Трансдукция. Виды трансдукции. Механизмы. Роль умеренного бактериофага. Фаговая конверсия.

Трансдукция (от лат. transductio — перемещение) — процесс переноса бактериальной ДНК из одной клетки в другую бактериофагом. Общая трансдукция используется в генетике бактерий для картирования генома и конструирования штаммов. К трансдукции способны как умеренные фаги, так и вирулентные, последние, однако, уничтожают популяцию бактерий, поэтому трансдукция с их помощью не имеет большого значения ни в природе, ни при проведении исследований.

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 1952 году он совместно с Нортоном Циндером обнаружил общую трансдукцию. В 1953 Ледербергом и др. было показано существование абортивной трансдукции, в 1956 — специфической.

Фаговая Конверсия

изменение св-в, наступающее в результате инфекции бактерий умеренным фагом, причем гены, кодирующие новое св-во, находятся в геноме фага, а не бактерии. напр., инфекция коринебактерии дифтерии фагом приводит к синтезу транспортного полипептида дифтерийного токсина и превращению ее атоксигенного варианта в токсигенный.

Фаг λ (фаг лямбда) — умеренный бактериофаг, который заражает Escherichia coli. Был обнаружен Эстер Ледерберг в 1951 г.

Как только фаг попадает внутрь клетки хозяина, он может интегрировать себя в его ДНК. В этом состоянии λ называют профагом, он остается в геноме хозяина, внешне не проявляя своё присутствие. Профаг размножается с каждым делением клетки хозяина.

ДНК профага может экспрессироваться в тех случаях, когда наблюдаются признаки стресса в клетке-хозяине. Стресс может быть вызван голоданием, ядами (например антибиотикам), или другим факторами, которые могут повредить или уничтожить хозяина. В этом случае профаг активируется, выделяет себя из ДНК клетки-хозяина и вводит ее в литический цикл. Активированный фаг уничтожает ДНК хозяина и производит большое количества собственной мРНК, чтобы произвести множество единиц фага. Когда все ресурсы хозяина исчерпаны от построения новых фагов, клетка-хозяин разрушается, клеточная мембрана разрывается, и новые фаги выходят во внешнюю среду.

Интеграция фага λ происходит на специальном сайте в бактериальном геноме, названном attλ. Последовательность att сайта называют attB (состоит из компонентов B-O-B'), тогда как комплементарную последовательность в кольцевом геноме фага называют attP (состоит из компонентов P-O-P'). Сама интеграция — последовательный обмен (см. генетическая рекомбинация) происходит через образование структуры Холлидея и требует фагового белка Int и бактериального белка IHF (англ. integration host factor). И Int и IHF связываются с attP и формируют интрасому: ДНК-белковый комплекс, предназначенный для сайт-специфической рекомбинации ДНК фага и хозяина. Оригинальная BOB' последовательность заменяется интеграцией на B-O-P'-фаг ДНК-P-O-B'. ДНК фага теперь — часть генома хозяина.