Вивчення бактерій відкрило цілий ряд явищ, висвітлили з нового боку джерела спадкової мінливості і механізми спадкової передачі.
Одним з перших успіхів в цій області було відкриття явища трансформації у бактерій в 1928 р
Відомо кілька штамів пневмокока Diplococcus pneumoniae: штам S - з полисахаридной капсулою і гладкими колоніями і штам R - без капсули і з шорсткими колоніями. Обидва ці ознаки спадкові. Бактеріолог Ф. Гріффітс ін'єктувати мишам разом з убитим нагріванням штамом пневмокока, що володіє капсулою (S), штам живого пневмокока, позбавленого капсули (R). Через деякий час йому вдалося виділити із заражених мишей живих пневмококів, що володіють капсулою. Таким чином, виявилося, що властивість вбитого пневмокока - здатність утворювати капсулу - перейшло до живої бактерії. Оскільки ознака наявності капсули є спадковим, то слід припустити, що якась частина спадкового речовини від бактерій штаму S перейшла до клітин штаму R. Але як це могло статися, якщо клітини штаму S були вбиті? Можна було припускати, що в цьому випадку або виникла мутація, або відбулася своєрідна гібридизація між живими і мертвими бактеріями. Перше пояснення було найбільш вірогідним, проте всупереч здоровому глузду друге пояснення виявилося ближче до істини.
У 1944 р О. Евері із співробітниками вдалося з'ясувати природу цього загадкового явища. Вони взяли ті ж два штами - R і S. Перед початком вирішальних дослідів було вивчено спонтанне мутирование обох форм. Виявилося, що гладка S-форма хоча і дуже рідко, але спонтанно мутує в R-форму, а R-форма практично зовсім не мутує в S-форму, т. Е. Мутації відбуваються майже виключно в одному напрямку: S → R. Але якщо R-форму поміщали в екстракт з убитих клітин S-форми, то частота змін R → S збільшувалася в 10 000 разів. Стало очевидним, що ознака одного штаму (S) через якусь речовину екстракту передавався іншому штаму (R), т. Е. Виникало спрямоване спадкове зміна. Далі була проведена ретельна очистка - виділення цієї речовини з екстракту клітин S-форми. Речовина була названа трансформирующим фактором (ТФ), а саме явище - трансформацією.
Трансформуючий фактор по своїй біохімічній природі представляв собою не що інше, як дезоксирибонуклеїнової кислоти, що входить до складу хромосом. При цьому було встановлено, що він володіє деякими характерними властивостями. Його можна екстрагувати з клітин, очищати, впливати на нього in vitro хімічними і фізичними факторами і потім знову вводити в живі клітини і вивчати викликані ним зміни.
Явище трансформації стало одним з основних доказів ролі ДНК як носія спадкової інформації. Тепер терміном «трансформація» позначають особливий спосіб гібридизації бактерій, при якому відбувається включення ДНК з клітки одного генотипу (донора) в клітку іншого генотипу (реципієнта), що приводить до рекомбінації генів. Інакше кажучи, трансформація являє включення речовини хромосоми донора в хромосому реципієнта.
Спочатку до цих досліджень поставилися скептично. Але незабаром багато дослідників зрозуміли, що відкрито не тільки нове явище, але і один з нових методів дослідження спадковості. У наступних генетичних і біохімічних дослідженнях було показано, що явище трансформації широко поширене у бактерій. Воно твердо встановлено у самих різних видів і родів бактерій: Diplococcus, Staphyloccocus, Hemophilus, Neisseria, Agrobacterium, Rhizobium, Bacillus, Xantomonas.
Схема досвіду, який демонструє явище трансформації
Припустимо, що один із штамів пневмококів володіє спадкової чутливістю до стрептоміцину (реципієнт). При розсіві чутливих клітин на агарної середовищі зі стрептоміцином колонії не розвиваються. Інший штам - Донор, стійкий до стрептоміцину, на середовищі з останнім розвивається. Після роздільної інкубації цих штамів з культури донора виділяють ДНК, очищують її від білка і вводять в культуру реципієнта. Деякі клітини реципієнта виявляються сприйнятливими до ТФ і включають ДНК донора. Такі клітини називаються компетентними клітинами. Після деякого часу спільної інкубації чутливих до стрептоміцину пневмококів з ДНК Донора їх висівають на агарове середовище зі стрептоміцином. При цьому клітини реципієнта, які сприйняли ТФ з геном стійкості, дадуть колонії. Клітини з цих колоній в подальшому нескінченно довго зберігають стійкість до стрептоміцину. Ця стійкість була передана до частини молекули ДНК, де «записана» Спадкова інформація стрептоміціноустойчівості. Якщо ж ДНК донора перед приміщенням в культуру реципієнта обробити Дезоксирибонуклеаза, то ТФ залишають поза передачею спадкових властивостей донора.
Активність трансформуючого фактора виявилася надзвичайно високою. Так, у Hemophilus трансформація здійснюється протягом 15 хв при концентрації ДНК 0,00015γ (γ = 10 -6 г) в 1 мл середовища. За допомогою міченого фосфору (Р 32) було показано, що не вся ДНК донора включається в геном реципієнта, а лише фрагменти з молекулярною вагою близько 3 · 10 5. У той же час під дією ферменту дезоксирибонуклеази (ДНК-ази), яка руйнує ДНК, активність, що трансформує агента падає до нуля.
Трансформації можуть піддаватися різні ознаки. У пневмококів, наприклад, трансформується наявність капсули, специфічність білків, розмір і морфологія колоній, стійкість до антибіотиків (пеніциліну і стрептоміцину), здатність до окислення певних речовин і ін.
Як правило, трансформуються окремі властивості, але іноді одночасно кілька ознак в зчепленому стані. Р. Хочкіс і Дж. Мармур за допомогою ДНК, виділеної зі штаму пневмокока, стійкого до стрептоміцину і здатного зброджувати маннит, трансформували обидва ці властивості іншому штаму пневмокока, що не володів ними. Одночасна передача обох ознак від донора до реципієнта відбувалася в 50 разів частіше, ніж це очікувалося, якби трансформація за обома ознаками здійснювалася незалежно. Додаткова перевірка показала, що дійсно в розглянутому прикладі має місце сцепленная передача обох ознак.
Як правило, трансформація можлива між різними штамами одного і того ж виду, однак недавно була показана можливість міжвидової трансформації. В цьому випадку донором трансформуючого фактора були види Hemophilus parainfluenzae або Н. aegypti, а реципієнтом - Н. influenzae. Характерною особливістю міжвидової трансформації виявилася низька частота її здійснення в порівнянні з внутрішньовидової.
При вивченні дії мутагенів на ДНК, що володіє трансформує активністю, виявлена різна чутливість до мутагенів окремих спадкових факторів цього трансформуючого фактора. Так, наприклад, опромінення ультрафіолетом значно частіше інактивує фактор, що визначає форму капсули у пневмококів, ніж фактор, що обумовлює стійкість до стрептоміцину.
Таким чином, трансформація забезпечує генетичну рекомбінацію у бактерій. У цьому може полягати її значення для еволюції бактеріальних організмів. Виявлення трансформації і вивчення біохімічної природи трансформуючого фактора з'явилися вагомими аргументами на користь генетичної ролі ДНК як матеріального носія спадкової інформації.
Після відкриття явища трансформації у бактерій були зроблені спроби виявити це явище у вищих тварин. Отримавши екстракти ДНК з певних тканин організму одного генотипу, їх вводили іншого в надії на те, що специфічна ДНК донора викличе в ДНК статевих клітин реципієнта спрямоване спадкове зміна. Хоча в цьому плані було зроблено кілька цікавих спроб, переконливих фактів трансформації у вищих організмів поки невідомо. Втім, в принципі здійснення трансформації на соматичних клітинах тварин і людини цілком можливо. Так, показано, що клітини в культурі тканин можуть засвоювати, включати мічену ДНК з середовища. Можливо, метод культури тканин відкриє нові перспективи досліджень в цій області.
Поділіться посиланням з друзями