Медицинская микробиология, иммунология и вирусология. Трансдукция

При общей трансдукции фаговые частицы, содержащие сегменты ДНК клетки-хозяина, переносят относительно протяженные участки геномной ДНК от одной бактериальной клетки к другой. Трансдуцирующие фаговые частицы образуются в ходе определенных инфекционных процессов, когда ДНК клетки эффективно деградирует и фрагменты

клеточной ДНК, по размеру примерно соответствующие фаговому геному, случайно упаковываются в зрелые частицы бактериофага. В результате последующего инфицирования клеток бактерий популяцией фаговых частиц, содержащих в том числе и трандуцирующие фаги, с помощью последних происходит передача ДНК донорных клеток этим инфицируемым клеткам. Рекомбинация между введенными фрагментами донорной ДНК и ДНК клетки-реципиента приводит к изменению генотипа последней.

Каждая трансдуцирующая фаговая частица обычно содержит только один случайный фрагмент исходной донорной хромосомы. Вероятность включения в такую частицу любой части донорного генома примерно одинакова. Однако благодаря довольно большому размеру трансдуцируемых сегментов ДНК (для определенных бактериофагов он составляет около 100 т.п.н., или 2,5 процента всей хромосомы кишечной палочки) обычно реципиентная клетка приобретает за один акт трансдукции целую группу генов. В результате гены, тесно сцепленные друг с другом в хромосоме донора, с высокой частотой котрансдуцируются, тогда как гены, удаленные друг от друга, транс дуцируются независимо. Определение частоты котрансдукции генов помогает уточнить генетические карты, позволяя оценивать относительные расстояния между тесно сцепленными генами. 3 Специфическая (ограниченная) трансдукция

Трансдукция второго типа, специфическая, свойственна умеренным бактериофагам, инфекционный цикл которых прерывается в результате включения генома вируса в специфический хромосомный локус ДНК инфицированной клетки. Бактерии, содержащие такие интегрированные фаговые геномы, получили название лизогенных. Они несут вирусные геномы как наследственные элементы собственных хромосом. В лизогенной клетке вирусные и клеточные геномы реплицируются как единое целое и являются взаимно совместимыми. Интеграция фагового генома с геномом клетки-хозяина лишает фаг возможности вызывать гибель клетки и продуцировать инфекционное потомство. По этой причине бактериофаг,

способный лизогенезировать, в отличие от вирулентного фага, получил название умеренного.

При определенных условиях - индукции - лизогенное состояние прерывается и вирусный геном вырезается из хромосомы ютетки-хозяина. Он реплицируется, образуя множество вирусных частиц, и убивает клетку. Обычно вырезание вирусного генома происходит очень точно и образующийся фаг содержит вирусный геном, полностью соответствующий исходному.

Иногда фаговый геном вырезается неправильно и в дочерние фаговые частицы включаются хромосомные гены, прилегающие к интегрированному вирусному геному. Эти гены включаются вместо некоторых вирусных генов. Во время следующего цикла инфекции гены клетки-донора переходят вместе с фаговыми генами в реципиентные клетки. После включения ДНК трансдуцирующего фага в геном реципиента клетка приобретает наряду с фаговым геномом генетическую информацию предыдущего хозяина фага.

Таким образом, при специфической трансдукции фаг служит вектором для переноса генов от одной клетки в другую. С помощью этого механизма трансдуцируются только те хромосомные гены клетки-хозяина, которые тесно сцеплены с сайтом интеграции вирусного генома.

Поскольку различные умеренные фаги встраиваются в разные хромосомные сайты, при их неправильном вырезании образуются фаги, которые трансдуцируют разные хромосомные гены. Так фаги лямбда трансдуцируют гены, ответственные за метаболизм галактозы, или гены, контролирующие синтез биотина, а фаги ф80 - различное число генов, кодирующих ферменты биосинтеза триптофана.

Фаговый геном способен к специфической трансдукции при условии:

1 Он должен приобрести ковалентно сцепленный сегмент невирусной ДНК, который будет трансдуцироваться. Этот сегмент ДНК обычно имеет клеточное происхождение, но в принципе он может быть из любого источника. Он может включаться в любое место вирусного генома, если это

не влияет на репликацию вирусной ДНК в инфицированной клетке хозяина или на её способность упаковываться в зрелые фаговые частицы.

2 Фаговый геном должен быть способен реплицироваться после того, как произошло инфицирование реципиентной клетки, т.е. в вирусной ДНК должны сохраняться область начала репликации (оп) и гены, необходимые для осуществления репликации.

3 Фаговые гены, кодирующие структурные фаговые белки, должны быть функционально активными.

Специфическая трансдукция широко используется в молекулярной генетике. Рассмотрим один из примеров такого применения данного явления. Ген кишечной палочки, кодирующий синтез фермента бета-галактозидазы, содержит 3600 п.н. и составляет одну тысячную генома данного микроорганизма. Если фрагмент ДНК бактериальной клетки, кодирующий синтез бета-галактозидазы, встраивается в геном трансдуцирующего бакте­риофага лямбда, он занимает там одну пятнадцатую часть, то есть ДНК фага лямбда обогащена бета-галактозидазным геном в 100 раз больше, чем ДНК кишечной палочки.

Трансдукция - 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).

Выделено три типа трансдукции : неспецифическая (общая), специфическая и абортивная . В клетке, инфицированной бактериофагом, в ходе сборки дочерней популяции в головки некоторых фагов вместе с вирусной ДНК могут проникнуть фрагменты бактериальной ДНК или плазмиды. Вирусы ограничены в объёме генетического материала в соответствии с объёмом головки. Если ДНК бактериальной клетки расщепляется фагом в нетипичном месте, то чтобы освободить пространство для фрагмента хромосомной ДНК, некоторые участки вирусных ДНК «приносятся в жертву», что приводит к утере определённых их функций. При этом фаговая частица может стать дефектной. Количество аномальных фагов может достигать 0,3% всей дочерней популяции.

Образовавшийся фаг и есть частица, вызывающая неспецифическую (общую) трансдукцию . При такой форме трансдукции в клетки-реципиенты могут быть внесены практически любые гены.

При неспецифической трансдукции фагом может быть перенесён любой фрагмент ДНК хозяина, а при специфической лишь строго определённые фрагменты ДНК. Наиболее известным примером специфической трансдукции служит трансдукция, осуществляемая фагом. Поскольку этот фаг при переходе в состояние профага включается в хромосому бактерий между генами, кодирующими синтез галактозы и биотина, именно эти гены он может переносить при транедукции. При абортивной трансдукции внесённый фрагмент ДНК донора не встраивается в генофор реципиента, а остаётся в цитоплазме, где его ДНК транскрибируется, но не реплицируется. Это приводит к тому, что при клеточном делении он передаётся только одной из дочерних клеток (то есть 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.

ограниченная (специфическая) трансдукция - Передача от бактериального донора бактериальному реципиенту с помощью бактериофага строго определенного фрагмента бактериальной ДНК, расположенного вблизи сайта интеграции бактериофага (как правило, нескольких генов); к бактериофагам,… … Справочник технического переводчика

У этого термина существуют и другие значения, см. Трансдукция. Трансдукция (от лат. transductio перемещение) процесс переноса бактериальной ДНК из одной клетки в другую бактериофагом. Общая трансдукция используется в генетике бактерий для… … Википедия

См. Трансдукция специфическая … Большой медицинский словарь

- (от лат. transductio перемещение) перенос генетического материала из одной клетки в другую с помощью вируса (См. Вирусы), что приводит к изменению наследственных свойств клеток реципиентов. Явление Т. было открыто американскими учёными Д … Большая советская энциклопедия

- (син. Т. локализованная) Т., при которой переносится строго определенный участок дезоксирибонуклеиновой кислоты бактерии … Большой медицинский словарь

Specialized (special, restricted) transduction ограниченная (специфическая) трансдукция. Передача от бактериального донора бактериальному реципиенту с помощью бактериофага строго определенного фрагмента бактериальной ДНК, расположенного вблизи… … Молекулярная биология и генетика. Толковый словарь.

Ограниченная трансдукция специфическая т - Ограниченная трансдукция, специфическая т. * абмежаваная трансдукцыя, спецыфічная т. * restricted transduction or special t. передача с помощью бактериофага от бактериального донора бактериальному реципиенту строго определенного фрагмента… … Генетика. Энциклопедический словарь

- (греч. baktērion палочка) одноклеточные микроорганизмы с примитивной цитоплазмой и ядром без ядрышка и ядерной оболочки. Относятся к прокариотам. Наряду с другими микроорганизмами широко распространены в почве воде, воздухе, заселяют… … Медицинская энциклопедия

Термин бактериофаг Термин на английском bacteriophage Синонимы фаги, вирусы бактерий Аббревиатуры Связанные термины биологические нанообъекты, ДНК, капсид, нанофармакология, векторы на основе наноматериалов Определение (от бактерии и греч. ????… … Энциклопедический словарь нанотехнологий

- (лат. transductio перенос, перемещение; Транс + ducto водить, вести) перенос бактериофагом генетического материала (участка дезоксирибонуклеиновой кислоты) от одной бактерии (донора) к другой (реципиенту); приводит к изменению генотипа бактерии… … Медицинская энциклопедия

Учебник состоит из семи частей. Часть первая – «Общая микробиология» – содержит сведения о морфологии и физиологии бактерий. Часть вторая посвящена генетике бактерий. В части третьей – «Микрофлора биосферы» – рассматривается микрофлора окружающей среды, ее роль в круговороте веществ в природе, а также микрофлора человека и ее значение. Часть четвертая – «Учение об инфекции» – посвящена патогенным свойствам микроорганизмов, их роли в инфекционном процессе, а также содержит сведения об антибиотиках и механизмах их действия. Часть пятая – «Учение об иммунитете» – содержит современные представления об иммунитете. В шестой части – «Вирусы и вызываемые ими заболевания» – представлены сведения об основных биологических свойствах вирусов и о тех заболеваниях, которые они вызывают. Часть седьмая – «Частная медицинская микробиология» – содержит сведения о морфологии, физиологии, патогенных свойствах возбудителей многих инфекционных заболеваний, а также о современных методах их диагностики, специфической профилактики и терапии.

Учебник предназначен для студентов, аспирантов и преподавателей высших медицинских учебных заведений, университетов, микробиологов всех специальностей и практических врачей.

5-е издание, исправленное и дополненное

Книга:

Отличается от неспецифической тем, что в этом случае трансдуцирующие фаги всегда переносят только определенные гены, а именно, те из них, которые располагаются в хромосоме лизогенной клетки слева от attL или справа от attR. Специфическая трансдукция всегда связана с интеграцией умеренного фага в хромосому клетки-хозяина. При выходе (исключении) из хромосомы профаг может захватить ген с левого или правого фланга, например или gal, или bio. Но в этом случае он должен лишиться такого же размера своей ДНК с противоположного конца, чтобы ее общая длина оставалась неизменной (иначе она не может быть упакована в головку фага). Поэтому при такой форме исключения образуются дефектные фаги: ?dgal или?dbio.

Специфическую трансдукцию у E. coli осуществляет не только фаг лямбда, но и родственные ему лямбдоидные и другие фаги. В зависимости от места расположения сайтов attB на хромосоме они при своем исключении могут включать различные бактериальные гены, сцепленные с профагом, и трансдуцировать их в другие клетки. Встраивающийся в геном материал может замещать до 1 / 3 генетического материала фага.

Трансдуцирующий фаг в случае инфицирования реципиентной клетки интегрируется в ее хромосому и привносит в нее новый ген (новый признак), опосредуя не только лизогенизацию, но и лизогенную конверсию.

Таким образом, если при неспецифической трансдукции фаг является только пассивным переносчиком генетического материала, то при специфической фаг включает этот материал в свой геном и передает его, лизогенизируя бактерии, реципиенту. Однако лизогенная конверсия может произойти и в том случае, если геном умеренного фага содержит такие собственные гены, которые у клетки отсутствуют, но отвечают за синтез существенно важных белков. Например, способностью вырабатывать экзотоксин обладают только те возбудители дифтерии, в хромосому которых интегрирован умеренный профаг, несущий оперон tox. Он отвечает за синтез дифтерийного токсина. Иначе говоря, умеренный фаг tox вызывает лизогенную конверсию нетоксигенной дифтерийной палочки в токсигенную.

Метод агаровых слоев заключается в следующем. Вначале в чашку наливают слой питательного агара. После застывания на этот слой добавляют 2 мл расплавленного и охлажденного до 45 °C агара 0,7 %-ного, в который предварительно добавляют каплю концентрированной суспензии бактерий и определенный объем суспензии фага. После того как верхний слой застынет, чашку помещают в термостат. Бактерии размножаются внутри мягкого слоя агара, образуя сплошной непрозрачный фон, на котором хорошо видны колонии фага в виде стерильных пятен (рис. 84, 2). Каждая колония образуется за счет размножения одного исходного фагового вириона. Применение этого метода позволяет: а) путем подсчета колоний точно определить количество жизнеспособных фаговых вирионов в данном материале;

б) по характерным признакам (размер, прозрачность и др.) изучать наследственную изменчивость у фагов.

По спектру своего действия на бактерии фаги подразделяются на поливалентные (лизируют родственные бактерии, например поливалентный сальмонеллезный фаг лизирует почти все сальмонеллы), монофаги (лизируют бактерии только одного вида, например фаг Vi-I лизирует только возбудителей брюшного тифа) и типоспецифические фаги, которые избирательно лизируют отдельные варианты бактерий внутри вида. С помощью таких фагов производится наиболее тонкая дифференциация бактерий внутри вида, с разделением их на фаговарианты. Например, с помощью набора фагов Vi-II возбудитель брюшного тифа делится более чем на 100 фаговариантов. Поскольку чувствительность бактерий к фагам является относительно стабильным признаком, связанным с наличием соответствующих рецепторов, фаготипирование имеет важное диагностическое и эпидемиологическое значение.

Рис. 84 . Обнаружение бактериофагов в исследуемом материале:

1 – спот-тест; 2 – титрование по Грациа

Специфическая трансдукция была открыта в 1956 г. М. Морзе и суп- ругами Е. и Дж. Ледерберг. Характерной особенностью специфической трансдукции является то, что каждый трансдуцирующий фаг передает только определенную, весьма ограниченную область бактериальной хромосомы. Если в генерализованной трансдукции фаг выступает в каче- стве «пассивного» переносчика генетического материала бактерий, а ге- нетическая рекомбинация у трансдуцируемых бактерий происходит по общим закономерностям рекомбинационного процесса, то при специфи- ческой трансдукции фаг не только переносит генетический материал, но и обеспечивает его включение в бактериальную хромосому. Наиболее известным примером специфической трансдукции является трансдукция, осуществляемая фагом λ, который способен заражать клет- ки бактерий E. coli с последующей интеграцией его ДНК в геном бакте- рий. Умеренный фаг λ при лизогенизации бактерий в результате сайт- специфической рекомбинации (разрыв и перекрестное воссоединение цепей ДНК) встраивается в их хромосому только в одном месте: на уча- стке между локусами bio и gal. Этот участок получил название attλ. Вы- резание (эксцизия) профага из хромосомы при индукции профага осуще- ствляется также по механизму сайт-специфической рекомбинации. Сайт-специфическая рекомбинация происходит точно, но не безоши- бочно. Приблизительно один раз на миллион событий при эксцизии про- фага рекомбинация осуществляется не в attλ-сайте, а захватывает участ- ки gal либо bio. Полагают, что это обусловлено «неправильным» образо- ванием петли при дезинтеграции профага. В результате этого прилегаю- щая к профагу область бактериального генома выщепляется из состава хромосомы и переходит в состав генома свободного фага. Соответст- вующая по расположению в петле область генома профага остается в бактериальной хромосоме. Таким образом, между профагом и бактери- альной хромосомой осуществляется генетический обмен. Встраи- вающийся в геном фага бактериальный генетический материал может заместить до 1/3 генетического материала фага. После упаковки фаговой ДНК, часть которой замещена бактериаль- ной, в фаговую головку образуются дефектные фаговые частицы. Фаг является дефектным вследствие того, что объем головки ограничен и при включении в его геном фрагмента бактериальной ДНК часть фагового генома остается в хромосоме бактерий. Если дефект несущественен, то фаг сохраняет жизнеспособность, так как его белковая оболочка остается неповрежденной и обеспечивает адсорбцию на клетках. Такой дефект- ный фаг может заражать другие клетки, но не может вызывать репродук- тивную инфекцию, так как гены, ответственные за репродукцию, отсут- ствуют. Если в таком дефектном фаге в ДНК сохранились липкие концы, обеспечивающие превращение ее в циркулярную форму, то ДНК де- фектного фага вместе с фрагментом бактериальной ДНК может интегри- роваться в ДНК реципиентных бактерий и вызывать их лизогенизацию Было установлено, что при индукции профага λ чаще образуются дефектные частицы, содержащие гены локуса gal. Такие дефектные час- тицы обозначают λdgal (фаг λ, defective, gal). Если в геноме фага λ со- держится ген, ответственный за синтез биотина, то – λdbio. Следователь- но, если фаголизатом, полученным после заражения донорных бактерий фагом λ, в котором содержится дефектные частицы, обработать реципи- ентные клетки bio– или gal–, то с частотой 10–5–10–6 образуются транс- дуктанты bio+ или gal+. Специфическая трансдукция у E. coli осуществляется не только фа- гом λ, но и родственными ему фагами, получившими наименование лямбдоидных фагов, к числу которых относятся φ80, 434, 82 и др. В ча- стности, фаг φ80 включается в хромосому вблизи генов, кодирующих образование ферментов, ответственных за синтез триптофана. По этой причине фаг φ80 пригоден для переноса генов trp. Было установлено, что фаг P22 S. typhimurium, кроме общей транс- дукции, может осуществлять и специфическую трансдукцию. При лити- ческом цикле развития бактериофаг Р22 может осуществлять общую трансдукцию, а при лизогенизации – специфическую. ДНК фага Р22 ин- тегрируется в участок хромосомы рядом с генами, ответственными за синтез пролина. Интеграция профага резко стимулирует образование специфических трансдуцирующих частиц. Таким образом, для осуществления специфической трансдукции не- обходима предварительная лизогенизация бактерий-доноров и после- дующая индукция профага из клеток. Образовавшиеся при этом дефект- ные трансдуцирующие частицы фагов заражают клетки реципиентного штамма, происходит их лизогенизация и встраивание профага с участком генома бактерий донора в хромосому реципиента. Использовать трансдукцию можно в следующих направлениях: трансдуцировать плазмиды и короткие фрагменты хромосомы до- нора; для конструирования штаммов заданного генотипа, в частности изогенных штаммов. Здесь малый размер передаваемых фрагментов обеспечивает преимущество трансдукции перед конъюгацией. Изоген- ные штаммы, сконструированные при помощи генерализованной транс- дукции, различаются только по участку хромосомы, переносимому трансдуцирующим фагом; для точного картирования бактериальных генов, установления по- рядка и их расположения в оперонах и тонкой структуры отдельных ге- нетических детерминант, что осуществляют с помощью комплемента- ционного теста. Известно, что для синтеза определенной группы про- дуктов необходимо функционирование нескольких генов. Допустим, что синтез какого-то фермента определяется продуктами генов а и b. Пусть имеются два фенотипически одинаковых мутанта, не способных к синте- зу фермента, но неизвестно, идентичны или различны они генетически. Для идентификации генотипа проводят трансдукцию, т. е. размножают фаг на клетках одной популяции, а затем фаголизатом заражают клетки второй популяции. Если при высеве на селективную среду формируются как большие колонии истинных трансдуктантов, так и маленькие коло- нии абортивных трансдуктантов, делают вывод, что мутации локализо- ваны в разных генах.