Пути видоизменения ДНК: мутации, лизогения, трансдукция, трансформация. Рекомбинацтя ДНК

Мутацией называют изменение в структуре дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), влияющее на результаты ее функционирования и передающееся последующим поколениям. На молекулярном уровне мутацию можно представить как изменение нуклеотидной последовательности или включение в эту последовательности новых звеньев, длина которых может варьироваться от длины остатка отдельной аминокислоты до набора генов.

Мутации реализуются в природе как спонтанные процессы, связанные с ошибками при копировании генов. Скорость спонтанных мутаций невелика и составляет в среднем одну ошибку на миллион дуб- ликаций гена. Однако в ряде случаев замена уже одной аминокислоты на другую может привести к серьезным последствиям. Так, заболевание человека - серповидная анемия - обусловлена мутацией, суть которой заключается в замене в белке гемоглобина остатка аминокислоты глутамина (Glu) на остаток валина (Val).

Некоторые промежуточные продукты метаболизма клетки (пероксиды и образующиеся на их основе радикалы, супероксид-ион (О-O'), азотистая кислота, формальдегид и др.) могут индуцировать химические мугации. Причиной химических мугаций может быть также повышенное содержание в организме тяжелых металлов и ксенобиотиков - чужеродных соединений, попадающих в организм извне (многоядерных ароматических соединений, галогенсодержащих углеводородов типа диоксина, алкилирующих агентов и др.).

Мощным источником мугаций является радиация. При достаточно высокой дозе ультрафиолетового излучения, особенно жесткого, значительная часть клеток может погибнуть, а выжившие клетки подвергаются глубоким трансформациям, которые могут оказаться необратимыми, несмогря на то, что в клетке имеются ферментативные механизмы репарации (восстановления) ДНК.

Клетки различного типа, в том числе и клетки микроорганизмов, подвержены воздействию вирусов.

Вирусы - это мельчайшие живые образования, не имеющие клеточного строения. Они проходят через фильтры, задерживающие бактерии, и не растут на средах, используемых для культивирования бактерий. Их можно увидеть только в электронный микроскоп.

Вирусы содержат один тип нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК) и белок. Основная функция последнего сводится к образованию защитной оболочки (капсиды). Сам по себе вирус нс способен к самовоспроизводству, но, проникая в какую-либо клетку, он размножается нугем захвата и сборки компонентов (нуклеиновых кислот и белков), продуцируемых клегкой-хозяином.

Вирусы вызывают целый ряд заболеваний человека (грипп, корь, полиомиелит, корь, желтую лихорадку и др.). Вирусное заражение может крайне неблагоприятно влиять на биотехнологические процессы с участием бактерий, в частности, в сыроделии и производстве антибиотиков.

Каков же механизм инфицирующего действия вирусов, имеющего прямое отношение к трансформациям ДНК клеток?

Вирусы, поражающие бактерии, называются бактериофагами, или просто фагами. «Жизненный цикл» вирусов можно видеть на примере фага Я, инфицирующего бактерию E.coli. Фаг прикрепляется к клеточной стенке и затем вводит свою ДНК в клетку. Далее возможны два альтернативных пути развития процесса.

Первый путь, называемый лизогенией, связан с внедрением ДНК фага, именуемого в этих условиях нрофагом, в хромосому бактерии. При этом клетка живет и воспроизводится, копируя одновременно профаг и создавая таким образом лизогенные клетки. Подобные фаги, взаимодействующие с клеткой, называют умеренными.

Другой вариант вирусного заражения неизбежно приводит к гибели клетки-хозяина и называется литическим циклом. При таком сценарии ДНК фага по сути дела контролирует все клеточные процессы. Она заставляет рибосомы синтезировать ферменты, разрушающие ДНК клетки-хозяина, и содействует многократному копированию фаговой ДНК. Затем синтезируются белки, формирующие частицы фага. Самосборка множества новых фагов стимулирует синтез фермента лизоцима, который разрушает клеточные стенки бактерий, что ведет к се полному разрушению (лизису) и высвобождению множества фагов.

Новые фаговые частицы могут захватывать фрагменты (1-2%) хромосомы породившей их клетки и переносить их на хромосому другой клетки, осуществляя так называемый кроссинговср. Процесс, ведущий к изменению генетических характеристик нового хозяина фага, называется трансдукцией.

В мире бактерий возможен перенос генетической информации из одной клетки в другую в виде свободной ДНК или ее фрагмента. Такой процесс называется трансформацией. В этом случае осуществляется кроссинговср хромосомы клетки-реципиента с проникающим в клетку фрагментом двухцепочечной ДНК. Так, если к культуре стрептококковых бактерий Streptococcus viridans, не способной сбраживать трегало- зу, прибавить препарат ДНК, выделенный из клеток Pneumococcus, сбраживающих эти сахара, то стрептококк приобретает передающуюся по наследству способность сбраживать трегалозу и рафинозу.

Механизм трансформации позволяет включать в живые бактерии не только структурные элементы хромосом, но и фрагменты плазмид, то есть молекул ДНК, существующих и реплицирующихся независимо от бактериальных хромосом.

Трансформация с помощью плазмид является одним из основных приемов направленного изменения структуры ДНК. Плазмиды могут обеспечивать клетку рядом новых качеств.

Глубокие генетические изменения могут быть достигнуты путем слияния клеток различных типов. Первой стадией такого сложного процесса является получение протопластов - клеток, лишенных с помощью фсрмснтов-гидролаз наружных стенок и окруженных только плазматическими мембранами. Слияние осуществляется обычно в растворе полиэтиленгликоля (ПЭГ).

Метод слияния может применяться и для получения гибридов как растительных, так и животных клеток.

В конце 70-х годов в биохимии был разработан ряд методов создания рекомбинантных ДНК, положивших начало генетической инженерии, которая позволяет направленно конструировать генетический материал и вводить его в живые клетки, прививая им полезные с точки зрения экспериментатора свойства.

Суть этих методов заключается в том, что ДНК бактериальной клетки-хозяина, например, Е. Со//, модифицируют по механизму трансформации с помощью молекулы рекомбинантной ДНК. В свою очередь, рекомбинантную ДНК получают соединением (1л vitro) фрагментов чужеродной ДНК, содержащих интересующие исследователя гены, с ДНК бактериальной плазмиды, называемой вектором (схема 9.3).

Схема 9.3. Конструирование рекомбинантной ДНК путем соединения чужеродной ДНК с плазмидным вектором

Необходимые фрагменты ДНК получают с помощью рестрикционных эндонуклеаз, способных узнавать и расщеплять специфические нуклеотидные последовательности в молекулах ДНК. Известно несколько десятков таких эндонуклеаз и собраны обширные банки полученных с их помощью фрагментов ДНК мыши, крысы, мухи и, конечно, бактерий. Если, например, обработать ДНК кишечной палочки одной из рестриктаз Е. Coli, то можно получить около 500 отдельных фрагментов, содержащих несколько бактериальных генов.

Комплекс методов, используемых для включения и закрепления нового гена в бактериях, называется клонированием. Результатом таких процедур является приготовление колонии генетически идентичных трансформированных клеток, которые содержат интересующий экспериментатора сегмент ДНК.

Манипулирование генами создает перспективы для конструирования бактерий, которое можно выращивать без большого труда и значительных затрат для того, чтобы они синтезировали нужные вещества, такие, как, например, антибиотики, ферменты, гормоны, интерферон и другие.

В настоящее время клонированные ДНК уже целенаправленно используются для изменения природы не только бактерий, но и высокоорганизованных организмов.

Вопросы для самоконтроля

  • 1. Что представляют собой но природе белки? В чем заключается их биологическая роль?
  • 2. В чем суть обмена аминокислот в растительных организмах?
  • 3. Покажите особенности метаболизма белков в животных организмах.
  • 4. Представьте закономерности биосинтеза белка.
  • 5. Охарактеризуйте строение нуклеиновых кислот (ДНК, РНК) и покажите их роль в биосинтезе белка.
  • 6. В чем суть реализации генетического кода организма.
  • 7. Назовите основные пути естественного видоизменения ДНК. Рекомбинация ДНК. В чем сугь i-енной инженерии и каковы перспективы ее развития?
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >