ТРАНСДУКЦІЯ

ТРАНСДУКЦІЯ (від лат. transductio) — перенесення фрагментів ДНК (генів) з однієї бактеріальної клітини в іншу, здійснюване помірними або вірулентними бактеріофагами, яке призводить до зміни спадкових властивостей клітини-реципієнта. При Т. у віріони потрапляє ДНК клітини-господаря. Потім віріони заражають інші клітини, і ДНК вихідної бактеріальної клітини проникає в іншу бактеріальну клітину. Вірус, що переносить клітину ДНК або РНК, називається трансдукційною частинкою.

Явище Т. було відкрито американськими вченими Джошуа Ледербергом (Joshua Lederberg) і Нортоном Циндером (Norton Zinder) у 1952 р. під час вивчення бактерії Salmonella typhimurium та її паразита фага P22. Явище загальної Т. використовують для картування геномів бактерій, у генній інженерії, а також при виробництві рекомбінантних вакцин. За допомогою Т. можна відтворити корисні для людини ферментативні властивості, резистентність до антибіотиків, токсигенність та інші ознаки, що широко застосовуються в промисловій біотехнології та фармації.

Розрізняють два основні види Т.: загальна, за якої може переноситися будь-яка ділянка геному клітини, та спеціалізована, під час якої завжди переноситься один і той самий набір генів.

Загальна Т. характеризується тим, що переноситися може будь-який фрагмент бактеріальної хромосоми. Цей процес потребує успішного проходження двох етапів: утворення вірусної частинки, що містить ДНК реципієнта, та стабільне введення цієї ДНК у клітину донора. Останнє найчастіше забезпечується сайт-специфічною рекомбінацією з бактеріальною хромосомою. Процес формування трансдукційних частинок залежить від особливостей метаболізму ДНК конкретного виду вірусу. Найчастіше до Т. здатні фаги, в яких пакування ДНК відбувається за механізмом «повної голівки». Найкраще цей процес вивчений на прикладі фага P22.

Вірусні частинки фага P22 містять лінійну дволанцюгову ДНК із «тупими» кінцями, тобто без однониткових виступів. Коли після інфікування вона потрапляє в клітину, то в першу чергу відбувається її циклізація. Перетворення лінійної ДНК у кільцеву здійснюється шляхом сайт-специфічної рекомбінації між правою та лівою кінцевими ділянками і є можливим тільки завдяки тому, що ці ділянки однакові. У цьому і полягає значення існування кінцевої надлишковості у геномі фага P22. Далі кільцева ДНК вірусу реплікується за механізмом «кільця, що котиться», внаслідок чого утворюється довгий конкатемер, який складається з великої кількості послідовно сполучених копій геному фага.

Під час інфекції фагом P22 бактеріальна хромосома не деградується, а отже, вона також може бути субстратом для пакування у вірусні частинки. У геномі S. typhimurium справді є 10–15 ділянок, схожих до pac-сайту фага P22, і в них може ініціюватися процес пакування. Таким чином, утворюватимуться вірусні частинки, котрі нестимуть гени бактерії. Проте трансдукційні частинки формуються значно рідше, ніж звичайні віріони, імовірно, через те, що хромосомні ділянки, з яких починається пакування бактеріальної ДНК, не повністю ідентичні до pac-сайту вірусу. Починаючи з кожної з таких послідовностей, у голівки може запаковуватися 10–15% геному бактерії. Проте чим далі ген знаходиться від pac-сайту, тим менша ймовірність його потрапляння в трансдукційну частинку. Через це деякі гени S. typhimurium переносяться фагом P22 у тисячу разів рідше, ніж інші.

Існує HT мутант фага P22, що характеризується значно більшою частотою формування трансдукційних частинок (приблизно половина вірусного потомства), ніж дикий тип. Імовірність перенесення деяких генів такими вірусами може збільшуватися до 10 000 разів порівняно з вихідним штамом. HT мутант має змінений білок, що розпізнає pac-сайт. Через зсув у специфічності він починає «надавати перевагу» іншій, значно поширенішій в геномі бактерії, послідовності. HT штам часто використовують у певних генетичних маніпуляціях, для яких потрібна Т.

Загальну Т. широко використовують для побудови генетичних карт, тобто для встановлення послідовності розташування генів, а також відстані між ними. Для цього використовують котрансдукцію двох або, частіше, трьох чинників. Зазвичай таким методом досліджують гени, розташовані надто близько, щоб їх послідовність можна було встановити методом перерваної кон’югації. Напр., якщо потрібно картувати три близькі гени A, B і C, як донор використовуватиметься прототроф A+B+C+, на культурі якого вирощуватимуться бактеріофаги, частина з яких утворить трансдукційні частинки. Отриманими фагами заражатимуть ауксотрофний штам ABC, при цьому утвориться сім класів бактерій, в яких відбулася Т., і один, найбільший, в якому не відбулося Т. Останнього слід позбутися для подальших досліджень. Найпростіший метод — це відібрати клітини, в яких ген дикого типу замінив хоча б один із локусів; для прикладу, нехай це буде ген A. Культуру бактерій вирощуватимуть на мінімальному середовищі з доданими факторами, необхідними для ауксотрофів B та C. Таким чином, можна відібрати чотири класи трансдуктантів: A+BC, A+B+C, A+BC+, A+B+C+, ще три будуть втрачені. Після цього репліки отриманих культур переносять на повноцінне середовище без фактора, необхідного для B, та на повноцінне середовище без фактора для C, та визначають, чи відбулася Т. у кожному з цих двох локусів. Тепер можна обчислити частоту кожного з чотирьох класів. З отриманих результатів можна зробити висновок, що ген B міститься між генами A і С, оскільки найрідкіснішим завжди є той клас, у якого в хромосому вбудувалися два крайні гени, але не середній, через те, що в такому разі повинно було відбутися не два, а чотири кросинговери. Проте результати, отримані таким методом, будуть хоч і інформативними, але неповними через втрату трьох класів трансдуктантів.

Крім картування генів, загальна Т. також може використовуватися для комплементаційного аналізу, перенесення плазмід та транспозонів, конструювання нових штамів мікроорганізмів.

Спеціалізована Т. відрізняється від загальної кількома рисами: по-перше, під час цього процесу ділянка ДНК донора у трансдукційній частинці ковалентно приєднана до вірусної ДНК, по-друге, переносяться не будь-які гени, а лише певна специфічна ділянка бактеріальної хромосоми. Спеціалізована Т. використовується як потужний інструмент для маніпуляції генами: молекулярного клонування, картування окремих генів та мутацій в них, спрямованого мутагенезу, комплементаційного аналізу тощо.

Найкраще вивченим прикладом спеціалізованої Т. є Т. за допомогою помірного бактеріофага λ E. coli. Геном цього вірусу представлений лінійною двонитковою ДНК із 12-нуклеотидними «липкими кінцями». Потрапляючи в клітину бактерії, ця ДНК замикається в кільце завдяки гібридизації між «липкими кінцями», на місцях яких формується cos-сайт. На певному етапі літичного циклу розвитку фага λ його геном реплікується за механізмом «кільця, що котиться», внаслідок чого утворюються довгі конкатемери. Під час пакування ДНК у фагові голівки, ферменти, що розрізають конкатемер на окремі фрагменти, діють сайтспецифічно — тільки у cos-ділянках, генеруючи «липкі кінці». Довжина ДНК, що пакується, може бути різною — від 35 до 50 т. п. н.

Під час лізогенного циклу розвитку геном фага λ вбудовується у хромосому кишкової палички між галактозним та біотиновим опероном, завдяки рекомбінації між ділянками aatP (англ. phage attachment) та aatB (англ. bacteria attachment), при цьому на кінцях вставки (профага) утворюються дві нові ділянки — attR (англ. attachment site on the right) та attL (англ. attachment site on the left). У разі індукції профага він повинен вирізатися із хромосоми кишкової палички. Зазвичай цей процес відбувається шляхом рекомбінації між сайтами attR та attL, проте інколи реалізується помилкова, так звана незаконна, рекомбінація, у випадку якої фрагмент, що вирізається, зсувається вправо або вліво, а отже, він міститиме частину бактеріальної ДНК і не міститиме частини вірусної, якщо при цьому cos-сайт не втрачається, то така ДНК може успішно запаковуватися у вірусні голівки. Переважно трансдукційні частинки фага λ переносять галактозний оперон E. coli, такі фаги позначаються λ gal. Частина цих вірусів несе всі необхідні для літичного розвитку гени, інші є дефектними і можуть розвиватися тільки за наявності фага-помічника.

Коли фаг, що несе ділянку хромосоми донора, заражає клітину реципієнта, стабільна Т. може відбуватися кількома шляхами. Фаг може лізогенізувати клітину. Якщо у нього зберігся сайт attB і ген int, то вбудовування відбувається аналогічно дикому типу. Проте зазвичай якраз ці ділянки і втрачаються в процесі формування трансдукційної частинки, тому вбудовування проходить іншим чином, найчастіше — шляхом рекомбінації між ділянкою ДНК донора, принесеною фагом, та гомологічною ділянкою в хромосомі живителя. За певних умов геном трансдукційного вірусу може зберігатися в цитоплазмі клітини як плазміда.

Існують також абортивна Т., за якої ділянка хромосоми бактерії, що потрапляє в іншу бактеріальну клітину, не подвоюється при її наступних поділах, а передається тільки одній дочірній клітині, та котрансдукція — це процес, який сприяє створенню біологічної відповіді на зовнішній подразник (напр. процес передачі гормонального сигналу клітині за допомогою рецепторів гормонів).

Абортивная трансдукция // Большая советская энциклопедия / Главн. ред. А.М. Прохоров. — М., 1978; Морозов Е.И., Тарасевич Е.И., Анохина В.С. Генетика в вопросах и ответах. — Минск, 1989; Тарантул В.З. Толковый биотехнологический словарь. — М., 2009.