¿Cuáles son los tipos de recombinación genética de microorganismos procarióticos en condiciones naturales? ¿Cuáles son sus características?
(1) Transformación
La transformación es la forma más temprana de transferencia de material genético que se encuentra en las bacterias. El experimento de Griffith de infectar ratones con Streptococcus pneumoniae en 1928, la realización de Avery del proceso de transformación in vitro más de 10 años después y la confirmación del factor de transformación del ADN fueron puntos de partida importantes para el desarrollo de las ciencias biológicas modernas.
1. Varios conceptos
La bacteria receptora transformada absorbe directamente fragmentos de ADN de la bacteria donante y los integra en su propio genoma mediante intercambio, adquiriendo así nuevas características genéticas.
Después de la replicación y división, las células receptoras del transformante tienen descendencia con los rasgos del donante.
Estado competente: estado fisiológico en el que las bacterias pueden absorber moléculas de ADN del entorno circundante para su transformación.
(2) Transducción
En 1952, Zinder y Lederberg descubrieron el fenómeno de la transducción mientras verificaban si Salmonella typhimurium también tenía conjugación.
El fragmento de ADN de la célula donante es transportado a la célula receptora por un fago completamente defectuoso o parcialmente defectuoso, y esta última adquiere ciertos rasgos genéticos de la primera mediante integración de intercambio. Este fenómeno se llama transducción. Las células receptoras que adquieren nuevas propiedades se denominan células transducidas. Los fagos que transportan parte del material genético del donante (fragmentos de ADN) se denominan fagos transductores. Los fagos que contienen sólo ADN bacteriano del donante se denominan fagos completamente defectuosos; los fagos que contienen tanto ADN del donante como ADN del fago se denominan fagos parcialmente defectuosos (parte del ADN del fago se reemplaza por ADN del donante).
Según las diferentes vías de los fagos y del ADN transducido, la transducción se puede dividir en transducción general y transducción local.
1. Transducción general
El fenómeno de la transducción general consiste en utilizar un fago completamente defectuoso para "empaquetar mal" cualquier pequeño fragmento de ADN de la bacteria donante y transferir sus rasgos genéticos al receptor. bacterias.
El mecanismo de transducción universal: el "modelo de selección de empaquetamiento", cuando el fago infecta bacterias sensibles y se replica y prolifera dentro de las bacterias, también degrada el ADN del huésped en muchos fragmentos pequeños. Durante el proceso de ensamblaje, una pequeña cantidad de fagos (10 -6-10 -8) empaquetan mal los fragmentos de ADN del huésped, que pueden formar "fagos" llamados fagos transductores universales (fagos completamente defectuosos). A medida que las bacterias se lisan, los fagos transducidos también se liberan en grandes cantidades. Cuando estos fagos transductores reinfectan la bacteria receptora, se inyectan fragmentos del ADN del donante en la bacteria receptora. Si el fragmento de ADN puede emparejarse con un fragmento homólogo del ADN de la cepa receptora, se producirá una recombinación genética mediante un doble intercambio de material genético para formar un transductor estable, lo que se denomina transducción completamente universal. Como el fago P22 de Salmonella typhimurium, el fago P1 de E. coli y el fago PBS1 y SP10 de Bacillus subtilis. Si el fragmento de ADN no puede intercambiarse, integrarse y replicarse con el ADN de la cepa receptora, sólo existe en un estado libre y estable y sólo sufre transcripción, traducción y expresión de caracteres, lo que se denomina aborto. Después de una división celular que sufre una transducción abortiva, este ADN extraño sólo puede distribuirse a una célula hija, y la otra célula hija sólo obtiene una pequeña cantidad del producto: la enzima formada por la transcripción y traducción del gen donante, por lo que es fenotípicamente diferente. Puede tener todavía ligeras características de la bacteria donante, que se "diluye" con cada división. Por tanto, la capacidad de formar microcolonias en medios selectivos se convierte en una característica de los sensores de flujo.
2. Transducción especializada
El fenómeno de transducción de expresión se obtiene llevando algunos genes específicos de la bacteria donante a la bacteria receptora a través de fagos templados parcialmente defectuosos. Las células receptoras recombinantes que adquieren ciertas características genéticas del donante después de la transducción se denominan células transducidas posicionalmente.
(1) Mecanismo de transducción limitada - "modelo de formación de híbridos" La molécula lineal de ADN bicatenario del fago lambda tiene una sola hebra de 12 nucleótidos (sitio cos del extremo pegajoso) en ambos extremos en el lisogénico. En este estado, el estado anterior del fago existe en los cromosomas de la célula. Después de ser inducidas, cuando las bacterias se lisan, las moléculas circulares formadas por los extremos pegajosos se replican a través de círculos rodantes para formar concatémeros de ADN que contienen múltiples genomas. El tamaño de los fragmentos de empaquetamiento está determinado por la distancia entre los dos sitios cos del paquete de escisión. y finalmente forma el fago transductor.
En casos raros (alrededor de 10 -5), una parte del ADN del profago y una longitud correspondiente del ADN del cromosoma bacteriano huésped se pierden en el ADN circular formado por un corte incorrecto de los sitios adyacentes en ambos extremos del profago y el cromosoma bacteriano, formando así El ADN híbrido puede empaquetarse y replicarse normalmente. El fago transductor recién formado se denomina fago parcialmente defectuoso. Dado que el sitio del profago lambda está flanqueado por el gal+ (gen para fermentar galactosa) y bio+ (gen para usar biotina) del cromosoma bacteriano, los fagos transductores formados generalmente portan los genes gal+ o bi, por lo que estos fagos parcialmente defectuosos aparecen como lambda dga1 (fago transductor de galactosa defectuoso) o λ dbio (fago transductor de biotina defectuoso). Estos fagos transductores pueden volver a invadir las bacterias receptoras. Después de la invasión, el ADN del fago se empareja con el fragmento homólogo de la bacteria receptora y se integra en el genoma de la bacteria receptora mediante un doble intercambio, lo que permite a la bacteria receptora adquirir esta parte de las características genéticas del donante.
(2) Transducción de baja frecuencia y transducción de alta frecuencia (LFT) en transducción posicional: dado que la frecuencia de lisis anormal en el cromosoma del huésped es extremadamente baja, la proporción de algunos fagos defectuosos contenidos en el lisado es extremadamente bajo (10-4-10-6), esta solución de lisis se llama solución de lisis LFT. Cuando los lisados de LFT infectan huéspedes con m.o.i (multiplicidad de infección) baja, se pueden obtener cantidades muy pequeñas de transductores. Transducción de alta frecuencia (HFT): La frecuencia formada por el transductor es muy alta, teóricamente hasta el 50%, por lo que se denomina transducción de alta frecuencia. La razón es que la bacteria donante es una bacteria bilisogénica que integra simultáneamente dos fagos en el cromosoma bacteriano. Por ejemplo, la cepa E. coli K12 tiene lisógenos duales E. coli K12 (λ/λ dg), es decir, su profago tiene λ y λ dg, que es un fago defectuoso con un gen donante gal+, pero parte del ADN. del fago en sí se pierde; λ El fago es un fago normal sin el gen gal, pero desempeña un papel auxiliar y puede compensar la falta de λ dg, de modo que λ dg se convierte en un "fago completo" y se libera. De esta manera, una bacteria puede liberar simultáneamente λ dg y λ fago, y el lisado en este momento se denomina lisado HFT. Cuando otra bacteria receptora de E. coli se infecta con un lisado de HFT de bajo m.o.I, se puede transformar en un transductor gal+ de E. coli capaz de fermentar lactosa a alta frecuencia. Este método se llama transducción de alta frecuencia.
Cuando un fago templado infecta a su huésped y lo lisogeniza, debido a que los genes del fago están integrados en el genoma del huésped, este último adquiere novedades distintas a la inmunidad, por lo que se llama lisogenia.
(3) Conjugación
Se refiere al fenómeno del contacto directo entre células intactas de la bacteria donante y la bacteria receptora para lograr una transferencia de ADN a gran escala.
Iederberg y Tatum diseñaron un famoso experimento en 1946 para demostrar el fenómeno de conjugación de los procariotas. Seleccionaron dos cepas mutantes auxotróficas diferentes de E. coli K12, de las cuales la cepa A es met- y bio-, y la cepa B es thr- y Leu-, se mezclaron y cultivaron en medio completo, y luego se extendieron en medio mínimo superior. . Los resultados mostraron que aparecieron colonias prototróficas (aproximadamente 10 -7) de met+, bio, thr+ y 1eu+ en el medio mínimo, mientras que no aparecieron colonias en el grupo de control de las dos cepas parentales recubiertas por separado. Experimentos adicionales confirmaron que la formación de la recombinación genética anterior fue el resultado de la recombinación genética después de la combinación de dos células parentales. Entre las bacterias, el fenómeno de conjugación más claramente estudiado es Escherichia coli. Se descubrió que Escherichia coli tiene diferenciación sexual y el factor decisivo es un plásmido, el factor f.
④Fusión de protoplastos.
Por medios artificiales, los protoplastos de dos células con diferentes rasgos genéticos se fusionan y luego se realiza una recombinación genética para producir una fusión que tiene ambos rasgos parentales y es genéticamente estable. Las células que pueden fusionar protoplastos son extremadamente amplias e incluyen no solo procariotas sino también varias células eucariotas.