Трансдукция бактерий: общая и специфическая формы

Трансдукция - один из трёх механизмов горизонтального переноса генов у бактерий наряду с трансформацией и конъюгацией. В отличие от конъюгации (прямого контакта клеток) и трансформации (поглощения свободной ДНК), трансдукция использует бактериофаг как молекулярного курьера: частица фага случайно или закономерно упаковывает фрагмент бактериальной ДНК и вводит его в новую клетку. Понять механизм трансдукции важно для генетики микроорганизмов, эволюционной биологии и молекулярной биотехнологии.

Что такое бактериофаг и лизогенный цикл

Бактериофаги - вирусы, поражающие бактерии. По жизненному циклу они делятся на вирулентные (только лизис) и умеренные (могут переходить в лизогению). Умеренный фаг после заражения клетки может интегрировать свою ДНК в хромосому хозяина в виде профага. Профаг реплицируется вместе с бактериальной ДНК, не убивая клетку. Переход от лизогении к литическому циклу запускается стрессом (УФ-облучение, химические агенты, повреждение ДНК). Именно поведение умеренных фагов определяет тип трансдукции - специфическую. Подробнее о взаимодействии фагов и бактерий читайте в нашем материале о лизогении и лизисе бактериофага.

Общая трансдукция: случайная упаковка

Общая (генерализованная) трансдукция может осуществляться любым умеренным или вирулентным фагом в процессе его размножения. Механизм связан с ошибкой упаковки ДНК в фаговую частицу.

В конце литического цикла созревающий фаг упаковывает ДНК по специальным сигналам - pac-сайтам. Эти сайты распознаются ферментом терминазой, которая разрезает конкатемер фаговой ДНК на единичные геномы строго определённого размера. В редких случаях (примерно 1 на $10^6$-$10^8$ частиц) вместо фаговой ДНК в капсид случайно попадает фрагмент хромосомы хозяина сопоставимого размера. Такая частица называется трансдуцирующей. При заражении новой клетки эта «ошибочная» фаговая частица вводит фрагмент донорской ДНК внутрь реципиента.

Введённый фрагмент может:

• интегрироваться в хромосому реципиента через гомологичную рекомбинацию (завершённая трансдукция);
• оставаться в цитоплазме как нереплицирующийся фрагмент - со временем разбавляется делениями (абортивная трансдукция).

Типичный размер переносимого фрагмента соответствует объёму капсида фага. Для фага P1 это около 90-100 т.п.н., что составляет примерно 2% хромосомы E. coli. Ключевая особенность общей трансдукции - возможность переноса любого участка хромосомы донора, поскольку упаковка случайна и не зависит от последовательности бактериальной ДНК.

Рассчитать для своей задачи

Специфическая трансдукция: прицельный перенос

Специфическая (ограниченная) трансдукция характерна только для умеренных фагов, интегрирующихся в хромосому бактерии как профаг. Классический пример - фаг лямбда ($\lambda$) и бактерия Escherichia coli.

Фаг $\lambda$ встраивается в хромосому E. coli строго в одно место - между генами gal (галактоза) и bio (биотин). Интеграция происходит через рекомбинацию по специфическим сайтам: attP в геноме фага и attB в хромосоме бактерии. Этот процесс катализируется интегразой фага (Int) при участии фактора IHF.

При индукции литического цикла профаг вырезается из хромосомы через обратную реакцию с участием другого фермента - эксцизионазы (Xis). В редких случаях вырезание идёт неточно: наряду с ДНК фага захватывается небольшой прилегающий участок хромосомы хозяина (гены gal или bio). В результате образуются частицы $\lambda gal$ или $\lambda bio$ - дефектные фаги, несущие бактериальные гены вместо части своего генома.

Такие дефектные фаги, как правило, не способны к независимой репликации из-за утраты части собственных генов. Для их размножения необходим нормальный («дикий») фаг-помощник. Смесь дефектного трансдуцирующего фага и фага-помощника называют трансдуцирующим лизатом. Эти частицы при заражении вносят в реципиент строго определённые гены - только те, что граничили с местом интеграции профага. Отсюда и название «специфическая» - ограниченный круг переносимых локусов.

Различия общей и специфической трансдукции

Роль в горизонтальном переносе генов

Трансдукция - важный двигатель бактериальной эволюции. Фаговые частицы могут переносить гены антибиотикоустойчивости, факторы вирулентности, метаболические гены между штаммами и даже видами.

Особое значение имеет трансдукция в распространении патогенности. Токсин холерного вибриона кодируется геномом профага CTX$\phi$. Гены токсина Shiga у патогенных E. coli O157:H7 тоже находятся на профаге. Таким образом, фаги не просто переносят гены - они создают новые патогены.

Рассчитать для своей задачи

Методы изучения трансдукции в лаборатории

Для исследования трансдукции применяют несколько классических подходов:

Совместное трансдуцирование (cotransduction) позволяет оценить расстояние между генами на хромосоме. Если два гена одновременно оказываются в одном трансдуцирующем фрагменте, они расположены близко. Чем выше частота совместной трансдукции, тем меньше расстояние.

Метод Зиндера и Ледерберга (1952) - исторически первое описание трансдукции. Исследователи работали с фагом P22 и Salmonella typhimurium. Для доказательства того, что перенос генов идёт не через прямой контакт клеток, использовали U-образную трубку с фильтром - бактерии не проходили, но фаги проходили.

Маркерная трансдукция используется в молекулярном клонировании: ген переноса вставляют в геном фага P1 или лямбда и вводят в реципиентную клетку.

Практические применения

Трансдукция используется в биотехнологии и медицинской микробиологии. Фаг P1 применяется как стандартный инструмент трансдукции в E. coli для создания бактериальных мутантов с нокаутами конкретных генов.

В фаговой терапии знание о трансдукции важно для оценки риска переноса нежелательных генов (например, устойчивости к антибиотикам) при применении фаговых препаратов. Это один из факторов, который учитывают при разработке фаговых коктейлей.

Горизонтальный перенос через трансдукцию также объясняет быстрое распространение антибиотикоустойчивых штаммов в клинической среде. Одним из примеров служит перенос генов бета-лактамаз у стафилококков через фаги. Сравните с другим механизмом устойчивости - механизмами устойчивости бактерий к антибиотикам.

Абортивная трансдукция и её значение

Не весь перенесённый генетический материал интегрируется в хромосому реципиента. При абортивной трансдукции фрагмент ДНК донора попадает в цитоплазму, но не встраивается и не реплицируется самостоятельно. Такой фрагмент может экспрессироваться - дочерняя клетка получает молекулу при делении, но лишь одна из двух дочерних клеток.

В результате возникает феномен «микроколоний» на селективных средах: небольшое, едва различимое пятно роста. Абортивные трансдуктанты не дают полноценных колоний, так как новый признак не наследуется большинством потомков. Этот феномен отличает абортивную трансдукцию от завершённой - по величине и числу колоний можно судить о судьбе перенесённой ДНК.

Частые ошибки

• Путают трансдукцию с трансформацией. Трансформация - это захват свободной ДНК из среды, трансдукция - перенос через фаговую частицу.
• Считают, что общая трансдукция переносит весь геном. На самом деле переносится лишь один небольшой фрагмент (~1% хромосомы) за одно событие.
• Думают, что специфическая трансдукция переносит случайные гены. Нет - только те, что прилегают к сайту интеграции профага.
• Не различают абортивную и завершённую трансдукцию. В первом случае перенос не наследуется, во втором - интегрируется в хромосому.
• Забывают, что дефектный фаг при специфической трансдукции не способен к самостоятельному лизису - ему нужен фаг-помощник для размножения.

FAQ

Чем трансдукция отличается от конъюгации? При конъюгации гены передаются через прямой физический контакт двух клеток по специальному каналу - пилусу. При трансдукции клетки не контактируют: между ними выступает фаговая частица-курьер. Конъюгация обычно переносит более крупные фрагменты (вплоть до плазмид целиком), а трансдукция - небольшие фрагменты хромосомной ДНК.

Какой фаг чаще используют для трансдукции в лабораториях? В работе с E. coli наиболее распространён фаг P1 (общая трансдукция) и фаг лямбда (специфическая). P1 удобен тем, что существует в виде плазмиды (не интегрирует в хромосому), переносит фрагменты размером около 90-100 т.п.н. и работает с широким кругом бактерий-реципиентов.

Почему в специфической трансдукции образуются дефектные фаги? При неточном вырезании профага часть фагового генома остаётся в хромосоме, а вместо неё в вирион попадает бактериальная ДНК. Образующаяся частица несёт полный набор для заражения, но лишена части генов, нужных для репликации. Такой фаг называют дефектным: он переносит бактериальные гены, но для размножения нуждается в помощи «дикого» фага-помощника.

Коротко

Трансдукция - перенос бактериальных генов через фаговую частицу. При общей трансдукции любой умеренный или вирулентный фаг случайно упаковывает фрагмент хромосомы хозяина вместо своей ДНК - переносятся произвольные гены. При специфической трансдукции умеренный фаг, вырезаясь из хромосомы после лизогении, захватывает прилегающие бактериальные гены и вносит строго определённые локусы в новую клетку. Оба механизма - важные факторы бактериальной эволюции, распространения устойчивости к антибиотикам и вирулентности.