. Наявність пористого фільтра виключало фізичний контакт бактерій, але не перешкоджало дифузії трансформуючих речовин з одного племени до іншого. Через деякий час з вмісту кожного коліна проводився висів бактерій на мінімальну середу, однак у жодному з них прототрофов не було виявлено, тобто рекомбінантів не утворювалися. Коли ж обидва батьківських штаму засівали в один і той же коліно трубки, що дозволяло клітинам вступати в прямий контакт, рекомбінантів з'являлися.
Наявність такого контакту між клітинами вдалося спостерігати в 1957 р. безпосередньо за допомогою електронного мікроскопа. Пізніше було встановлено, що кон'югуються клітини з'єднуються через кон'югаційні місток, утворений статевої ворсинки F-пілі донорной клітини.
Типи донорних клітин
Залежно від стану F-фактора і його положення в клітині розрізняють три типи донорних клітин - F +, Hfr і F '.
У клітинах першого типу F-фактор знаходиться у вільному стані. При схрещуванні їх з реципієнтного клітинами відбувається передача F-факторів і F --клітини перетворюються на донорні. F-фактор реплікується і передається при схрещуванні, незалежно від реплікації хромосоми клітини. Тому досить невеликого числа F +-клітин в популяції, щоб у короткий термін всі F --клегкі перетворилися на донорні.
Другий тип донорних клітин походить від F +-клітин в результаті включення F-фактора в бактеріальну хромосому. Це здійснюється наступним чином. ДНК F-фактора, подібно бактеріальної хромосомі, є кільцевої. У F-факторі міститься кілька ділянок, гомологічних (по нуклеотидної послідовності) ряду ділянок хромосоми. Цю гомологію забезпечують IS-елементи, які містяться в F-факторі і хромосомі. Всього в F-факторі міститься одна копія IS2, дві копії IS3 та транспозон Тn 1000. Ці мігруючі генетичні елементи служать специфічними сайтами інтеграції F-фактора в хромосому. За одним із них може відбуватися спонтанне спаровування (синапс) F-фактора і хромосоми. Потім шляхом кросинговеру F-фактор включається в послідовність хромосоми.
Так в процесі сайт-специфічної рекомбінації, опосередкованої IS-елементами, утворюється штам Hfr (від англ, high frequency of recombination - висока частота рекомбінації). Hfr-штами володіють тією особливістю, що при скрещіааніі з F'-клітинами передають їм хромосомні маркери (гени) з частотою, в 1000 разів більшою, ніж клітини F +, тобто а цьому випадку в потомстві виявляється набагато більше рекомбінантів, ніж при схрещуванні F + і F -.
Характерним для даного типу клітин є і те, що утворюються рекомбінантів майже завжди є жіночими, тобто F-фактор передається надзвичайно рідко. Це обумовлено особливостями перенесення хромосоми у Hfr-штамів. Розрив хромосоми і початок перенесення визначаються F-фактором. Перенесення починається завжди з проксимального О-кінця (від англ. Origin - початок) і йде в напрямку, протилежному місцем включення F-фактора.
Передача маркерів здійснюється послідовно по всій довжині хромосоми. Останнім передається F-фактор. Для передачі всієї хромосоми необхідно 90-120 хв. Так як кон'югаційні місток готується (до того ж у процесі такої тривалої передачі може порушитися цілісність хромосоми з-за її крихкості), F-фактор від Hfr-бактерій до F --клітинам майже не передається.
Третій тип донорних клітин (F) 'походить від Hfr-штамів наступним чином: F-фактор може спонтанно відділятися, від хромосоми, переходячи у вільний стан, несучи при цьому хромосомні маркери. При зв'язуванні з F --клітинами F'-клітини з високою частотою передають F-фактор. Крім того, передаються і ті хромосомальних маркери, які стали частиною F-фактора. Це явище - перенесення хромосомальних генів від донорной до реципієнтного клітці F-фактором - отримало назву сексдукціі. Клітки, в яких включився F-фактор, набувають властивість донорних, але на відміну від F +-клітин вони здатні передавати реципієнтного клітинам не тільки F-фактор і власну хромосому, а й ті гени які привнесені F-факгором, тобто вони мають властивості як F +, так і Hfr-штамами, за що і отримали назву проміжних донорів.
Механізм
Перший етап кон'югації - прикріплення клітини-донора до реципієнта за допомогою F-пілей. Потім між клітинами формується кон'югаційні місток, через який передається F-фактор, а також і інші плазміди, автономно перебувають у цитоплазмі донора. При попаданні F-фактора в реципієнтного клітку вона стає F + і набуває здатність передавати фактор фертильності іншим F --клітинам. Подібний механізм забезпечує придбання популяційної стійкості до антибактеріальних агентів.
У популяції клітин, що містять F-плазміди, тільки ті, в яких вона інтегрована в бактеріальну хромосому - Hft-клітини, здатні бути донорами хромосомної ДНК. При перенесенні генетичного матеріалу бактеріальна ДНК реплікується, починаючи від місця включення F-фактора, один ланцюг ДНК переноситься в реципієнтного F'-клітку рухаючись 5'-кінцем вперед тоді як інша залишається в Hfr-клітині, тобто донор зберігає своє генетичне сталість. Після початку кон'югації хромосомний матеріал переноситься, починаючи від генів, близьких до початкової точки транспорту.
У бактерії-реципієнти зазвичай потрапляють перші з переносимих генів, розмір яких залежить від часу, протягом якого проходила кон'югація, і дуже рідко - всі гени. Пізніше за всіх переноситься ділянку плазміди, що містить ген перенесення кодує F-пілі. Оскільки повна трансмісія - явище рідкісне, реципієнтного клітка при Hfr-кон'югації зазвичай залишається F -. Слідом за процесом переносу в клітині-реципієнті відбувається гомологичная рекомбінація між донорської ДНК і власної ДНК реципієнта.
Умови для процесу кон'югації
• На поверхні реципієнтного бактерій повинні бути рецептори пілей, що мають істотне спорідненість до F-пілям, що дозволяє утворити стабільну зв'язок між пілямі і рецепторами.
• Для забезпечення ефективного кон'югації у F-чинника повинна бути точка початку реплікації, розпізнавана реплікативними системами господаря.
• Ефективність Hfr-кон'югації залежить від величини гомології ДНК. Перенесення негомологичностью хромосомного матеріалу донора не призведе до його інтеграції з ДНК реципієнта.
Список літератури
Колешко О.І., Завезенова Т. В. Мікробіологія з основами вірусології - Іркутськ: Изд-во Іркут ун-ту, 1999. - 452с.
О.К. Позднеев Медична мікробіологія. Під ред. В.І. Покровського. - 2-е вид., Испр. - М.: ГЕОТАР-МЕД., 2004 - 780с.