Структуры и аппарат конъюгации
Для того чтобы передача генетического материала состоялась, бактерия-донор должна обладать специализированными структурами, синтез которых закодирован в трансмиссивных плазмидах. Важнейшим элементом этого аппарата являются половые пили.
При сближении донора и реципиента эти белковые выросты формируют своеобразный мостик — конъюгационную трубочку. Именно через этот физический канал будет осуществляться транспортировка молекулы ДНК из одной цитоплазмы в другую. Без установления такого прямого контакта процесс обмена генетической информацией невозможен.
Молекулярный механизм передачи плазмидной ДНК
Сам процесс переноса ДНК жестко контролируется белками, которые кодируются самой плазмидой. Процедура проходит в несколько строго последовательных этапов:
- Инициация. Специализированный белок, который синтезируется благодаря tra-оперону, находит на плазмиде уникальную последовательность — сайт origin.
- Разрыв нити. Этот же белок осуществляет одноцепочечный разрыв спирали ДНК в найденном сайте. После этого он ковалентно прикрепляется к освободившемуся 5'-концу разорванной цепи.
- Трансфер (перенос). Нить ДНК вытягивается за 5'-конец (вместе со связанным белком) и транспортируется сквозь конъюгационный мостик прямо в клетку-реципиент.
- Репликация. В этот момент работают клеточные аппараты обеих бактерий. В доноре на базе оставшейся цепи достраивается новая комплементарная нить. В реципиенте к только что прибывшей одноцепочечной ДНК также синтезируется вторая цепь.
- Завершение. Белок, находящийся на 5'-конце перенесенной нити, выполняет свою финальную функцию — он помогает линейной молекуле ДНК замкнуться в кольцевую структуру внутри реципиента.
В результате этих молекулярных манипуляций в обеих бактериях оказываются полноценные двуцепочечные кольцевые плазмиды.
Роль F-фактора и статусы клеток
Одним из самых известных примеров трансмиссивной плазмиды является F-фактор (от английского слова fertility — плодовитость). Эта плазмида обладает двумя важнейшими характеристиками: она может самостоятельно переноситься (трансмиссивность) и способна встраиваться прямо в хромосому бактерии (интегративность).
Наличие или отсутствие F-фактора делит бактериальную популяцию на два типа:
- F⁺-клетки — это доноры. Они содержат F-фактор и обладают всем необходимым для передачи ДНК.
- F⁻-клетки — это реципиенты. Они лишены F-плазмиды и могут только принимать генетический материал.
Если F-плазмида находится в цитоплазме донора автономно (отдельно от хромосомы), то при скрещивании F⁺ и F⁻ клеток реципиент получает копию плазмиды. В результате такого события F⁻-клетка приобретает донорские свойства и сама становится F⁺.
Интегрированное состояние: конъюгация Hfr-штаммов
Совершенно иной сценарий разворачивается, если F-фактор встраивается в бактериальную хромосому. В этом случае плазмида и хромосома сливаются в единый трансмиссивный репликон. Бактерии с таким статусом называются Hfr-штаммами (High frequency of recombination), так как они способны с огромной частотой передавать реципиентам не плазмиду, а свои собственные хромосомные гены.
Механизм передачи у Hfr-штаммов имеет свои особенности:
- Инициация стартует в точке, где встроен F-фактор. ДНК расплетается, и одна нить направляется в мостик, при этом параллельно идет синтез комплементарной нити.
- Направленность. Перенос хромосомных генов идет в строгом порядке и в направлении, противоположном встроенной плазмиде.
- Очередность. Сама ДНК F-фактора передается в самую последнюю очередь, она является замыкающим элементом.
На практике конъюгационная трубочка является крайне хрупкой структурой и почти всегда разрывается до того, как огромная бактериальная хромосома успеет полностью пройти через нее. Из-за этого плазмида, идущая последней, крайне редко попадает в реципиентную клетку.
В результате полученный фрагмент ДНК встраивается в геном реципиента путем гомологичной рекомбинации. Реципиент получает новые признаки, но донорскими свойствами не овладевает (остается F⁻). Благодаря тому, что гены при таком типе конъюгации передаются в строгой временной последовательности, этот процесс активно применяется в генетике для картирования генома бактерий.
Для запоминания статуса реципиента при скрещивании Hfr и F⁻: «F-фактор едет в последнем вагоне». Из-за хрупкости конъюгационного мостика этот «вагон» почти никогда не доезжает, поэтому бактерия-реципиент получает новые хромосомные гены, но сама донором не становится.
Вопросы с занятий и экзамена
Почему F-плазмиду называют фактором плодовитости?
Ее название происходит от английского слова fertility (плодовитость), так как она несет гены, позволяющие бактерии формировать половые пили, конъюгировать и передавать свой генетический материал другим клеткам.
Зачем нужен белок на 5'-конце переносимой нити ДНК?
Этот белок выполняет две функции: он выступает «локомотивом», за который нить вытягивается через мостик, а после попадания в цитоплазму реципиента способствует замыканию линейной цепи обратно в кольцо.
Почему при конъюгации Hfr-клетки с F⁻-клеткой реципиент не становится донором?
При таком скрещивании F-фактор интегрирован в хромосому и передается в самую последнюю очередь. Конъюгационная трубочка обычно разрывается до завершения процесса, поэтому сама плазмида не успевает проникнуть в реципиент.
Что ещё разобрать по теме
- Особенности строения и работы белков tra-оперона на этапе инициации переноса.
- Ферментативные механизмы синтеза комплементарной цепи ДНК в клетках донора и реципиента.
- Процесс гомологичной рекомбинации фрагментов хромосомы в цитоплазме реципиента.
- Методика генетического картирования хромосом бактерий с использованием Hfr-штаммов.
- Отличия интегративных плазмид от автономных и условия их перехода из одного состояния в другое.
Разберите тему целиком в курсе «Микробиология»
Здесь — выжимка. В курсе — всё, что спрашивают на занятии и экзамене.
- Полная методичка по теме «Конъюгация у бактерий» и ещё 4 383 страниц предмета
- Задания и тесты после каждой темы — как на коллоквиуме
- AI-тьютор ответит на вопрос по теме в любое время
- 141 видеоуроков по предмету
Другие темы раздела «Генетика микробов»
Бесплатные видеоуроки: микробиологияКороткие уроки с конспектами — без регистрации.
Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.