8.5: Структура та організація ДНК у бактерій

Статеве розмноження дозволяє сумісним гендерам (думаю, чоловічої та жіночої) ділитися генами, стратегія, яка збільшує різноманітність видів. Виявляється, бактерії та інші одноклітинні організми також можуть ділитися генами... і поширювати різноманітність. Ми закриємо цю главу поглядом на секс (стиль E. coli!) , і експерименти з генного картографування, що показують лінійно розташовані гени на круговій молекулі бактеріальної ДНК (бактеріальна «хромосома»).

Секс кишкової палички починається при зустрічі F+ і F- клітин. Ці клітини є «протилежними» типами спаровування, які можуть ділитися ДНК під час кон'югації. F+клітини містять F плазміду, невелику кругову молекулу ДНК, яка відокремлена від хромосоми кишкової палички. Плазміда F (фертильність) має гени, які кодують статеві пілі на F+, а також фактори, необхідні для формування сполучного моста або кон'югаційної трубки. Поведінка F плазміди під час кон'югації показано нижче.

Коли F+ (донорська) клітина стикається з F- (реципієнтом) клітиною, статеві пілі на донорській клітині ініціюють розпізнавання. Далі утворюється кон'югаційна трубка, що зв'язує цитоплазми двох клітин. Після защемлення однієї нитки F плазмідної ДНК, защемлена починає скочуватися в кон'югаційну трубку і в реципієнтну (F-) клітину. Нитка ДНК, що входить в клітину-реципієнт, реплікується, як і інтактне коло, що залишається в донорській клітині (реплікація ДНК показана червоним кольором на ілюстрації).

Кон'югація кишкової палички може мати різні результати:

1. Одним з результатів є те, що одна з двох напівконсервативно реплікованих F плазмід залишається в донорській клітині, а інша тепер знаходиться в клітині реципієнта. В цьому випадку реципієнт стає новою донорською клітиною F+!

2. Іншим результатом є інтеграція F плазміди в хромосомну ДНК клітини реципієнта. Вставка, як правило, відбувається на певних ділянках ДНК, де існує достатня послідовність подібності між плазмідною та хромосомною ДНК, щоб дозволити введення шляхом рекомбінації. Результатом є те, що клітина-реципієнт стає клітиною Hfr (високочастотної рекомбінації). Ця клітина буде виробляти клітини потомства штаму Hfr.

Ці два можливі результати кон'югації в кишковій паличці проілюстровані нижче.

Клітини Hfr легко експресують свої інтегровані гени F плазміди, і, як і F+клітини, розвивають статеві пілі і утворюють кон'югаційну трубку з F-клітиною. Одна нитка бактеріальної хромосомної ДНК буде вирізана на вихідному місці введення F плазміди.

Наступні події паралельно реплікативному перенесенню F плазміди під час F+/F- кон'югації, за винятком того, що переноситься тільки частина хромосомної ДНК донора Hfr, як показано нижче.

На цій ілюстрації плазміда F вставила «перед» ген А, так що, потрапляючи в кон'югаційну трубку, вона приносить кілька хромосомних генів E. coli Через розмір бактеріальної хромосоми лише кілька бактеріальних генів потрапляють в ген-реципієнт перед перенесенням абортований. Але за короткий час перенесення ДНК, принаймні деякі гени дійсно потрапили в реципієнт F- штаму, де вони можуть бути експресовані. Ось контур експерименту, який дозволив відображати гени бактерій на кругову хромосому ДНК:

1. Клітини Hfr, що містять функціональні гени A, B, C, D, спаровувалися з клітинами-реципієнтами, що містять мутанти гена A, B, C або D.

2. Сполучення механічно порушувалося в різний час після утворення сполучної трубки.

3. Клітини-реципієнти з кожної з порушених кон'югацій потім вирощували в культурі та аналізували на специфічну генну функцію.

У цьому гіпотетичному прикладі результати полягали в тому, що реципієнт-клітина з мутантним геном А придбала ген дикого типу А (а отже, і функцію А-гена) через короткий час до порушення кон'югації. Поступово більш тривалі часи кон'югації (вимірювані в окремих експериментах) були потрібні для передачі генів B, C і D (відповідно) до клітини-реципієнта. Таким чином, порядок цих генів на бактеріальній хромосомі був

-А-Б-С-Д-

Терміни кон'югації, що призвели до того, що F- мутанти придбали функціональний ген зі штаму Hfr, були настільки уточнені, що не тільки можна було визначити генний локус, але навіть розмір) довжини) генів! Таким чином, час перенесення повного гена в F- клітину відображає розмір (довжину) гена. Інший важливий висновок полягає в тому, що гени розташовані лінійно на бактеріальній ДНК.

Нагадаємо, що гени, вже відображені по довжині еукаріотичних хромосом, мали на увазі лінійний порядок генів. Однак про структуру еукаріотичної хромосоми в той час було мало відомо, і роль ДНК як «матеріалу генів» не оцінювалася. Ці експерименти зі спаровування бактерій вперше продемонстрували, що гени лінійно розташовані не тільки уздовж хромосоми, але і вздовж молекули ДНК.

З часом багато бактеріальних генів були відображені по всій хромосомі кишкової палички шляхом виділення багатьох різних штамів Hfr, в яких F плазміда вставлялася в різні ділянки навколо кола ДНК. Ці штами Hfr спаровувалися з F-бактеріями, кожна з яких мала мутації в тому чи іншому відомому бактеріальному гені. Як і в оригінальному експерименті «ABCD», було визначено порядок багатьох генів і навіть показано, що вони пов'язані на більшій чи меншій відстані з цими генами ABCD та один з одним.

Карта, яка є результатом такого дослідження, наведена на схемі нижче.

Використовуючи різні штами Hfr (пронумеровані на діаграмі) в експериментах з кон'югації, було показано, що насправді різні клітини Hfr передавали різні гени в клітини-реципієнти в порядку, передбаченому діаграмою. Більше того, коли експеримент був проведений з Hfr4 (на цій загальній діаграмі); порядок генів, переданих після більш тривалого часу кон'югації, був виявлений:

V-W-X-Y-Z-А-Б...

Очевидним висновком з подібних експериментів було те, що молекула ДНК кишкової палички (її «хромосома») була замкнутим колом! Ми побачимо візуальні докази кругових хромосом E. coli в наступному розділі, з деяким обговоренням того, як ці докази інформували наше розуміння реплікації ДНК.