Процесс трансдукции осуществляется при помощи. Специфическая трансдукция. Трансдукция имеет практическое использование

Поведение фагов в бактериальной клетке

Фаги способны к реализации двух путей развития в бактериальной клетке:

• Литический - после попадания в бактерию ДНК фага сразу же начинается его репликация, синтез белков и сборка готовых фаговых частиц, после чего происходит лизис клетки. Фаги, развивающиеся только по такому сценарию, называют вирулентными.
• Лизогенный - попавшая в бактериальную клетку ДНК фага встраивается в её хромосому или существует в ней как плазмида , реплицируясь при каждом делении клетки. Такое состояние бактериофага носит название профаг . Система его репликации в этом случае подавлена синтезируемыми им самим репрессорами. При снижении концентрации репрессора профаг индуцируется и переходит к литическому пути развития. Реализующие подобную стратегию бактериофаги называются умеренными. Для некоторых из них стадия профага является обязательной, другие в некоторых случаях способные сразу развиваться по литическому пути.

Перенос фрагментов ДНК бактерии

Общая (неспецифическая) трансдукция

Осуществляется фагом P1, существующим в бактериальной клетке в виде плазмиды, фагами P22 и Mu, встраивающимися в любой участок бактериальной хромосомы. После индуцирования профага с вероятностью в 10 −5 на одну клетку возможна ошибочная упаковка фрагмента ДНК бактерии в капсид фага, ДНК самого фага в нём в этом случае нет. Длина этого фрагмента равна длине нормальной фаговой ДНК, его происхождение может быть любым: случайный участок хромосомы, плазмида, другие умеренные фаги.

Попадая в другую бактериальную клетку, фрагмент ДНК может включаться в её геном, обычно путём гомологичной рекомбинации. Перенесённые фагом плазмиды способны замыкаться в кольцо и реплицироваться уже в новой клетке. В ряде случае фрагмент ДНК не встраивается в хромосому реципиента, не реплицируется, но сохраняется в клетке и транскрибируется . Это явление носит название абортивной трансдукции.

Специфическая трансдукция

Наиболее хорошо изучена специфическая трансдукция на примере фага λ . Этот фаг встраивается только в один участок (att-сайт) хромосомы E. coli с определённой последовательностью нуклеотидов (гомологичной att-участку в ДНК фага). Во время индукции его исключение может пройти с ошибкой (вероятность 10 −3 -10 −5 на клетку): вырезается фрагмент тех же размеров что и ДНК фага, но с началом не в том месте. При этом часть генов фага теряется, а часть генов E. coli захватывается им. Вероятность переноса гена в этом случае падает при увеличении расстояния от него до att-сайта.

Для каждого специфически встраивающегося в хромосому умеренного фага характерен свой att-сайт и, соответственно, расположенные рядом с ним гены, которые он способен передавать. Ряд фагов может встраиваться в любое место на хромосоме и переносить любые гены по механизму специфической трансдукции. Кроме того, в хромосоме обычно есть последовательности, частично гомологичные att-участку ДНК фага. При повреждении полностью гомологичного att-сайта можно добиться включения фага в хромосому по этим последовательностям и передачу в ходе специфической трансдукции генов, соседних уже с ними.

Когда умеренный фаг, несущий бактериальные гены, встраивается в хромосому новой бактерии-хозяина, она содержит уже два одинаковых гена - собственный и принесённый извне. Поскольку фаг лишён части собственных генов, часто он не может индуцироваться и размножиться. Однако при заражении этой же клетки «вспомогательным» фагом того же вида, индуцирование дефектного фага становится возможным. Из хромосомы выходят и реплицируются как ДНК нормального «вспомогательного» фага, так и ДНК дефектного, вместе с переносимыми им бактериальными генами. Поэтому около 50% образующихся фаговых частиц несут бактериальную ДНК. Это явление носит название трансдукции с высокой частотой (HFT от англ. high frequency transduction ).

История изучения

Эстер Ледерберг была первой учёной, кому удалось выделить бактериофаг лямбда, ДНК вирус, из Escherichia coli K-12 в 1950 году.

Собственно открытие трансдукции связано с именем американского учёного Джошуа Ледерберга . В году он совместно с Нортоном Циндером обнаружил общую трансдукцию. В Ледербергом и др. было показано существование абортивной трансдукции, в - специфической.

См. также

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Трансдукция (генетика)" в других словарях:

Раздел общей генетики (См. Генетика), в котором объектом исследования служат бактерии, микроскопические грибы, актинофаги, вирусы животных и растений, бактериофаги и др. микроорганизмы. До 40 х гг. 20 в. считалось, что, поскольку у… …

- [нэ], и; ж. [от греч. genētikos относящийся к рождению, происхождению]. Наука о законах наследственности и изменчивости организмов. Г. человека. Г. растений. Медицинская г. Космическая г. * * * генетика (от греч. génesis происхождение), наука о… … Энциклопедический 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

Раздел генетики (См. Генетика) и молекулярной биологии (См. Молекулярная биология), ставящий целью познание материальных основ наследственности (См. Наследственность) и изменчивости (См. Изменчивость) живых существ путём исследования… … Большая советская энциклопедия

абортивная трансдукция - Форма трансдукции, при которой фрагмент генома бактерии донора не включается в хромосому бактерии рецепиента и не реплицируется, а вместе с геномом вирусной частицы переносчика остается в цитоплазме в виде эписомы и может передаваться только в… …

неспецифическая (общая, генерализованная) трансдукция - Перенос от бактерии к бактерии произвольного фрагмента бактериальной хромосомы путем его упаковки в капсид бактериофага вместо фагового генома (обычно такой фрагмент при Н.т. достаточно крупный до 2 % всех генов бактерии); к фагам, способным… … Справочник технического переводчика

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

Соматических клеток генетика - * саматычных клетак генетыка * somatic cell genetics изучение наследственности и наследственной изменчивости собственно соматических клеток (см.). Изучение генных мутаций у соматических клеток, открытие явления гибридизации соматических клеток и… … Генетика. Энциклопедический словарь

У этого термина существуют и другие значения, см. Трансформация. Трансформация процесс поглощения клеткой организма свободной молекулы ДНК из среды и встраивания её в геном, что приводит к появлению у такой клетки новых для неё наследуемых… … Википедия

Эстер Мириам Циммер Ледерберг Эстер Ледерберг читает лекцию в медицинской школе им. Каназавы по приглашению доктора Акабори, 1962 г. Дата рождения: 18 декабря 1922 Место рождения: Бронкс, Нью Йорк Дата смерти: 11 ноября 2006 Место смерти … Википедия

Специфическая трансдукция была открыта в 1956 г. М. Морзе и суп- ругами Е. и Дж. Ледерберг. Характерной особенностью специфической трансдукции является то, что каждый трансдуцирующий фаг передает только определенную, весьма ограниченную область бактериальной хромосомы. Если в генерализованной трансдукции фаг выступает в каче- стве «пассивного» переносчика генетического материала бактерий, а ге- нетическая рекомбинация у трансдуцируемых бактерий происходит по общим закономерностям рекомбинационного процесса, то при специфи- ческой трансдукции фаг не только переносит генетический материал, но и обеспечивает его включение в бактериальную хромосому. Наиболее известным примером специфической трансдукции является трансдукция, осуществляемая фагом λ, который способен заражать клет- ки бактерий E. coli с последующей интеграцией его ДНК в геном бакте- рий. Умеренный фаг λ при лизогенизации бактерий в результате сайт- специфической рекомбинации (разрыв и перекрестное воссоединение цепей ДНК) встраивается в их хромосому только в одном месте: на уча- стке между локусами bio и gal. Этот участок получил название attλ. Вы- резание (эксцизия) профага из хромосомы при индукции профага осуще- ствляется также по механизму сайт-специфической рекомбинации. Сайт-специфическая рекомбинация происходит точно, но не безоши- бочно. Приблизительно один раз на миллион событий при эксцизии про- фага рекомбинация осуществляется не в attλ-сайте, а захватывает участ- ки gal либо bio. Полагают, что это обусловлено «неправильным» образо- ванием петли при дезинтеграции профага. В результате этого прилегаю- щая к профагу область бактериального генома выщепляется из состава хромосомы и переходит в состав генома свободного фага. Соответст- вующая по расположению в петле область генома профага остается в бактериальной хромосоме. Таким образом, между профагом и бактери- альной хромосомой осуществляется генетический обмен. Встраи- вающийся в геном фага бактериальный генетический материал может заместить до 1/3 генетического материала фага. После упаковки фаговой ДНК, часть которой замещена бактериаль- ной, в фаговую головку образуются дефектные фаговые частицы. Фаг является дефектным вследствие того, что объем головки ограничен и при включении в его геном фрагмента бактериальной ДНК часть фагового генома остается в хромосоме бактерий. Если дефект несущественен, то фаг сохраняет жизнеспособность, так как его белковая оболочка остается неповрежденной и обеспечивает адсорбцию на клетках. Такой дефект- ный фаг может заражать другие клетки, но не может вызывать репродук- тивную инфекцию, так как гены, ответственные за репродукцию, отсут- ствуют. Если в таком дефектном фаге в ДНК сохранились липкие концы, обеспечивающие превращение ее в циркулярную форму, то ДНК де- фектного фага вместе с фрагментом бактериальной ДНК может интегри- роваться в ДНК реципиентных бактерий и вызывать их лизогенизацию Было установлено, что при индукции профага λ чаще образуются дефектные частицы, содержащие гены локуса gal. Такие дефектные час- тицы обозначают λdgal (фаг λ, defective, gal). Если в геноме фага λ со- держится ген, ответственный за синтез биотина, то – λdbio. Следователь- но, если фаголизатом, полученным после заражения донорных бактерий фагом λ, в котором содержится дефектные частицы, обработать реципи- ентные клетки bio– или gal–, то с частотой 10–5–10–6 образуются транс- дуктанты bio+ или gal+. Специфическая трансдукция у E. coli осуществляется не только фа- гом λ, но и родственными ему фагами, получившими наименование лямбдоидных фагов, к числу которых относятся φ80, 434, 82 и др. В ча- стности, фаг φ80 включается в хромосому вблизи генов, кодирующих образование ферментов, ответственных за синтез триптофана. По этой причине фаг φ80 пригоден для переноса генов trp. Было установлено, что фаг P22 S. typhimurium, кроме общей транс- дукции, может осуществлять и специфическую трансдукцию. При лити- ческом цикле развития бактериофаг Р22 может осуществлять общую трансдукцию, а при лизогенизации – специфическую. ДНК фага Р22 ин- тегрируется в участок хромосомы рядом с генами, ответственными за синтез пролина. Интеграция профага резко стимулирует образование специфических трансдуцирующих частиц. Таким образом, для осуществления специфической трансдукции не- обходима предварительная лизогенизация бактерий-доноров и после- дующая индукция профага из клеток. Образовавшиеся при этом дефект- ные трансдуцирующие частицы фагов заражают клетки реципиентного штамма, происходит их лизогенизация и встраивание профага с участком генома бактерий донора в хромосому реципиента. Использовать трансдукцию можно в следующих направлениях: трансдуцировать плазмиды и короткие фрагменты хромосомы до- нора; для конструирования штаммов заданного генотипа, в частности изогенных штаммов. Здесь малый размер передаваемых фрагментов обеспечивает преимущество трансдукции перед конъюгацией. Изоген- ные штаммы, сконструированные при помощи генерализованной транс- дукции, различаются только по участку хромосомы, переносимому трансдуцирующим фагом; для точного картирования бактериальных генов, установления по- рядка и их расположения в оперонах и тонкой структуры отдельных ге- нетических детерминант, что осуществляют с помощью комплемента- ционного теста. Известно, что для синтеза определенной группы про- дуктов необходимо функционирование нескольких генов. Допустим, что синтез какого-то фермента определяется продуктами генов а и b. Пусть имеются два фенотипически одинаковых мутанта, не способных к синте- зу фермента, но неизвестно, идентичны или различны они генетически. Для идентификации генотипа проводят трансдукцию, т. е. размножают фаг на клетках одной популяции, а затем фаголизатом заражают клетки второй популяции. Если при высеве на селективную среду формируются как большие колонии истинных трансдуктантов, так и маленькие коло- нии абортивных трансдуктантов, делают вывод, что мутации локализо- ваны в разных генах.

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.

Учебник состоит из семи частей. Часть первая – «Общая микробиология» – содержит сведения о морфологии и физиологии бактерий. Часть вторая посвящена генетике бактерий. В части третьей – «Микрофлора биосферы» – рассматривается микрофлора окружающей среды, ее роль в круговороте веществ в природе, а также микрофлора человека и ее значение. Часть четвертая – «Учение об инфекции» – посвящена патогенным свойствам микроорганизмов, их роли в инфекционном процессе, а также содержит сведения об антибиотиках и механизмах их действия. Часть пятая – «Учение об иммунитете» – содержит современные представления об иммунитете. В шестой части – «Вирусы и вызываемые ими заболевания» – представлены сведения об основных биологических свойствах вирусов и о тех заболеваниях, которые они вызывают. Часть седьмая – «Частная медицинская микробиология» – содержит сведения о морфологии, физиологии, патогенных свойствах возбудителей многих инфекционных заболеваний, а также о современных методах их диагностики, специфической профилактики и терапии.

Учебник предназначен для студентов, аспирантов и преподавателей высших медицинских учебных заведений, университетов, микробиологов всех специальностей и практических врачей.

5-е издание, исправленное и дополненное

Книга:

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 образуются дефектные фаги: ?dgal или?dbio.

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.

Рис. 84 . Обнаружение бактериофагов в исследуемом материале:

1 – спот-тест; 2 – титрование по Грациа