Трансдукция и трансформация у бактерий

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ

(ГОУ ВПО ИГУ)

Факультет биолого-почвенный

Кафедра микробиологии

 

 

Реферат

цитология микроорганизмов

Трансдукция и  трансформация у бактерий

 

 

Выполнила:

студентка  гр.04331-ДС

Кузнецова Е.А

Проверила: к.б. н

Макарова А.П

 

Иркутск 2012

Содержание

1. Трансдукция у бактерий……………………………………….3
1. История изучения………………………………………………3
2. Поведение фагов в бактериальной клетке…………………… 3
3. Перенос фрагментов ДНК бактерии………………………….. 4
1. Общая (неспецифическая) трансдукция………………..4
2. Специфическая трансдукция…………………………… 5
3. Абортивная трансдукция………………………………...7
2. Трансформация у бактерий……………………………………..9

2.1 История изучения………………………………………………..9

2.2  Трансформация у  прокариот…………………………………….9

2.3  Стадии трансформации бактерий ………………………………11

3. Заключение……………………………………………………….12
4. Литература………………………………………………………..13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Трансдукция у  бактерий

Трансдукция (от лат. transductio — перемещение) — перенос бактериофагом в заражаемую клетку фрагментов генетического материала клетки, исходно содержавшей бактериофаг. Трансдуцирующий бактериофаг обычно переносит лишь небольшой фрагмент ДНК хозяина от одной клетки (донор) к другой (реципиент).

 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.

 

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. В1953 Ледербергом и др. было показано существование абортивной трансдукции, в 1956 — специфической.

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 бактериями

Неспецифическая трансдукция.

 Перенос участков бактериальной  хромосомы фагами был открыт в 1951 г. Ледербергом и Циндером у Salmonella typhimurium. В решающем эксперименте штамм-донор В⁺ инфицировали умеренным бактериофагом Р22. После лизиса клетки-хозяина выделяли свободные фаги и инкубировали их вместе со штаммом-реципиентом В-, который генетически отличался от штамма В⁺ по меньшей мере одним признаком. Авторы нашли, что после высева инкубированных клеток на подходящую среду появлялись рекомбинанты, обладавшие признаками штамма-донора В ⁺.

Процессы, происходящие при таком  неспецифическом переносе ДНК, весьма сложны. Во время репродукции фага Р22 в клетках штамма-донора В ⁺ в капсиды вместо фаговой ДНК могут включаться фрагменты бактериальной хромосомы. Таким образом, фаголизат содержит смесь нормальных и дефектных фагов. Заражение штамма-реципиента В" нормальным фагом ведет, как правило, к лизису клеток. Однако в некоторые клетки проникают дефектные трансдуцирующие фаги, ДНК которых способна рекомбинироваться с хромосомой реципиента. Происходит обмен гомологичными участками ДНК, что может привести к замене дефектного гена реципиента интактным геном донора.

Так как трансдуцируются лишь небольшие фрагменты ДНК, вероятность рекомбинации, затрагивающей какой-то определенный признак, очень мала: она составляет от 10 ^-б до 10-⁸. Становится понятно, что с помощью одной частицы фага Р22 Salmonella или неспецифически трансдуцирующего фага PI Escherichia coli в каждом случае может быть трансдуцирован только один ген (или несколько очень близко расположенных генов). Количество бактериальной ДНК, сравнимое с геномом фага, составляет лишь 1-2% всего количества ДНК, содержащегося в бактериальной клетке. Исключение составляет бактериофаг PBS 1 Bacillus subtilis, который может трансдуцировать до 8% генома хозяина.

 

 

Специфическая трансдукция.

Наиболее известным примером служит трансдукция, осуществляемая фагом X . Как уже говорилось, этот фаг при переходе в состояние профага включается в определенный участок хромосомы бактерии-хозяина. Отделение фаговой ДНК от бактериальной хромосомы (например, в результате УФ-облучения) может произойти неточно, т.е. какой-то фрагмент ее останется в хромосоме, а близко расположенные гены клетки-хозяина будут захвачены фаговой ДНК. По-видимому, причиной этого может быть неправильная рекомбинация.

В случае заражения трансдуцирующим фагом клеток, дефектных по определенному гену, например gal, может произойти рекомбинация с заменой собственного дефектного гена бактерии интактным трансду-цированным геном; при этом образуются рекомбинанты (трансдук-танты) gal⁺.

Подобным же образом происходит перенос генов бактериофагом  Phi 80. Его ДНК включается в хромосому вблизи генов, кодирующих ферменты, ответственные за биосинтез триптофана. По этой причине Phi 80 особенно пригоден для переноса генов trp.

Предпосылкой успешного переноса генов при специфической транс-дукции (в отличие от неспецифической) является интеграция фага в геном клетки-хозяина.

В некоторых случаях было показано, что трансдуцированный фрагмент ДНК не вступает в рекомбинацию с хромосомой реципиента, а остается вне хромосомы. В этом случае клетка становится гетерозиготной по перенесенным генам. Перенесенная ДНК транскрибируется (на это указывает синтез соответствующего генного продукта), но не реплицируется. Это приводит к тому, что при клеточном делении донорский фрагмент переходит только в одну из дочерних клеток (абортивная трансдукция). Если реципиент ауксотрофный, а перенесенный фрагмент исправляет соответствующий дефект, то расти могут только те клетки, которые унаследовали этот фрагмент; при посеве на агар они образуют мельчайшие колонии.

 

 

Абортивная трансдукция

При абортивной трансдукции внесенный  фрагмент ДНК донора не встраивается в хромосому реципиента, а остается в цитоплазме и там самостоятельно функционирует. Впоследствии он передается одной из дочерних клеток (т.е. наследуется  однолинейно) и затем теряется в  потомстве.

Свойства трансдуцирующих фаговых частиц следующие:

• Частицы несут лишь часть ДНК фага, то есть не являются функциональными вирусами, а скорее ёмкостями, переносящими фрагменты бактериальной ДНК.

• Подобно прочим дефектным вирусам, частицы не способны к репликации.

• Трансдуцирующие фаги могут содержать какую-либо часть хромосомы хозяина с генами, дающими реципиентной бактерии некоторые преимущества (например, гены устойчивости к антибиотикам или гены, кодирующие способность к синтезу различных веществ). Подобное приобретение бактериями новых свойств получило название феномен лизогении.

• Феномен трансдукции может быть использован для картирования бактериальной хромосомы, если следовать тем же принципам, что и при картировании с использованием феномена трансформации.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Трансформация у  бактерий

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 признаков, характерных для организма-донора ДНК. Иногда под трансформацией понимают любые процессы горизонтального переноса генов, в том числе трансдукцию, конъюгацию и т. д.

История изучения

Трансформация была открыта  в 1928 году, когда британский учёный Ф. Гриффит показал возможность превращения непатогенных штаммов Streptococcus pneumoniae в патогенные (различаются наличием полисахаридной капсулы, позволяющей закрепляться на тканях высших организмов) в результате взаимодействия с убитыми клетками патогенных штаммов. В1944 году О. Эйвери (США) показал, что для передачи признака достаточно обработки ДНК патогенного штамма пневмококка. Это открытие стало первым свидетельством роли ДНК как носителя наследственности.

В 1960-х годах началось изучение трансформации у животных, в конце 1970-х — у растений.

 

Трансформация у прокариот

В любой популяции лишь часть бактерий способна к поглощению из среды молекул ДНК. Состояние  клеток, при котором это возможно, называют состоянием компетентности. Обычно максимальное число компетентных клеток наблюдается в конце фазы логарифмического роста.

В состоянии компетентности бактерии вырабатывают особый низкомолекулярный  белок (фактор компетентности), активизирующий синтез аутолизина, эндонуклеазы I и ДНК-связывающего белка. Аутолизин частично разрушает клеточную стенку, что позволяет ДНК пройти через неё, а также снижает устойчивость бактерий к осмотическому шоку. В состоянии компетентности также снижается общая интенсивность метаболизма. Возможно искусственное приведение клеток в состояние компетентности. Для этого применяют среды с высоким содержанием ионов кальция, цезия, рубидия, электропорацию или заменяют клетки реципиента протопластами без клеточных стенок.

Эффективность трансформации  определяется количеством колоний, выросших на чашке Петри после  добавления к клеткам 1 мкг суперскрученной плазмидной ДНК и рассева клеток на питательную среду. Современные методы позволяют добиваться эффективности 10⁶—10⁹.

Поглощаемая ДНК должна быть двухнитевой (эффективность трансформации однонитевой ДНК на порядки ниже, однако несколько возрастает в кислой среде), её длина — не менее 450 пар оснований. Оптимальное pH для прохождения процесса — около 7. Для некоторых бактерий (Neisseria gonorrhoeae, Hemophilus) поглощаемая ДНК должна содержать определённые последовательности.

ДНК необратимо адсорбируются  на ДНК-связывающем белке, после чего одна из нитей разрезается эндонуклеазой на фрагменты длиной 2—4 тыс. пар оснований и проникает в клетку, вторая полностью разрушается. В случае, если эти фрагменты имеют высокую степень гомологии с какими-либо участками бактериальной хромосомы, возможна замена этих участков на них. Поэтому эффективность трансформации зависит от эволюционного расстояния между донором и реципиентом. Общее время процесса не превышает нескольких минут. Впоследствии, при делении, в одну дочернюю клетку попадает ДНК, построенная на основе исходной нити ДНК, в другую — на основе нити с включённым чужеродным фрагментом (выщепление).

• Трансфекция – передача всего набора генов вируса или фага, приводящая к развитию вирусных частиц в клетке.

Стадии трансформации  бактерии

Трансформация протекает в три стадии:

1) адсорбция двуцепочечной ДНК на участках клеточной стенки компетентных клеток;

2) ферментативное расщепление связавшейся ДНК в некоторых случайно расположенных местах с образованием фрагментов 4—5*10⁶ D;

3) проникновение фрагментов ДНК с молекулярной массой не менее 5*10⁶ D, сопровождающееся разрушением одной из цепей ДНК (последний этап энергозависим). Проникшая цепь ДНК рекомбинирует с генетическим материалом реципиентной клетки.

 

Заключение

Трансдукция служит активным механизмом формирования культур с измененными свойствами и может играть большую роль в эволюции микроорганизмов. Способность к трансформации обнаружена у ряда родов бактерий, но, по-видимому, роль ее в обмене генетическим материалом среди бактерий в естественных условиях менее существенна, чем роль других механизмов, потому что у многих бактерий имеются особые системы рестрикции и модификации.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литература

1. Гусев М.В, Минеева Л.А «Микробиология»// 4-е изд., стер. - М.: Академия, 2003. — 464 с.
2. Википедия// ru.wikipedia.org/интернет ресурс