Конъюгация у бактерий

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Конъюга́ция (от лат. conjugatio — соединение) — однонаправленный перенос части генетического материала (плазмид, бактериальной хромосомы) при непосредственном контакте двух бактериальных клеток. Открыт в 1946 году Дж. Ледербергом и Э. Тайтемом[1]. Имеет большое значение в природе, поскольку способствует обмену полезными признаками при отсутствии истинного полового процесса. Из всех процессов горизонтального переноса генов конъюгация позволяет передавать наибольшее количество генетической информации.

Явление конъюгации было открыто и хорошо изучено у кишечной палочки (E. coli). Тем не менее, оно имеет место и у других прокариот. Так, в лаборатории генетики микроорганизмов Института общей генетики РАН по руководством профессора А. А. Прозорова впервые было показано существование конъюгативного переноса плазмид и хромосомных генов у основного лабораторного штамма бацилл – Bacillus subtilis 168[2].

Механизм[править | править исходный текст]

Для успешного установления контакта двух клеток в клетке-доноре должна присутствовать конъюгативная (половая, трансмиссивная) плазмида.

F-плазмида[править | править исходный текст]

Наиболее известной конъюгативной плазмидой является F-плазмида, или F-фактор. F-плазмида является эписомой (плазмидой, которая может существовать в клетке как свободный генетический элемент, так и интегрироваться в клеточный геном путём гомологичной рекомбинации) длиной около 100 тыс. (по другим источникам, 60 тыс.) пар оснований. У неё есть собственная точка начала репликации — oriV и точка разрыва — oriT. F-плазмида, как и все конъюгативные плазмиды, кодирует белки, противодействующие прикреплению пилей других бактерий к клеточной стенке данной. Поэтому клетки, уже содержащие конъюгативную плазмиду в свободном или интегрированном состоянии, на несколько порядков реже выступают в роли реципиентов при конъюгации. Клетку, содержащую F-плазмиду, обозначают F+ и называют мужской, при конъюгации она, как правило, выступает в роли донора. Клетка, лишённая F-плазмиды, при конъюгации является реципиентом генетического материала и называется женской.

Помимо прочей генетической информации, F-плазмида несёт локусы tra и trb, в общей сложности содержащие 33 тыс. пар оснований и включающие около 40 генов. В локус tra входит ген, ответственный за белок пилин, а также регуляторные гены, которые в совокупности отвечают за образование половых пилей на поверхности клетки. В этот локус также входят гены, обеспечивающие притяжение поверхности клетки F+ к клетке F- и инициирующие конъюгацию. Имеются разногласия по поводу того, участвуют ли половые пили в непосредственной передаче ДНК от одной клетки к другой. Вероятнее всего, половые пили служат для удержания конъюгирующих бактерий вместе, однако их функция до конца не установлена.

Кроме того, на половых пилях адсорбируются бактериофаги, специфичные к мужским клеткам. К ним относятся РНК-содержащие фаги: R17, MS2, Qβ, f12, а также фаги с одноцепочечной ДНК: fd, f1, M13.

Несколько белков, кодируемых локусами tra и trb, по-видимому, «открывают» канал между двумя конъюгирующими клетками. Считается также, что фермент traD, локализованный в основании пиля, инициирует слияние участков мембран клеток.

Ход процесса[править | править исходный текст]

Схематическое изображение конъюгации у бактерий.
1. Клетка-донор выпускает половой пиль.
2. Пиль прикрепляется к клетке-реципиенту, соединяя две клетки.
3. В мобильной плазмиде происходит однонитевой разрыв, и одна цепь ДНК переходит в клетку-реципиент.
4. Обе клетки достраивают вторую цепь ДНК плазмиды, восстанавливая двуцепочечную кольцевую плазмиду, и образуют половые пили. Теперь обе клетки являются полноценными донорами.

Плазмидой кодируется эндонуклеаза, разрезающая одну из нитей её ДНК в определённой точке (oriT). Эта эндонуклеаза называется релаксазой. Релаксаза может функционировать в одиночку или в комплексе с дюжиной других белков, в совокупности составляющих релаксосому. В случае F-плазмиды релаксаза называется TraI, а релаксосома состоит из белков TraI, TraY, TraM и фактора IHF (англ. integrated host factor).

Затем разрезанная цепь раскручивается и 5'-концом переносится в клетку-реципиент. Выдвигалось предположение, что ДНК передаётся по каналам в половых пилях, но к настоящему времени показано, что перенос идёт через поры в клеточной стенке. В первом сегменте поступающей в клетку реципиента нити ДНК расположены антирестрикционные гены. Эти гены должны транскрибироваться в реципиенте сразу же после своего поступления туда, чтобы обеспечить накопление белков, блокирующих процесс разрушения ДНК рестриктазами. Наконец, переданная цепь замыкается в кольцо и на её основе путём репликации восстанавливается двунитевая структура ДНК плазмиды (подробнее о репликации F-плазмиды см. ниже). Для успешной передачи генетического материала и последующей репликации может потребоваться и второй разрыв. Весь процесс конъюгации длится несколько минут.

Конъюгативная плазмида может встраиваться в хромосому путём гомологичной рекомбинации с участием IS-элементов. Конъюгация при этом идёт по тому же механизу, однако реципиенту передаётся не только плазмида, но и хромосомный материала донора. В этом случае процесс затягивается на часы, часто происходит разрыв передаваемой нити ДНК. Путём искусственного прекращения передачи ДНК в разное время и наблюдения за тем, какие гены были при этом переданы, была получена карта хромосомы кишечной палочки (E. coli) и показано её кольцевое строение.

При выщеплении из хромосомы плазмида может захватывать её фрагмент и переносить его с собой в другую клетку (аналогия с трансдукцией). Данный процесс носит название сексдукции.

Некоторые мелкие плазмиды, называемые мобилизуемыми, могут быть перенесены при конъюгации с помощью аппарата переноса «хелперной» трансмиссивной плазмиды. Для этого они должны содержать последовательности, аналогичные oriT конъюгативной плазмиды и распознаваемые её эндонуклеазами.

Конъюгация между различными видами[править | править исходный текст]

Для успешной конъюгации бактериальные клетки не обязательно должны принадлежать к одному виду. Показана даже возможность передачи посредством конъюгации генов от бактерий эукариотам: растениям и грибам. Например, бактерии рода Agrobacterium (семейство Rhizobia) содержит Ti и Ri плазмиды, которые переносятся в клетки растений, внедряются в ядро и изменяют их метаболизм, в результате чего клетки начинают вырабатывать опины, которые Agrobacterium использует как источник углерода и энергии. В Ti и Ri плазмидах существуют две системы генов, кодирующих свой перенос. Это vir гены для переноса в растения и tra гены для переноса в другие бактерии.

Примечания[править | править исходный текст]

  1. Lederberg J, Tatum EL (1946). «Gene recombination in E. coli». Nature 158: 558.
  2. Лотарева, О. В., Шиловский И. П., Прозоров, А. А. Явление плазмидного ретропереноса при конъюгации у Bacillus Subtilis [Текст] / О. В. Лотарева, И. П. Шиловский, А. А. Прозоров // Генетика. -2006. -№12, том 42.

См. также[править | править исходный текст]

Литература[править | править исходный текст]

  • Современная микробиология. Прокариоты: В 2-х томах. Пер. с англ./Под ред. Й. Ленглера, Г. Древса, Г. Шлегеля. — М.: Мир, 2005. ISBN 5-03-003706-3 ISBN 5-03-003707-1 (1 том) ISBN 5-03-003708-X (2 том)