Конъюгативный механизм обмена генетическим материалом у бактерий. F-плазмиды, их роль, функции tra-оперона.

Конъюгация — это процесс обмена генетическим материалом (хромосомным и плазмидным), осуществляемый при непосредственном контакте клеток донора и ре­ципиента. Процесс контролируется только конъюгативными плазмидами, имеющими совокупность генов, называемую tra-опероном. Этот оперон контролирует синтез аппарата переноса, конъюгативную репликацию и явление по­верхностного исключения. Аппаратом переноса являются специальные донорные ворсинки, с помощью которых устанавливается контакт между конъюгирующими клетками. Донорные ворсинки представляют собой длинные (1—20 мкм) тонкие труб­чатые структуры белковой природы с внутренним диаметром около 3 нм. Число до­норных пилей у каждой F-клетки невелико и, очевидно, соответствует числу копий конъюгативной плазмиды в клетке. Донорные ворсинки обнаруживают с помощью донорспецифических фагов, которые, адсорбируясь на них, проникают в клетку и вы­зывают ее лизис. Для каждой группы конъюгативных плазмид существуют свои до- норспецифические фаги. Ворсинки выполняют следующие функции: 1) с их помощью устанавливается контакт между донорной и реципиентной клетками; 2) они облегча­ют перенос нити ДНК (она, вероятно, протаскивается через ворсинку); 3) стягивают спаривающиеся клетки, что повышает эффективность конъюгации.

Процесс конъюгации протекает через следующие стадии: установление контакта между донором и реципиентом, протаскивание нити ДНК от донора к реципиенту, достройка перенесенной нити ДНК комплементарной ей нитью в реципиентной клетке и рекомбинация между переданной хромосомой (ее фрагментами) и хромо­сомой клетки-реципиента, размножение мерозиготы и образование клеток, несущих признаки донора и реципиента.

Сущность поверхностного исключения заключается в том, что под контролем {га- генов синтезируются белки наружной мембраны, препятствующие (исключающие возможность) проникновению в клетку, несущую плазмиду, другой, но близкород­ственной ей плазмиды, или подавляющие конъюгативную репликацию ее ДНК.

Конъюгативная репликация переносимой нити хромосомной или плазмидной ДНК осуществляется также под контролем плазмидных генов. Классическим приме­ром конъюгативной плазмиды является половой фактор, или F-плазмида. Эта плазмида представляет собой двунитевую кольцевид­ную молекулу ДНК, состоящую из 94,5 тыс. п. н.

Главная функция этой плазмиды — контроль конъюгации у бактерий кишечной группы. Ее tra-оперон содержит больше тридцати генов, которые контролируют процесс конъюгации. Эта плазмида может как находиться в автономном состоянии, так и интегрироваться в хромосому клетки. Находясь в автономном состоянии, она контролирует только собственный перенос, при котором F-клетка (клетка, лишен­ная F-плазмиды) превращается в F-клетку (клетку, содержащую F-плазмиду).

F-плазмида может интегрироваться в определенные участки бактериальной хромо­сомы, в этом случае она станет контролировать конъюгативный перенос хромосомы клетки. При этом одна из нитей ДНК хромосомы в месте интеграции F-плазмиды разрезается, и ее 5'-конец через донорный мостик начинает протягиваться в клетку- реципиент. Репликация ДНК в этом случае протекает по принципу «крутящегося кольца». Таким образом, конъюгация начинается с установления контакта между донором и реципиентом с помощью донорной ворсинки. Последняя смыкает­ся с рецептором клеточной мембраны клетки-реципиента. Нередко такой контакт устанавливается не только между двумя клетками, а между многими клетками, обра­зуя агрегаты спаривания. Предполагают, что нить ДНК в процессе конъюгации про­таскивается через канал донорной ворсинки. Поскольку донорный мостик является непрочным, процесс конъюгации может в любой момент прерваться. Поэтому при конъюгации может переноситься или часть хромосомы, или, реже, полная хромосо­ма. С помощью F-плазмид частота переноса генов между бактериями существенно возрастает. Поэтому клетки, у которыхF-плазмида интегрирована в хромосому, обозначают как клетки Hfr.

В некоторых случаях интегрированная в хромосому F-плазмида может из нее ис­ключаться и, подобно умеренному фагу, «выхватывать» из хромосомы ее ген или даже Целую группу генов. Такая плазмида, содержащая в своей ДНК часть генов хромосо­мы клетки, называется F-плазмидой.