Трансформация (генетика)

Впервые явление трансформации наблюдал в 1928 году Фредерик Гриффит, работавший с пневмококками (Streptococcus pneumoniae). Он обнаружил, что авирулентные штаммы, лишённые капсулы, могут получать нечто даже от мёртвых вирулентных клеток, имеющих капсулу, и в результате также становятся вирулентными. Через 16 лет Эвери, Маклеод и Маккарти показали, что этим самым агентом была ДНК, содержащая гены, необходимые для формирования капсулы[2]. Они выделили ДНК из вирулентного штамма S. pneumoniae и показали, что введение одной только этой ДНК в клетки авирулентного штамма превращает их в болезнетворные. Результаты Эвери и коллег поначалу были встречены скептически, и окончательно они были признаны достоверными после описания явления генетического переноса Джошуа Ледербергом — конъюгации (в 1947 году) и трансдукции (в 1953 году)[3].

В 1970 году было экспериментально показано, что клетки кишечной палочки Escherichia coli могут захватывать ДНК бактериофага λ без вспомогательного фага после обработки раствором хлорида кальция[4]. Через два года была показана возможность захвата клетками в аналогичных условиях плазмидной ДНК[5]. Так была изобретена химическая трансформация. В конце 1980-х годов для трансформации бактериальных клеток начали использовать электропорацию, которая оказалась во многих случаях эффективнее химической трансформации и была применима для большего числа штаммов[6].

К трансформации способны многие бактерии, например, Streptococcus, Haemophilus, Bacillus, актиномицеты, цианобактерии и другие бактерии. Так, антигенная вариация, наблюдаемая у возбудителя гонореи Neisseria gonorrhoeae, обеспечивается за счёт трансформации, при которой клетки передают друг другу гены различных вариантов пилей, за счёт которых прикрепляются к клеткам организма-хозяина[7]. В нормальном состоянии проникновению крупных молекул ДНК внутрь бактериальных клеток мешают плотные покровы, поэтому, чтобы быть способной к трансформации, клетка должна войти в так называемое состояние компетентности. В естественных условиях компетентность приобретает часть культуры в логарифмической фазе роста под действием некоторых белков (факторов компетентности), действующих через двухкомпонентную систему. Хлорамфеникол, блокирующий синтез белка, не даёт образовываться и компетентным клеткам[8]. Возможно также, что свою роль в развитие компетентности вносит плотность бактериальной культуры, поскольку при этом повышается концентрация факторов компетентности. У Streptococcus mutans и у других видов рода Streptococcus трансформация часто происходит при формировании биоплёнок[9]. У Bacillus subtilis некоторые гены, вовлечённые в развитие компетентности, также задействованы в споруляции. Развитие компетентности в лог-фазе обусловлено нехваткой питательных веществ и накоплением значительного количества факторов компетентности[7]. Трансформацию могут провоцировать бактериофаги, вызывающие выход ДНК из погибающих клеток[10], а также повреждения бактериальной ДНК[11]. Приобретение компетентности — чрезвычайно сложный физиологический процесс, у Bacillus subtilis он требует экспрессии около 40 генов[12].

Сначала компетентные клетки связывают ДНК своей поверхностью с помощью особых рецепторов, причём линейными фрагментами клетка трансформируется гораздо легче, чем кольцевыми. ДНК расщепляется нуклеазами до фрагментов с массой до 4—5 миллионов Да, причём в клетку поступает лишь одна из двух цепей фрагментов. Некоторые бактерии, такие как пневмококки и Bacillus subtilis, могут поглощать ДНК из разнообразных источников, а другие, такие как Haemophilus, могут поглощать только ДНК клеток своего вида. Фрагменты, имеющие массу менее 500 кДа, в клетку не попадают[8][2].

После попадания в клетку одноцепочечный фрагмент встраивается в геномную ДНК клетки-реципиента. Трансформация длится от 10 до 30 минут и у разных бактерий происходит с частотой около 1 %[13].

Схема искусственной трансформации

В естественных условиях трансформация даёт возможность бактериям получить извне гены, которые могут помочь адаптироваться к данным условиям. Таким образом, трансформация является одним из механизмов горизонтального переноса генов, наряду с конъюгацией (обменом клетками генетическим материалом при физическом контакте), и трансдукции, при которой фрагмент ДНК переносится фагом[14]. Так как компетентность может вызываться повреждениями ДНК и часто происходит под действием агентов, вносящих повреждения в ДНК (например, у Helicobacter pylori трансформацию индуцирует антибиотик ципрофлоксацин, стимулирующий образование двуцепочечных разрывов[15]), то трансформация может служить адаптивным механизмом, способствующим репарации ДНК. Получая фрагмент ДНК извне (особенно от бактерии того же вида), бактерия может использовать его в качестве матрицы для репарации повреждений путём гомологичной рекомбинации[16].

Трансформация стала рутинным методом молекулярной биологии для наработки большого количества требуемой плазмиды. Чтобы искусственно ввести клетки в состояние компетентности, существует два основных подхода: электропорация, при которой клетки поглощают ДНК после кратковременно приложенного напряжения, и химическая трансформация, при которой на клетки действуют разнообразными солями двухвалентных ионов, например, хлоридом кальция[2][17].

• Инге-Вечтомов С.Г. Генетика с основами селекции. — СПб.: Издательство Н-Л, 2010. — 718 с. — ISBN 978-5-94869-105-3.
• Jeremy W. Dale, Simon F. Park. Molecular Genetics of Bacteria. — 4th Edition. — John Wiley & Sons, Ltd, 2004. — ISBN 0-470-85084-1.