Генетическая рекомбинация
У организмов развились и другие механизмы, способствующие возникновению в потомстве резко измененной наследственности.
У эукариот в процессе оплодотворения объединяются наборы генов родительских организмов. Эти гены рекомбинируют в процессах образования половых клеток и в процессе оплодотворения. Каждый новый индивид имеет рекомбинантный уникальный набор генов (генотип).
У прокариот рекомбинационная изменчивость тоже присутствует. Рекомбинация– возникновение новых последовательностей ДНК в результате разрывов и последующих восстановлений ее молекул. В итоге таких изменений ДНК бактерий появляются рекомбинантные штаммы. В процессе генетического переноса участвуют бактерия-реципиент и бактерия-донор. Степень участия их неравномерна: в реципиентную клетку попадает фрагмент экзогенной ДНК бактерии-донора, который взаимодействует с цельной хромосомой реципиента, в результате чего происходит частичное перераспределение (рекомбинация) генетического материала с образованием рекомбинанта.
У микроорганизмов наиболее изучены три типа передачи ДНК, отличающиеся друг от друга способом ее транспортировки: трансформация, трансдукция и конъюгация.
Трансформация.Это процесс переноса генов, при котором часть ДНК клетки-донора (путем экстрагирования или при естественном лизисе клеток) может проникать в родственную бактериальную клетку-реципиент (одного вида или близкородственные виды). В результате в ДНК реципиента включаются фрагменты хромосомы ДНК донора, что приводит к изменению признаков бактерии-реципиента. Процесс можно разделить на несколько стадий:
1) контакт ДНК с поверхностью клетки;
2) проникновение ДНК в клетку;
3) соединение трансформирующей ДНК с соответствующим фрагментом хромосомы реципиента;
4) репликация включенной в хромосому новой информации.
Путем трансформации могут передаваться такие признаки, как капсулообразование, устойчивость к антибиотикам, ядам и другим лекарственным веществам, синтез ферментов.
Трансдукция.Это процесс переноса генетического материала от бактерии-донора к бактерии-реципиенту при участии бактериофага (рис. 28).
Рис. 28. Схема трансдукции: 1 – проникновение фага в клетку-донор; 2,3 – образование трансдуцирующего фага; 4 – взаимодействие трансдуцирующего фага с клеткой-реципиентом; 5 – образование рекомбинанта
Известны три главных типа трансдукции: общая (неспецифическая), локализованная (специфическая) и абортивная. При неспецифической трансдукции возможен перенос любого фрагмента ДНК донора, который способен включаться в гомологическую область ДНК клетки-реципиента при рекомбинации.
Специфическая трансдукция – перенос определенного фрагмента ДНК донора только в определенные участки ДНК реципиента. Это обусловлено тем, что образование трансдуцирующего фага происходит в результате соединения его ДНК со строго определенными бактериальными генами, расположенными на хромосоме клетки-донора.
При абортивной трансдукции принесенный фагом фрагмент хромосомы клетки-донора не включается в хромосому клетки-реципиента, а располагается в ее цитоплазме автономно и в таком виде функционирует. При делении клетки-реципиента фрагмент ДНК-донора может передаваться только одной из двух дочерних клеток.
При трансдукции возможен перенос генов, контролирующих питательные особенности бактерий, их устойчивость к лекарственным веществам, ферментативную активность, наличие двигательного аппарата и др. свойства.
Конъюгация (от латconjugation– соединение). Это процесс, при котором сблизившиеся родительские клетки соединяются при помощи конъюгационных мостиков. Через эти мостики происходит обмен генетическим материалом. Конъюгация впервые была описана Дж.Ледербергом и Э.Татумом (1946) при работе с мутантами кишечной палочки.
Возможность клетки стать донором определяется специфическим половым фактором F (от англ. Fertility– плодовитость), который при конъюгации переносится из одной бактериальной клетки в другую. Клетки, содержащие F-фактор («мужские») в цитоплазме, обозначаются F+; они передают F-фактор клеткам, обозначаемым F-(«женским»), не утрачивая донорской способности, так как оставляют копии F-фактора. Половой фактор F располагается в цитоплазме в виде кольцевой двунитчатой молекулы ДНК, т.е. является плазмидой. F-плазмида обусловливает образование на поверхности клетки одной или двух половых фимбрий – F-пили, способствующих соединению клеток-доноров с клетками-реципиентами (рис. 29), а также обеспечивает независимую от хромосомы репликацию собственной ДНК и образование продуктов, которые управляют переносом генетического материала как самой F-плазмиды, так и хромосомы клетки.
Рис. 29. Электронномикроскопическое изображение конъюгации у кишечной палочки; удлинённая клетка — донор, круглая — реципиент.
F-плазмида обладает способностью включаться в определенные места бактериальной хромосомы и становиться ее частью – Hfr-штамм (от: High frequency of recombination– высокая частота рекомбинации). При скрещивании Hfr-штамма с F--бактериями, как правило, F-фактор не передается, а гены хромосомы бактерии передаются с высокой частотой.
В начале процесса конъюгации клетки-доноры F+ или Hfr соединяются с клетками реципиентами (благодаря наличию F-пилей). Далее между клетками образуется конъюгационный мостик, и через него из клетки-донора в клетку реципиент передается генетический материал - F-плазмиды или хромосомы. Обычно при конъюгации передается только одна цепь ДНК-донора, а вторая цепь (комплементарная) достраивается в клетке реципиента.
При конъюгации происходит только частичный перенос генетического материала, поэтому она не тождественна половому процессу у других организмов.
Важными факторами генетической изменчивости являются плазмиды.