Трансформація
Механізм рекомбінації генів в еукаріотів. Еволюційне значення процесу.
Рекомбінація генетичного матеріалу постійно відбувається в природі. Поряд з мутаціями вона створює генотипову різноманітність особин – важливу передумову для дії природного добору. Лише наприкінці XIX – на початку XX ст. селекціонери почали свідомо використовувати створений природою механізм рекомбінації для підвищення ефективності штучного добору і виведення нових високопродуктивних сортів рослин і порід тварин методом гібридизації.
Гібридизація базується на перекомбінації хромосом та генів батьківських форм під час мейозу і запліднення.
У поєднанні з індивідуальним добором вона дала чудові наслідки і залишається основним методом сучасної селекції. Наукове осмислення і практичне освоєння гібридизації було першим кроком у використанні явища рекомбінації генетичного матеріалу в інтересах людини.
Проте у бактерій природа винайшла інші способи рекомбінації генетичного матеріалу, такі, як трансформація, трансдукція та кон'югація. Можна було сподіватися, що окремі деталі цих специфічних природних процесів після їх докладного вивчення також знайдуть практичне застосування. Встановлення генетичної ролі ДНК та відкриття можливості інтеграції чужої ДНК з геномом господаря послужило однією з передумов виникнення нового напряму молекулярної біології – генної інженерії.
2. Рекомбінація генетичного матеріалу у прокаріотів:
Феномен трансформації був відкритий англійським бактеріологом Ф. Грифітом у 1928 р. Він проводив досліди з пневмококом Diplococcus pneumoniae, який викликає пневмонію в людей. Пневмокок патогенний також для мишей, і тому ін'єкція мокроти хворої людини призводить до загибелі мишей протягом доби.
Патогенність пневмокока зумовлена наявністю полісахаридної капсули, яка захищає його від дії захисних механізмів зараженої ним тварини.
S-Штам (від англ. smooth – гладкий), який використовувався в дослідах, мав полісахаридну капсулу, був патогенний і утворював у культурі гладенькі колонії. .R-Штам, який виник внаслідок мутацій з S-штаму, не мав капсули, не викликав захворювання і утворював шорсткуваті колонії (англ. rough – шорсткуватий). Ін'єкція S-штаму супроводжувалася загибеллю мишей, а після введення R-штаму вони залишалися живими. Великим був подив дослідника, коли він виявив, що після ін'єкції непатогенного R-штаму, до якого додавалися вбиті нагріванням S-клітини, миші загинули. З крові таких мишей були виділені S-пневмококи, що свідчило про трансформацію (перетворення) R → S. Властивість вбитих клітин (наявність капсули, патогенність) якимось чином передавалась живим клітинам. Через три роки виявилося, що трансформація відбувається in vitro, якщо в культуральне середовище R-штаму додати безклітинний екстракт S-бактерій. Такий результат завжди відтворювався в експериментах, однак пояснити природу цього явища вчені змогли тільки через 16 років.
У 1944 р. американські вчені О. Ейвері, К. Мак-Леод і М. Мак-Карті повторили досліди Ф. Грифіта на аналогічній експериментальній основі. З метою ідентифікації трансформуючого агента вони за допомогою хімічних і ферментативних методів розділили безклітинний екстракт S-штаму на складові компоненти (полісахариди, білки, РНК, ДНК та ін.): Додаючи їх почергово в культуру безкапсульного штаму, дослідники визначили, що матеріальною причиною трансформації є ДНК. Активність трансформуючого агента (ДНК) виявилася дуже високою. Трансформація відбувалася навіть тоді, коли в 1 мл культурального середовища вносилося О.ОООІ5γ (γ = 10-6 г) високоочшценої ДНК. З'ясування природи трансформуючого агента було епохальною подією в пізнанні генетичної ролі ДНК, першим незаперечним доказом того, що ДНК є носієм інформації. На основі одержаних результатів О. Ейвері і його співробітники, незважаючи на пануючу в той час тетрануклеотидну теорію будови цієї молекули, дійшли висновку про біологічну (видову) специфічність ДНК. Про те, наскільки несподіваним було це відкриття, свідчить той факт, що у 1944 р. навіть не знали, що ДНК входить до складу пневмококів, хоча вже кілька десятиріч було відомо, що ДНК є основним компонентом хромосом еукаріотів.
Таким чином, трансформація – це спосіб передачі спадкової інформації клітині-реципієнту від клітини-донора за допомогою ДНК. Фрагменти ДНК донора за певних умов проникають в клітину реципієнта, стають одноланцюговими і рекомбінуються з його геномом. Внаслідок цього реципієнт набуває ознак донора. Наприклад, під час трансформації R → S безкапсульні клітини включали у свій геном ген S, який контролює одну із стадій синтезу капсульного полісахариду.
Здатність клітин до трансформації є різною. На певній стадії життєвого циклу в окремих бактеріальних клітинах виникає особливий фізіологічний стан – стан компетентності, який характеризується максимальною здатністю клітин до трансформації. Внаслідок зміни метаболізму і проникності мембрани компетентна клітина може активно транспортувати ДНК з навколишнього середовища і поглинати її в десятки і навіть сотні разів більше, ніж у звичайному стані.
Методом мічених атомів було встановлено, що в геном реципієнта включаються лише невеликі фрагменти ДНК донора і тому здебільшого трансформуються лише одна-дві ознаки, які контролюються розміщеними поряд генами. Пізніше трансформацію спостерігали в експериментах з іншими коками, бацилами, бульбочковими бактеріями, бактеріями кишкової групи, синьозеленими водоростями тощо. Вчені робили численні спроби трансформації нижчих еукаріотів (дріжджів, водоростей) та багатоклітинних рослин та тварин. Проте вони залишалися безуспішними до семидесятих років XX ст., коли виникла технологія генної інженерії і були розроблені методи так званої векторної трансформації (див. Генна інженерія).
На сьогодні проблему трансформації еукаріотів вирішено і роль ДНК як універсального носія спадкової інформації не викликає сумнівів.
Явище трансформації поширене в природі і може відбуватися між штамами одного виду, а також між різними видами, але частота міжвидової трансформації значно менша, ніж внутрішньовидової. Потрібна для спонтанної трансформації ДНК може вивільнятися з відмерлих клітин, які зазнали лізису, а також виділятися в навколишнє середовище живими клітинами.
Природна трансформація – важливий фактор еволюції прокаріотів.