При гомологичной рекомбинации в процессе разрыва и воссоединения ДНК происходит обмен между участками ДНК, обладающими высокой степенью гомологии. Гомологичная рекомбинация происходит через образование промежуточного соединения, в котором осуществляется комплементарное спаривание между одноцепочечными участками, принадлежащими разным родительским молекулам ДНК. Процесс гомологичной рекомбинации находится под контролем генов, объединенных в REC-систему, состоящую из генов recA,B,C,D. Продукты этих генов производят расплетание нитей ДНК и их переориентацию с образованием структуры Холидея, а также разрезают структуру Холидея для завершения процесса рекомбинации.
Сайт-специфическая рекомбинация
Происходит в определенных участках генома и не требует высокой степени гомологии ДНК. Этот тип рекомбинации не зависит от функционирования генов recA,B,C,D. Примером этого типа рекомбинации является встраивание плазмиды в хромосому бактерий, которое происходит между идентичными IS-элементами хромосомы и плазмиды, интеграция ДНК фага в хромосому Е. coli. Сайт-специфическая рекомбинация, происходящая в пределах одного репликона, участвует также в переключении активности генов. Например, у сальмонелл следствием этого процесса являются фазовые вариации жгутикового Н-антигена.
Незаконная или репликативная рекомбинация
Незаконная или репликативная рекомбинация не зависит от функционирования генов recA,B,C,D. Примером ее является транспозиция подвижных генетических элементов по репликону или между репликонами, при этом, как уже было отмечено, транспозиция подвижного генетического элемента сопровождается репликацией ДНК.
Рекомбинация у бактерий является конечным этапом передачи генетического материала между бактериями, которая осуществляется тремя механизмами: конъюгацией (при контакте бактерий, одна из которых несет конъюгативную плазмиду), трансдукцией (при помощи бактериофага), трансформацией (при помощи высокополимеризованной ДНК).
Передача генетического материала от клетки-донора в клетку-реципиент путем непосредственного контакта клеток называется конъюгацией.
Передача генетического материала от клетки-донора в клетку-реципиент впервые была обнаружена Дж. Ледербергом и Э. Тейтумом в 1946 г.
Необходимым условием для конъюгации является наличие в клетке-доноре трансмиссивной плазмиды.
Трансмиссивные плазмиды кодируют половые пили, образующие конъюгационную трубочку между клеткой-донором и клеткой-реципиентом, по которой плазмидная ДНК передается в новую клетку.
Фактор плодовитости (F), или половой фактор был открыт у кишечной палочки ещё в 1968 г. Было установлено, что после смешивания двух различных штаммов бактерий F+ и F- происходит рекомбинация бактериальных признаков. F+ - это «мужской» или донорский генетический материал, а F- - «женский» или реципиентный. В настоящее время известно, когда вступают в контакт клетки F+ и F -, при этом могут осуществляться два совершенно разных процесса: в одних случаях передавать только фактор плодовитости, F-фактор, в других, переносить часть генетического материала донорской клетки в клетку-реципиент.
Первый процесс, когда сам F-фактор способен переходить из бактерий F+ в бактерию F-, превращая её в клетку F+ (клетка становится донором), но никакого переноса генов, локализованных в хромосоме, при этом не происходит.
Второй процесс, это когда из донорской клетки в реципиентную может переходить часть (редко вся) хромосомы.
Многочисленными исследованиями установлено, что первый процесс осуществляется тогда, когда F-фактор находится в цитоплазме бактериальной клетки обособленно от хромосомы. В этом случае F-фактор ведёт себя, как «паразит», который способен переходить от одной бактерии к другой и не приносит никакой очевидной пользы бактерии-хозяину.
Для осуществления второго процесса, однако, необходимо, чтобы F-фактор сначала включился в бактериальную хромосому хозяина. Бактерии в таком состоянии обозначаются Hfr(высокая частота рекомбинации). Встроенный в хромосому F-фактор способен вызывать перенос бактериальной хромосомы в клетку F- , где затем может происходить рекомбинация бактериальных генов. Обычно процесс прерывается до того, как успевает перейти целая хромосома донорской клетки. Более того, та часть F-фактора, которая ответственна за перенос, находится у дистального конца переносимой хромосомы и обычно остается в донорской клетке. Из-за того, что F-фактор может встраиваться в хромосому клетки, его называют эписомой. Однако не все плазмиды обладают свойствами эписом, т.к. не все способны встраиваться в бактериальные хромосомы.
Белок, связанный с 5'-концом перенесенной цепи, способствует замыканию плазмиды в реципиентной клетке в кольцо. Этот процесс представлен на рисунке на примере переноса в реципиентную клетку плазмиды F (fertility – плодовитость, англ.), которая является как трансмиссивной, так и интегративной плазмидой. Клетки-доноры, обладающие F-фактором, обозначаются как Р+-клетки, а клетки-реципиенты, не имеющие F-фактора, обозначаются как F--клетки. Если F-фактор находится в клетке-доноре в автономном состоянии, то в результате скрещивания: F+ × F- клетка-реципиент приобретает донорские свойства (см. рис. 5.4, 1А).
Если F-фактор или другая трансмиссивная плазмида встраиваются в хромосому клетки-донора, то плазмида и хромосома начинают функционировать в виде единого трансмиссивного репликона, что делает возможным перенос бактериальных генов в бесплазмидную клетку-реципиент, т. е. процесс конъюгации. Штаммы, в которых плазмида находится в интегрированном состоянии, переносят свои хромосомные гены бесплазмидным клеткам с высокой частотой и поэтому называются Hfr (от англ. high frequency of recombination – высокая частота рекомбинации).
Процесс переноса хромосомных генов в случае скрещивания: Hfr×F- всегда начинается с расщепления ДНК в одной и той же точке, месте интеграции F-фактора или другой трансмиссивной плазмиды. Одна нить донорской ДНК передается через конъюгационный мостик в реципиентную клетку. Процесс сопровождается достраиванием комплементарной нити до образования двунитевой структуры. Перенос хромосомных генов при конъюгации всегда имеет одинаковую направленность, противоположную встроенной плазмиде. Сама трансмиссивная плазмида передается последней.
Конъюгационный мостик непрочен, он легко разрывается, не нарушая жизнеспособности конъюгирующих клеток. Соответственно в процессе передачи может нарушаться целостность передаваемой хромосомы. Все это объясняет чрезвычайно редкую передачу фактора F от Hfr-бактерий к F–клеткам, так как для этого необходимо приобретение реципиентом как начального, так и конечного участка хромосомы донора.
Обычно Hfr-штаммы передают с высокой частотой не всю хромосому, а лишь близколежащие к О-точке гены. Путем включения F-фактора в различные участки хромосомы получены разнообразные Hfr-штаммы, различающиеся по локализации О-точек и направлению передачи хромосомы.
Т.о, вследствие хрупкости конъюгационного мостика половой фактор F редко передается в клетку-реципиент, Поэтому образовавшийся рекомбинант донорскими функциями, как правило, не обладает.
Вследствие направленности передачи генов конъюгация используется для картирования генома бактерий и построения генетической карты.
Передача генетического материала от одних бактерий другим с помощью фагов называется трансдукцией. Трансдуцирующий фаг – это в своем роде «трамвай», т.к. внутри своей белковой оболочки он перевозит «безбилетного пассажира» - часть ДНК из предыдущего фага хозяина и вводит эту ДНК таким же образом, как и свою собственную ДНК, в чувствительную к фагу бактериальную клетку.
Главным признаком процессов трансдукции является способность некоторых созревающих фаговых частиц (созревание происходит спонтанно, либо в результате индукции) захватывать ограниченный участок генома бактерии-хозяина и переносить его в родственную клетку, чувствительную к этому фагу. Свойством переносить генетический материал от бактерий доноров к бактериям реципиентов обладают умеренные фаги и их мутанты.
Трансдукцией называют передачу бактериальной ДНК посредством бактериофага.
Этот процесс был открыт в 1951 г. Н.Циндером и Дж. Ледербергом. В процессе репликации фага внутри бактерий фрагмент бактериальной ДНК проникает в фаговую частицу и переносится в реципиентную бактерию во время фаговой инфекции. Существует три типа трансдукции:
общая трансдукция (или неспецифическая) – перенос бактериофагом фрагмента любой части бактериальной хромосомы – происходит вследствие того, что бактериальная ДНК фрагментируется после фаговой инфекции и кусочек бактериальной ДНК того же размера, что и фаговая ДНК, проникает в вирусную, формируя дефектную фаговую частицу с частотой приблизительно 1 на 1000 фаговых частиц. При инфицировании клетки-реципиента дефектной фаговой частицей ДНК клетки-донора «впрыскивается» в нее и рекомбинирует гомологичной рекомбинацией с гомологичным участком хромосомы-реципиента с образованием стабильного рекомбинанта. Этим типом трансдукции обладают Р-фаги;
ДНК-фага из бактериальной хромосомы в результате случайного процесса захватывается прилегающий к месту включения фаговой ДНК фрагмент бактериальной хромосомы, становясь дефектным фагом. Так как большинство умеренных бактериофагов интегрирует в бактериальную хромосому в специфических участках, для таких бактериофагов характерен перенос в клетку-реципиент определенного участка бактериальной ДНК клетки-донора. ДНК дефектного фага рекомбинирует с ДНК клетки-реципиента сайт-специфической рекомбинацией. В частности, бактериофаг передает специфической трансдукцией gal-ген у Е. coli.
абортивнаятрансдукция – привнесенный фагом фрагмент ДНК бактерии-донора не включается в хромосому бактерии-реципиента, а располагается в её цитоплазме и может в таком виде функционировать. Во время деления бактериальной клетки трансдуцированный фрагмент ДНК-донора может передаваться только одной из двух дочерних клеток, т.е. наследоваться однолинейно и в конечном итоге утрачиваться в потомстве.
Трансдукция обнаружена у E.coli, B. subtilis, сальмонелл, холерного вибриона и др. Передаются самые различные свойства бактерий: устойчивость к антибиотикам, синтез факторов роста, сбраживание углеводов, синтез пенициллиназы и др.