Эта статья является кандидатом в добротные статьи

Трансформация (генетика)

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Трансформа́ция (англ. transformation) — процесс поглощения бактериальной клеткой молекулы ДНК из внешней среды. Для того, чтобы быть способной к трансформации, клетка должна быть компетентной[en], то есть молекулы ДНК должны иметь возможность проникнуть в неё через клеточные покровы. Трансформация активно используется в молекулярной биологии и генетической инженерии.

Стоит отметить, что термин «трансформация» относится только к бактериальным клеткам. Поступление инородной ДНК в эукариотические клетки называют трансфекцией[1].

История изучения[править | править код]

Впервые явление трансформации наблюдал в 1928 году Фредерик Гриффит, работавший с пневмококками (Streptococcus pneumoniae). Он обнаружил, что авирулентные штаммы, лишённые капсулы, могут получать нечто даже от мёртвых вирулентных клеток, имеющих капсулу, и в результате также становятся вирулентными. Через 16 лет Эвери, Маклеод и Маккарти показали, что этим самым агентом была ДНК, содержащая гены, необходимые для формирования капсулы[2]. Они выделили ДНК из вирулентного штамма S. pneumoniae и показали, что введение одной только этой ДНК в клетки авирулентного штамма превращает их в болезнетворные. Результаты Эвери и коллег поначалу были встречены скептически, и окончательно они были признаны достоверными после описания явления генетического переноса Джошуа Ледербергомконъюгации (в 1947 году) и трансдукции (в 1953 году)[3].

В 1970 году было экспериментально показано, что клетки кишечной палочки Escherichia coli могут захватывать ДНК бактериофага λ без вспомогательного фага[en] после обработки раствором хлорида кальция[4]. Через два года была показана возможность захвата клетками в аналогичных условиях плазмидной ДНК[5]. Так была изобретена химическая трансформация. В конце 1980-х годов для трансформации бактериальных клеток начали использовать электропорацию, которая оказалась во многих случае эффективнее химической трансформации и была применима для большего числа штаммов[6].

Механизм[править | править код]

К трансформации способны многие бактерии, например, Streptococcus, Haemophilus[en], Bacillus, актиномицеты, цианобактерии и другие бактерии. Так, антигенная вариация, наблюдаемая у возбудителя гонореи Neisseria gonorrhoeae, обеспечивается за счёт трансформации, при которой клетки передают друг другу гены различных вариантов пилей, за счёт которых прикрепляются к клеткам организма-хозяина[7]. В нормальном состоянии проникновению крупных молекул ДНК внутрь бактериальных клеток мешают плотные покровы, поэтому, чтобы быть способной к трансформации, клетка должна войти в так называемое состояние компетентности. В естественных условиях компетентность приобретает часть культуры[en] в логарифмической фазе роста под действием некоторых белков (факторов компетентности), действующих через двухкомпонентную систему. Хлорамфеникол, блокирующий синтез белка, не даёт образовываться и компетентным клеткам[8]. Возможно также, что свою роль в развитие компетентности вносит плотность бактериальной культуры, поскольку при этом повышается концентрация факторов компетентности. У Streptococcus mutans и у других видов рода Streptococcus трансформация часто происходит при формировании биоплёнок[9]. У Bacillus subtilis некоторые гены, вовлечённые в развитие компетентности, также задействованы в споруляции. Развитие компетентности в лог-фазе обусловлено нехваткой питательных веществ и накоплением значительного количества факторов компетентности[7]. Трансформацию могут провоцировать бактериофаги, вызывающие выход ДНК из погибающих клеток[10], а также повреждения бактериальной ДНК[11]. Приобретение компетентности — чрезвычайно сложный физиологический процесс, у Bacillus subtilis он требует экспрессии около 40 генов[12].

Сначала компетентные клетки связывают ДНК своей поверхностью с помощью особых рецепторов, причём линейными фрагментами клетка трансформируется гораздо легче, чем кольцевыми. ДНК расщепляется нуклеазами до фрагментов с массой до 4—5 миллионов Да, причём в клетку поступает лишь одна из двух цепей фрагментов. Некоторые бактерии, такие как пневмококки и Bacillus subtilis, могут поглощать ДНК из разнообразных источников, а другие, такие как Haemophilus, могут поглощать только ДНК клеток своего вида. Фрагменты, имеющие массу менее 500 кДа, в клетку не попадают[8][2].

После попадания в клетку одноцепочечный фрагмент встраивается в геномную ДНК клетки-реципиента. Трансформация длится от 10 до 30 минут и у разных бактерий происходит с частотой около 1 %[13].

Значение[править | править код]

Схема искусственной трансформации

В естественных условиях трансформация даёт возможность бактериям получить извне гены, которые могут помочь адаптироваться к данным условиям. Таким образом, трансформация является одним из механизмов горизонтального переноса генов, наряду с конъюгацией (обменом клетками генетическим материалом при физическом контакте), и трансдукции, при которой фрагмент ДНК переносится фагом[14]. Так как компетентность может вызываться повреждениями ДНК и часто происходит под действием агентов, вносящих повреждения в ДНК (например, у Helicobacter pylori трансформацию индуцирует антибиотик ципрофлоксацин, стимулирующий образование двуцепочечных разрывов[15]), то трансформация может служить адаптивным механизмом, способствующим репарации ДНК. Получая фрагмент ДНК извне (особенно от бактерии того же вида), бактерия может использовать его в качестве матрицы для репарации повреждений путём гомологичной рекомбинации[16].

Трансформация стала рутинным методом молекулярной биологии для наработки большого количества требуемой плазмиды. Чтобы искусственно ввести клетки в состояние компетентности, существует два основных подхода: электропорация, при которой клетки поглощают ДНК после кратковременно приложенного напряжения, и химическая трансформация, при которой на клетки действуют разнообразными солями двухвалентных ионов, например, хлоридом кальция[2][17].

Примечания[править | править код]

  1. Transfection. Protocols and Applications Guide. Promega.
  2. 1 2 3 Dale & Park, 2004, p. 167.
  3. Lederberg J. The transformation of genetics by DNA: an anniversary celebration of Avery, MacLeod and McCarty (1944). (англ.) // Genetics. — 1994. — February (vol. 136, no. 2). — P. 423—426. — PMID 8150273. [исправить]
  4. Mandel M., Higa A. Calcium-dependent bacteriophage DNA infection. (англ.) // Journal Of Molecular Biology. — 1970. — 14 October (vol. 53, no. 1). — P. 159—162. — PMID 4922220. [исправить]
  5. Cohen S. N., Chang A. C., Hsu L. Nonchromosomal antibiotic resistance in bacteria: genetic transformation of Escherichia coli by R-factor DNA. (англ.) // Proceedings Of The National Academy Of Sciences Of The United States Of America. — 1972. — August (vol. 69, no. 8). — P. 2110—2114. — PMID 4559594. [исправить]
  6. Wirth R., Friesenegger A., Fiedler S. Transformation of various species of gram-negative bacteria belonging to 11 different genera by electroporation. (англ.) // Molecular & General Genetics : MGG. — 1989. — March (vol. 216, no. 1). — P. 175—177. — PMID 2659971. [исправить]
  7. 1 2 Dale & Park, 2004, p. 166.
  8. 1 2 Инге-Вечтомов, 2010, с. 250.
  9. Aspiras M. B., Ellen R. P., Cvitkovitch D. G. ComX activity of Streptococcus mutans growing in biofilms. (англ.) // FEMS Microbiology Letters. — 2004. — 1 September (vol. 238, no. 1). — P. 167—174. — DOI:10.1016/j.femsle.2004.07.032. — PMID 15336418. [исправить]
  10. Keen E. C., Bliskovsky V. V., Malagon F., Baker J. D., Prince J. S., Klaus J. S., Adhya S. L. Novel "Superspreader" Bacteriophages Promote Horizontal Gene Transfer by Transformation. (англ.) // MBio. — 2017. — 17 January (vol. 8, no. 1). — DOI:10.1128/mBio.02115-16. — PMID 28096488. [исправить]
  11. Claverys J. P., Prudhomme M., Martin B. Induction of competence regulons as a general response to stress in gram-positive bacteria. (англ.) // Annual Review Of Microbiology. — 2006. — Vol. 60. — P. 451—475. — DOI:10.1146/annurev.micro.60.080805.142139. — PMID 16771651. [исправить]
  12. Solomon J. M., Grossman A. D. Who's competent and when: regulation of natural genetic competence in bacteria. (англ.) // Trends In Genetics : TIG. — 1996. — April (vol. 12, no. 4). — P. 150—155. — PMID 8901420. [исправить]
  13. Инге-Вечтомов, 2010, с. 250—251.
  14. Johnston C., Martin B., Fichant G., Polard P., Claverys J. P. Bacterial transformation: distribution, shared mechanisms and divergent control. (англ.) // Nature Reviews. Microbiology. — 2014. — March (vol. 12, no. 3). — P. 181—196. — DOI:10.1038/nrmicro3199. — PMID 24509783. [исправить]
  15. Dorer M. S., Fero J., Salama N. R. DNA damage triggers genetic exchange in Helicobacter pylori. (англ.) // PLoS Pathogens. — 2010. — 29 July (vol. 6, no. 7). — P. e1001026—1001026. — DOI:10.1371/journal.ppat.1001026. — PMID 20686662. [исправить]
  16. Chapter 1: DNA repair as the primary adaptive function of sex in bacteria and eukaryotes // DNA Repair: New Research. — Nova Sci. Publ., Hauppauge, N.Y., 2012. — P. 1–49. — ISBN 978-1-62100-808-8.
  17. Donahue RA, Bloom FR (July 1998). «Large-volume transformation with high-throughput efficiency chemically competent cells» (PDF). Focus. 20 (2): 54–56. OCLC 12352630.

Литература[править | править код]

  • Инге-Вечтомов С.Г. Генетика с основами селекции. — СПб.: Издательство Н-Л, 2010. — 718 с. — ISBN 978-5-94869-105-3.
  • Jeremy W. Dale, Simon F. Park. Molecular Genetics of Bacteria. — 4th Edition. — John Wiley & Sons, Ltd, 2004. — ISBN 0-470-85084-1.