Бактериофаги как природные векторы (Трансдукция)
В естественных условиях вирусы бактерий — бактериофаги — выступают переносчиками генетического материала между клетками. Этот процесс называется трансдукцией. Механизм начинается с того, что лизированная клетка-донор высвобождает новые фаговые частицы. В процессе сборки внутри донора некоторые фаги могут случайно захватить фрагмент бактериальной ДНК вместо собственной.
Когда такой вирус инфицирует новую клетку-реципиента, он вводит в неё генетический материал предыдущего хозяина. Таким образом, бактериофаг работает как природный вектор, передавая реципиенту новые признаки. Среди передаваемых свойств часто встречаются:
- Устойчивость к антибиотикам.
- Появление подвижности.
- Способность к синтезу специфических веществ (например, у E. coli передается gal-ген, отвечающий за сбраживание галактозы).
Иногда трансдукция радикально меняет клиническую картину: при заражении специфическим фагом штамм Clostridium botulinum (возбудитель ботулизма) способен трансформироваться в штамм Clostridium, вызывающий газовую гангрену.
Умеренные и дефектные фаги в генной инженерии
Для целенаправленного переноса генов исследователи используют особые виды вирусов. Большой интерес представляют дефектные фаги — вирусы, утратившие способность формировать полноценные вирусные частицы. Они не способны завершить свой цикл развития ни в естественной среде, ни при искусственной индукции, что делает их удобным транспортом для доставки генов.
Кроме того, геном некоторых умеренных фагов (например, фага P1) обладает уникальной особенностью: после проникновения в бактерию он не встраивается в хромосому хозяина. Вместо этого вирусная ДНК сохраняется в цитоплазме абсолютно автономно, ведя себя подобно бактериальной плазмиде. Именно такие фаги активно применяются в качестве векторов в генно-инженерных технологиях для переноса генетической информации.
Ретровирусы и обратный поток информации
Другой клинически значимый вариант вирусных векторов базируется на механизмах ретровирусов (к которым относятся онкорнавирусы и ВИЧ). У этих вирусов генетическая информация хранится в виде РНК, и для её внедрения в клетку реализуется процесс обратной транскрипции.
Специальный вирусный фермент — обратная транскриптаза (ревертаза, или РНК-зависимая ДНК-полимераза) — синтезирует ДНК-копию на матрице вирусной РНК. Схема потока информации выглядит так:
- Геномная РНК вируса.
- Синтез комплементарной (провирусной) ДНК.
- Интеграция в геном клетки-хозяина.
- Транскрипция иРНК.
- Трансляция белка.
В природе такая интеграция может привести к экспрессии онкогена и злокачественной трансформации клетки. В генной инженерии этот принцип позволяет встраивать заданные гены прямо в хромосому реципиента.
Подготовка вектора: рестрикционно-лигазные технологии
Чтобы вирусный вектор доставил нужный ген, этот ген сначала необходимо в него встроить. Для создания таких рекомбинантных молекул ДНК применяются ферменты рестриктазы и ДНК-лигазы.
Рестриктазы распознают короткие специфические последовательности нуклеотидов (сайты рестрикции, обычно длиной 4–6 пар нуклеотидов, реже 8–12) и разрезают обе нити ДНК. Разрез может быть прямым (образуются «тупые» концы) или со смещением (образуются «липкие» концы с комплементарными одноцепочечными хвостами).
Например, фермент EcoRI разрезает сайт GAATTC, оставляя «липкие» хвосты AATT. Это позволяет по принципу комплементарности соединять фрагмент ДНК вирусного вектора с чужеродным геном любого происхождения. Затем фермент ДНК-лигаза сшивает эти фрагменты в единую молекулу. Нужные для встраивания одноцепочечные фрагменты ДНК заданной последовательности (длиной до 100 нуклеотидов) можно получать искусственно с помощью химического синтеза на автоматических синтезаторах.
Для запоминания сути трансдукции: ФАГ — Фрагмент Аккуратно Грузит. Бактериофаг выступает в роли «грузовика», который случайно захватывает фрагмент ДНК донора и перевозит его в клетку-реципиент.
Вопросы с занятий и экзамена
Чем трансдукция отличается от трансформации и конъюгации?
При трансдукции перенос генов осуществляет вирус-посредник (бактериофаг). Трансформация — это захват бактерией свободной изолированной ДНК из окружающей среды, а конъюгация требует прямого физического контакта клеток через конъюгационную трубочку (пили).
Какие свойства может получить бактерия через вирусный вектор?
Клетка может приобрести устойчивость к антибиотикам, подвижность, способность синтезировать новые вещества (например, сбраживать галактозу) или даже изменить патогенные свойства, как в случае превращения возбудителя ботулизма в штамм газовой гангрены.
Как ретровирусы встраивают свою информацию в геном?
Они используют фермент ревертазу (РНК-зависимую ДНК-полимеразу) для создания провирусной ДНК на матрице своей вирусной РНК. Полученная ДНК затем интегрируется в хромосому клетки-хозяина.
Что ещё разобрать по теме
- Механизмы трансформации и захват свободной ДНК
- Конъюгация бактерий и роль F-фактора (фактора фертильности)
- Рестрикционно-лигазные технологии и создание рекомбинантных ДНК
- Плазмиды как альтернативные векторы в генной инженерии
- Фармакологическое ингибирование обратной транскриптазы
Разберите тему целиком в курсе «Микробиология»
Здесь — выжимка. В курсе — всё, что спрашивают на занятии и экзамене.
- Полная методичка по теме «Вирусные векторы» 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
Бесплатные видеоуроки: микробиологияКороткие уроки с конспектами — без регистрации.
Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.