НАСЛЕДСТВЕННОСТb В МИРЕ БАКТЕРИЙ

Представители классической генетики едва ли смели мечтать о тех возможностях, какие открываются перед современными учеными, проводящими эксперименты на бактериях и вирусах бактерий. В этой главе мы познакомимся с некоторыми результатами их работ и принципами, согласно которым функционирует генетический аппарат не только бактерий, но и всех живых организмов. Мы узнаем также о перспективах современной генетики и получим представление о вопросах, какие она ставит перед человечеством. Способы клонирования ДНК, воспроизводства ее последовательности, а также создания генетически модифицированных организмов были впервые опробованы в исследованиях по генетике бактерий и вирусов.

Бактерии-мутанты

Разные виды бактерий можно различать по фенотипическим признакам, таким как форма, цвет и другие характерные подробности их колоний. Но большой прогресс в генетике бактерий был достигнут в ходе исследований мутантов одного вида, преимущественно Е. coli, отличающихся от обычных представителей незначительными чертами. Некоторые из наиболее полезных мутантов имеют фенотип, зависящий от условий, и это значит, что в так называемых пермиссивных (разрешительных) условиях они демонстрируют дикие признаки, но в других, рестриктивных (ограничивающих, или неблагоприятных) условиях у них регистрируется иной фенотип. Например, мутанты, чувствительные к температуре, обычно растут при низких температурах (например, при 28°С), но не могут расти при высокой (42°С) температуре. Мутанты, чувствительные к холоду, напротив, не растут при низкой температуре. Так, регулируя температуру, мы можем способствовать росту одних штаммов и замедлять рост других. Другим штаммам необходима питательная среда с особыми компонентами. Как было показано в гл. 6, клетки дикого типа, называемые прототрофами, могут сами производить необходимые компоненты из простых питательных веществ, таких как сахар, а мутанты ауксотрофы не могут расти без добавления в среду некоторых сложных веществ. Например, мутанты trp не могут производить одну из аминокислот — триптофан, и поэтому растут только при наличии в питательной среде триптофана. Другие штаммы устойчивы к антибиотикам, убивающим дикие бактерии; дикие клетки str^s чувствительны к стрептомицину, а мутанты str^r устойчивы к нему.

Бактерии можно легко перемещать при помощи пипеток или стерильных проволочных петель и выращивать их в чашках Петри для наблюдения и выявления признаков. Среди самых важных методов генетического анализа можно назвать скрещивание разных штаммов, так как у бактерий имеется нечто вроде полового размножения. Открытие пола и полового размножения бактерий — сама по себе занимательная история.

Пол у Е. соli

В 1946 году Джошуа Ледерберг и Эдвард Тэйтем принялись ставить генетические эксперименты на бактериях. Несколькими годами ранее Тэйтем работал в сотрудничестве с Джорджем Биллом, и они на основе опытов с плесенью Neurospom выдвинули теорию «один ген — один фермент», оказавшую столь большое влияние на развитие генетики. Ледерберг и Тэйтем надеялись при помощи более простых организмов сделать еще более грандиозное открытие. Лурия и Дельбрюк к тому времени уже доказали, что бактерии подобно другим организмам могут мутировать и образовывать разные штаммы, полезные в исследованиях. Однако для генетических экспериментов требуется скрещивать различные линии организмов с половым размножением, тогда как у бактерий, как считали в то время, пола нет. Ледерберг и Тэйтем предположили, что если бы у бактерий имелся пол, то разные клетки с разным генотипом скрещивались бы между собой и давали рекомбинантов, как и более высокоразвитые организмы. Поэтому если обнаружить рекомбинантные организмы, то это будет доказательством того, что у бактерий имеется нечто вроде полового размножения. Они предположили, что даже в этом случае количество рекомбинантов будет очень малым, и поэтому нужно постараться вывести рекомбинантов между двумя ауксотрофными штаммами. Один из штаммов для своего роста требует треонин и лейцин, но может производить свои метионин и тиамин (генотип thr^--leu^--met⁺hti); другой штамм может вырабатывать треонин и лейцин, но требует метионин и тиамин (генотип thr⁺leu⁺met^~thi^~). При смешении этих штаммов действительно обнаруживались прототрофы, которые могли образоваться только в результате рекомбинации.

Леденберг обнаружил, что рекомбинации могут происходить только между некоторыми фертильными штаммами, которые он обозначил F⁺, и другими штаммами с довольно низкой частотой, которые он обозначил F^--, притом с довольно низкой частотой. Фертильность у бактерий — это нечто вроде инфекции, потому что когда клетки F^--смешиваются с клетками F⁺, они преобразуются в клетки F⁺. Такое странное явление прояснили эксперименты Уиляма Хэйза из Великобритании, Франсуа Жакоба и Эли Вуллмана из Франции и Л. Л. Кавалли из Италии. Сначала они открыли, что клетки F⁺ содержат генетический фактор, названный ими F-фактором, или фертильным фактором. Как мы увидим далее, F-фактор представляет собой отдельную молекулу ДНК. При контакте с другими клетками клетки F⁺ способны передавать копии своих F-фак-торов другим клеткам, преобразуя их в клетки типа F⁺. С низкой вероятностью они могут заодно передавать и некоторые свои гены клеткам F^--, и так происходят рекомбинации. Затем Хэйз и Кавалли открыли вариант штамма F⁺, названный Hfr (high frequency of recombination — «высокая частота рекомбинации»), который передает свои гены клеткам F^-- с довольно высокой частотой. Механизм рекомбинации стал ясен после скрещиваний прототрофного штамма Hfr, чувствительного к стрептомицину, со множественным ауксот-рофным штаммом F^--, устойчивым к антибиотику, и с генотипом str^rthr^~leu^~met^~lac^~gal^~thi^~. Каждый ген означает метаболический недостаток, например, неспособность синтезировать треонин {thr^-) или неспособность расти на лактозе (lac^-). При смешивании клетки Hfr и F^- спариваются в процессе конъюгации (слияния). Через некоторое время их помещают в среду со стрептомицином, чтобы убить клетки Hfr и проверить, какие дикие гены клетки F^- унаследовали от клеток Hfr. В ставшем классическом эксперименте Жакоб и Вуллман через разные промежутки времени брали образцы конъюгирующих клеток и разделяли их в смесителе, после чего выращивали в различных средах и определяли унаследованные гены. Этот эксперимент показал, что каждый маркер Hfr начинает проявляться через строго определенный промежуток времени: ген В только через семь минут, ген С — через девять, ген D — только через 15 минут и т. д. Отсюда следует, что Hfr передает клеткам F^- гены в линейной последовательности, то есть в той последовательности, в которой они соединены в хромосоме бактерий.

На рис. 10.1 объясняются полученные результаты. Фактор F в клетках F⁺ представляет собой небольшую кольцевую молекулу ДНК. Контакт с клетками F^- побуждает ее к быстрой репликации и переносу реплики в клетки F^-, благодаря чему они превращаются в клетки F⁺. Во время этого процесса некоторые гены F⁺ случайным образом проникают в клетку F^--, хотя до сих пор не совсем ясно, как это происходит. Как бы то ни было, в клетках Hfr

Рис. 10.1. Перенос ДНК при скрещивании Hfr x F. Клетка Hfr соединяется с клеткой F^--, и между ними образуется конъюгационная трубка. Фактор F, встроенный в хромосому Hfr, начинает реплицироваться. Но так как фактор F встроен в хромосому, он заодно запускает репликацию всей хромосомной ДНК. Поэтому в клетку F^-- переходит копия хромосомы Hfr с генами в линейной последовательности. Как только донорская ДНК проникает в клетку F^--, она может спариваться с хромосомой F^-- и образовывать рекомбинанты с аллелями Hfr в хромосоме F^--

фактор F встраивается в хромосому бактерии, которая тоже кольцевая, хотя и больше по размеру. Теперь при контакте с F^-- фактор F снова начинает переносить свою копию, но поскольку фактор F и бактериальная хромосома представляют собой единое целое, эта копия содержит бактериальные гены, которые передаются последовательно: А, В, С, D и т. д. Конъюгация редко длится так долго (90—100 минут), чтобы произошла репликация всей кольцевой хромосомы вплоть до начала фактора F, поэтому клетки F^--, как правило, не так уж часто преобразуются в клетки Hfr.

После конъюгации вновь перенесенная ДНК Hfr рекомбинирует с хромосомой F^--, и появляются разнообразные рекомбинанты. Но в данном случае по частоте рекомбинации определяют не общую карту Е. coli и расстояние между генами в единицах, а расстояние в минутах между маркерами. Фактор F может встраиваться в различные места и переноситься в разных направлениях от этой точки; каждое такое встраивание приводит к образованию отдельного штамма Hfr уникального происхождения. Так строят карту различных участков генома. Подробные генетические карты Е. coli (рис. 10.2) и других бактерий были составлены при исследовании всех этих штаммов, а также при помощи других методов, которые будут описаны далее.

Плазмиды

Фактор F — пример так называемой плазмиды, то есть внехромосомного самореплицирующегося генетического элемента с кольцевой структурой. Плазмиды — это своего рода пассажиры в клетке, которые реплицируются при репликации клеточной ДНК. Так как они сами представляют собой часть молекулы ДНК, то в них, как и в вирусах, могут содержаться различные гены, однако в отличие от вирусов плазмиды не образуют внеклеточных частиц (вирионов) ни на одной из стадий своего развития. Многие плазмиды могут переносить свои копии в другие клетки подобно F, но некоторые плазмиды просто располагаются в клетках-хозяевах и не могут самостоятельно переходить из клетки в клетку. Фактор F — это пример подкласса плазмид — эписом, которые могут существовать в клетках хозяев как отдельные элементы или встраиваться в хромосомы хозяев.

Рис. 10.2. Карта хромосомы Е. coli. Единицами служат минуты, то есть промежутки времени, через которые переносятся гены при скрещивании Hfr x F^--. Отдельные участки карты с большим количеством известных генов более подробно показаны на внешних сегментах. Более мелкие подробности определяются в процессе трансдукции, о чем говорится далее. Данная карта была опубликована несколько лет назад, и сейчас существуют более подробные карты, которые заняли бы несколько страниц

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: