Объясняются пути передачи биологических сигналов внутри клеток и между ними, важные для регуляции функций.
Трансдукция представляет собой процесс переноса генетического материала из одной клетки в другую посредством вирусного вектора, чаще всего бактериофага. Вирусы этого типа способны захватывать участки ДНК хозяина и переносить их в новые клетки, что становится причиной изменения наследственных свойств этих клеток. Основная особенность трансдукции заключается в использовании вирусов как посредников, что отличает её от других методов горизонтального переноса генов, таких как конъюгация или трансформация [1][2].
Впервые явление трансдукции было описано американскими учёными Джошуа Ледербергом и Нильсом Циндером в 1952 году. Их исследования показали, что некоторые бактериофаги способны случайным образом включать в свои частицы фрагменты ДНК бактерий вместо собственного вирусного генома, что позволяет этим вирусам переносить бактериальные гены между клетками без размножения самого фага внутри новой клетки [3].
Существует две основные формы трансдукции: общая (неспецифическая) и ограниченная (специфическая). Общая трансдукция происходит при лизисе бактерии, когда умеренный фаг случайно захватывает любой участок ДНК разрушаемой клетки. Размер переносимого фрагмента определяется размером белковой оболочки фаговой частицы и обычно не превышает 1—2% бактериального генома. Этот фрагмент может содержать несколько генов и использоваться для составления генетических карт хромосом бактерий благодаря зависимости вероятности сцепленной передачи от расстояния между генами на хромосоме [3].
Ограниченная трансдукция связана с интеграцией профага в хромосому бактерии при лизогенизации. При нарушении точности выхода профага из хромосомы формируются частички, содержащие молекулу ДНК, состоящую из остатка фагового генома и фрагмента бактериального генома. Эти частицы способны передавать только определённые гены, расположенные рядом с местом включения профага. В большинстве случаев такие частички утрачивают до 30% фагового генома, что исключает их самостоятельное размножение и лизогенизацию новой клетки [3].
Перенесённый вирусным вектором фрагмент ДНК может существовать внутри клетки в виде дополнительного генетического элемента, обладающего функциональной активностью, либо быть интегрированным в хромосому бактерии за счёт обмена на гомологичный участок. При абортивной трансдукции этот элемент не воспроизводится при делении клетки и передаётся только одной дочерней клетке, тогда как остальные потомки сохраняют исходные свойства. Полная трансдукция приводит к стабильной передаче новых признаков всему потомству клетки-трансдуцента после интеграции ДНК в хромосому [3].
В случае интеграции бактериального фрагмента профага достигается стабильный фенотипический эффект. Однако часть потомства может восстанавливать исходные свойства из-за утраты профага. Таким образом, устойчивость приобретённых черт зависит от характера взаимодействия вирусного материала с клеточным геномом и механизма наследования вставленного сегмента [3].
Размер переносимого при трансдукции участка ДНК лимитирован белковой капсидой фаговой частицы, обычно это не более 1—2% бактериального генома. Такая величина накладывает ограничения на количество одновременно транспортируемых генов. Это влияет на эффективность использования трансдукции для генного картирования и других приложений молекулярной биологии [3].
Специфичность ограниченной трансдукции обусловлена локализацией профага в конкретном месте хромосомы бактерии. Нарушение точности эксцизии приводит к включению соседних бактериальных последовательностей вместе с вирусной ДНК, что делает возможным перенос строго определённых участков генома бактерий. Такие особенности играют важную роль при изучении структуры бактериальных хромосом и механизмах взаимодействия профагов с клеткой-хозяином [3].
Трансдукция служит важным инструментом для изучения бактериальной генетики, позволяя создавать карты расположения генов и исследовать функции отдельных участков ДНК без необходимости прямого внедрения чужеродных элементов традиционными методами. Благодаря способности бактериофагов переносить гены между клетками этот процесс облегчает анализ наследственных изменений и взаимодействия компонентов клеточного метаболизма [3].
В биотехнологических приложениях трансдукция используется для доставки целевых генов в микроорганизмы с целью создания штаммов с необходимыми свойствами, например, устойчивостью к антибиотикам или способностью синтезировать ценные вещества. Использование вирусных векторов обеспечивает высокую эффективность проникновения ДНК внутрь клетки по сравнению с химическими или физическими методами введения материала [1][3].
Умеренные бактериофаги обладают способностью переходить из лизогенного состояния к активному размножению с последующим лизисом хозяина. При этом они могут случайно захватывать участки ДНК бактерии вместо собственного вирусного материала. В результате формируются трансдуцирующие частицы, которые несут исключительно бактериальный генетический материал без способности к репликации или лизогенизации новой клетки; их функция ограничивается доставкой информации [3].
Такие частицы не обеспечивают иммунитет к фагу у реципиентов и не производят новых вирусных копий, что отличает их от классических инфекционных форм фага. Это обстоятельство снижает риск нежелательных эффектов при использовании трансдукции для исследования или модификации бактерий [3].
После попадания стороннего участка ДНК внутрь клетки он может либо оставаться автономным элементом с функциональной активностью, либо интегрироваться в хромосому путем обмена на гомологичный участок молекулы ДНК хозяина. Такой процесс рекомбинации обеспечивает стабильное наследование новых признаков во всех последующих поколениях клеток-трансдуцентов.
Если вставка не происходит либо происходит частично без интеграции, новый материал теряется при делении клеток и не влияет на фенотип потомства за исключением единичных дочерних клеток, это абортивная форма трансдукции [3]. Интеграция же способствует полной передаче приобретённых свойств популяциям бактерий.
Создаётся краткое изложение…