Кіріспе
Молекулалық биология мен генетикада трансформация – клетканың қоршаған ортадан экзогендік генетикалық материалды тікелей қабылдап, оны өзіне енгізуі нәтижесінде болатын генетикалық өзгерісі. Трансформация жүзеге асуы үшін қабылдаушы бактерия құзыретті күйде болуы керек, бұл табиғатта аштық сияқты және жасуша тығыздығының өзгеруіне байланысты уақытша жауап ретінде пайда болуы мүмкін, сондай-ақ зертхана жағдайында да шақырылуы мүмкін. Трансформация кезінде генетикалық материал аралық орта арқылы өтеді, ал қабылдау процесі толығымен қабылдаушы бактерияның қабілетіне байланысты.
In molecular biology and genetics, transformation is the genetic alteration of a cell resulting from the direct uptake and incorporation of exogenous genetic material from its surroundings through the cell membrane(s). For transformation to take place, the recipient bacterium must be in a state of competence, which might occur in nature as a time limited response to environmental conditions such as starvation and cell density, and may also be induced in a laboratory. In transformation, the genetic material passes through the intervening medium, and uptake is completely dependent on the recipient bacterium.
Тарих
Бактериядағы трансформацияны алғаш рет 1928 жылы британдық бактериолог Фредерик Гриффит көрсетті. Гриффит егеуқұйрықтарды пневмонияға қарсы вакцинациялау үшін қыздырылған бактерияларды енгізуге болатынын анықтауға қызығушылық танытты. Бірақ ол Streptococcus pneumoniae вирулентті емес штаммын, вирулентті штаммдарды қыздыру арқылы өлтіргеннен кейін вирулентті етуге болатынын анықтады. Гриффит қыздырылған штамнан шыққан белгілі бір "өзгерту принципі" зиянсыз штамды вирулентті етуге жауапты деп болжады. 1944 жылы Освальд Эвери, Колин МакЛеод және Маклин МакКарти бұл "өзгерту принципін" генетикалық екенін анықтады. Олар S. pneumoniae вирулентті штаммының ДНК-сын бөліп алды және осы ДНК-ны ғана қолданып, зиянсыз штамды вирулентті ете алды. Олар бактериялардың ДНК-ны қабылдауын және енгізуін "трансформация" деп атады (Авери-МакЛеод-МакКарти экспериментіне қараңыз). Авери және тағы басқалардың эксперименттері алғашқыда ғылыми қауымдастық тарапынан күдіспен қабылданды және тек генетикалық маркерлердің жасалуымен және Джошуа Ледербергтің басқа генетикалық тасымалдау әдістерін (1947 жылы конъюгация және 1953 жылы трансдукция) ашқанға дейін ғана қабылданды. Алғашында зертханада кеңінен қолданылатын Escherichia coli организмі трансформацияға төзімді деп есептелді. Алайда 1970 жылы Мортон Мандель мен Акико Хига E. coli бактериясын кальций хлориді ерітіндісімен өңдегеннен кейін көмекші фагты қолданбай, λ бактериофагынан ДНК-ны қабылдауына мүмкіндік беруге болатынын көрсетті. Екі жылдан кейін, 1972 жылы Стэнли Норман Коэн, Энни Чанг және Лесли Хсу бұл өңдеудің плазмидалық ДНК трансформациясына да тиімді екенін көрсетті. Мандель мен Хиганың трансформация әдісін кейін Дуглас Ханахан жетілдірді. E. coli бактериясында жасанды түрде құзыреттілікті тудыру бактерияларды трансформациялаудың тиімді және ыңғайлы әдісін жасады, бұл биотехнология және зерттеулерде молекулалық клондаудың оңай әдістерін жасауға мүмкіндік берді және қазір бұл зертханалық процедура кеңінен қолданылады. Электропорация арқылы трансформация 1980-ші жылдардың соңында дамыды, бұл in vitro трансформацияның тиімділігін арттырып, трансформацияланатын бактериялық штаммдардың санын көбейтті. Жануарлар мен өсімдік жасушаларының трансформациясы да зерттелді, ал 1982 жылы тышқанның эмбрионына егеуқұйрықтың өсу гормонының генін енгізу арқылы алғашқы трансгенді тышқан жасалды. 1897 жылы өсімдіктерде ісік тудыратын бактерия Agrobacterium tumefaciens табылды, ал 1970-ші жылдардың басында ісік тудыратын агент Ti плазмиді деп аталатын ДНК плазмиді екені анықталды. Плазмидтегі ісік тудыратын гендерді алып тастап, жаңа гендерді енгізген зерттеушілер өсімдіктерді A. tumefaciens инфекциясына шалдықтырып, бактерияларға өздері таңдаған ДНК-ны өсімдіктердің геномдарына енгізуге мүмкіндік берді. Барлық өсімдік жасушалары A. tumefaciens инфекциясына сезімтал емес, сондықтан электропорация және микроинъекция сияқты басқа әдістер әзірленді. Бөлшектік бомбалау 1980 жылдары Джон Санфордтың биолистік бөлшектерді жеткізу жүйесін (гендік тапанша) ойлап табуымен мүмкін болды.
Анықтамалар
Трансформация – бактериялар арасында табиғатта кездесетін көлденең геннің үш түрінің бірі, онда белгілі бір қасиетті кодтайтын ДНК бір бактериядан екіншісіне өтеді және гомологты рекомбинация арқылы қабылдаушы геномға енгізіледі; қалған екеуі – трансдукция, ол бактериофаг арқылы жүзеге асырылады, және конъюгация, онда ген бактериялардың тікелей жақындасуы арқылы беріледі. Бұл құбылыс топырақта кездесетін Gram-теріс түрлерде, мысалы, Pseudomonas stutzeri, Acinetobacter baylyi, сондай-ақ Ralstonia solanacearum және Xylella fastidiosa сияқты Gram-теріс өсімдік патогендерінде де зерттелген. Бұдан өзге, Pseudomonadota классына жататын кем дегенде 30 түрде кездеседі, олар бірнеше түрлі классқа бөлінеді. Трансформацияға қатысты ең көп зерттелген Pseudomonadota – медициналық маңызы бар адам патогендері: Neisseria gonorrhoeae, Haemophilus influenzae және Helicobacter pylori. Өтуге болатын ДНК тек бір жіпті болады, ал екінші жіп процесте нуклеазалардың әсерінен ыдырайды. Транслокацияланған бір жіпті ДНК RecA-ға тәуелді процесс арқылы бактериялық хромосомаларға енгізілуі мүмкін. Gram-теріс жасушаларда, қосымша мембрананың болуына байланысты, ДНК сыртқы мембранадағы секретиндер құрамындағы арна арқылы өтуді қажет етеді. Пилин құзыреттілікке қатысты болуы мүмкін, бірақ оның нақты рөлі әлі анықталмаған. ДНК-ның қабылдануы көбінесе тізбекке тәуелді емес, бірақ кейбір түрлерде ДНК қабылдауға арналған белгілі тізбектердің болуы тиімді ДНК қабылдануын жеңілдетуі мүмкін.
Табиғи түрлендіру
Табиғи трансформация – ДНК беруге бактериялардың бейімделуі, ол көптеген бактериялық гендердің экспрессиясына байланысты, олардың өнімдері осы процеске жауапты болып көрінеді. Жүйкелік хромосомаға енген ДНК әдетте (бірақ сирек жағдайларда) сол түрдің басқа бактериясынан алынады және осылайша резиденттік хромосомаға гомологты болады. B. subtilis-де берілген ДНК-ның ұзындығы 1271 кб-дан асады (бір миллионнан астам негіз). Берілген ұзындығы екі тізбекті ДНК болуы мүмкін және көбінесе жалпы хромосома ұзындығының үштен бірінен астамы (4215 кб). Қабылдаушы жасушалардың шамамен 7-9% толық хромосоманы сіңіреді. Табиғи трансформацияға қабілеттілік бірнеше прокариоттарда кездеседі, және қазірге дейін 67 прокариоттық түр (жеті түрлі филумда) осы процеске ұшырайды. Streptococcus mutans-та, сондай-ақ көптеген басқа стрептококтарда трансформация жоғары жасуша тығыздығында жүреді және биоқабықшаның қалыптасуымен байланысты. B. subtilis-тегі құзыреттілік логарифмдік өсудің соңына қарай, әсіресе аминқышқылдарының жетіспеушілігі жағдайында шақырылады. Сол сияқты, Micrococcus luteus (актиномицеттер филумының аз зерттелген өкілі) -де құзыреттілік орта және соңғы экспоненциалдық өсу фазасында дамиды, сонымен қатар аминқышқылдарының жетіспеушілігімен іске қосылады. Кейбір бактериофагтар жүйкелік және плазмидалық ДНК-ны босату арқылы трансформацияға үлес қосады деп есептеледі.
ДНҚ-ны қалпына келтіру үшін бейімделу ретінде трансформация
Компетенттілік ДНК-ға зиян келтіретін жағдайлармен шақырылады. Мысалы, Streptococcus pneumoniae-де трансформация митомицин С (ДНК-ны байланыстыратын агент) және фторхинолон (қос тізбектің үзілуіне себеп болатын топоизомераза тежегіші) сияқты ДНК-ны зақымдайтын заттармен шақырылады. B. subtilis-де трансформацияны ДНК-ны зақымдайтын УФ-сәуле күшейтеді. Helicobacter pylori-де ципрофлоксацин ДНК гиразамен өзара әрекеттесіп, қос тізбектің үзілуіне себеп болады, бұл компетенттілік гендерінің экспрессиясын тудырып, трансформация жиілігін арттырады. Charpentier және авторлар Legionella pneumophila-ны пайдаланып, 64 улы молекуланы сынап, олардың қайсысы компетенттілікті шақыратынын анықтады. Олардың тек 6-сы ғана, барлығы ДНК-ны зақымдайтын заттар, күшті индукцияны тудырды. Бұл ДНК-ны зақымдайтын заттар: митомицин С (ДНК тізбектері арасында байланыстарды тудырады), норфлоксацин, офлоксацин және налидиксик қышқылы (ДНК гиразасының тежегіштері, қос тізбектің үзілуіне әкеледі), бицикломицин (бір және қос тізбектің үзілуіне әкеледі) және гидроксимочевина (ДНК базасының тотығуын тудырады). Ультракүлгін сәуле де L. pneumophila-да компетенттілікті шақырады. Charpentier және авторлар. Трансформацияның адаптивтік функциясы ДНК зақымдануын жөндеу болып табыса ма, жоқ па, соны тексеру үшін, B. subtilis-ті УФ-сәулемен сәулелендіру арқылы зақымдаушы агент ретінде пайдаланып, бірқатар тәжірибелер жүргізілді (Michod және авторлар, Bernstein және авторлар қараған). Жасушалар әдетте жылу импульсіне (жылу шокы) ұшыратудан бұрын, суық жағдайда, еківалентті катиондарды (көбінесе кальций хлориді) қамтитын ерітіндіде инкубацияланады. Кальций хлориді жасуша мембранасын жартылай бұзады, бұл рекомбинантты ДНК-ның қабылдаушы жасушаға енуіне мүмкіндік береді. ДНК-ны қабылдай алатын жасушалар компетентті жасушалар деп аталады. 20 мМ Mg-де грамтеріс бактериялардың өсуі липополисахарид байланыстарына ақуыздардың санын азайтады, бұл иондық және ковалентті байланыстардың арақатынасын арттырады, мембрананың сұйықтығын арттырып, трансформацияны жеңілдетеді. Липополисахаридтердің рөлі қысқа О-тізбектер тиімдірек трансформацияланатынын байқау арқылы расталады – мүмкін, ДНК-ға жақсы қол жеткізілуіне байланысты. E. coli сияқты бактериялардың беткі қабаты жасуша бетіндегі фосфолипидтер мен липополисахаридтерге байланысты теріс зарядталған, ал ДНК да теріс зарядталған. Сондықтан, еківалентті катионның бір функциясы фосфат топтары мен басқа да теріс зарядтарды координациялау арқылы зарядтарды қорғау болып табылады, осылайша ДНК молекуласының жасуша бетіне жабысуына мүмкіндік береді. E. coli жасушаларына ДНК енуі жабысу аймақтары немесе Байердің қосылыстары деп аталатын арналар арқылы жүреді, әдеттегі жасушада 400-ге жуық осындай аймақ болады. Олардың рөлі кобаламин (осы арналарды да пайдаланады) ДНК-ның қабылдануын бәсекелестік жолмен тежейтіні анықталғанда белгілі болды. ДНК қабылдаумен байланысты тағы бір арна түрі поли(HB):поли P:Ca. Бұл поли(HB) ДНК-ға (өзі полифосфат) оралып, Ca иондарынан құралған қалқанда тасымалданады деп есептеледі. Ашытқы жасушалары ферменттермен өңделіп, олардың жасуша қабырғалары ыдырайды, нәтижесінде сферапласттар пайда болады. Бұл жасушалар өте нәзік, бірақ олар бейтаныс ДНК-ны жоғары жылдамдықпен қабылдай алады. Тұтас ашытқы жасушаларын цезий немесе литий сияқты сілтілі катиондарға ұшырату жасушаларға плазмидтік ДНК-ны қабылдауға мүмкіндік береді. Кейінгі протоколдар литий ацетаты, полиэтилен гликолі және бір тізбекті ДНК-ны пайдаланып, осы трансформация әдісін бейімдеді. Бұл протоколдарда бір тізбекті ДНК ашытқы жасушасының қабырғасына артықшылықпен байланады, бұл плазмидтік ДНК-ның солай істеуіне кедергі келтіреді және оны трансформация үшін қол жетімді қалдырады. Электропорация: Электрлік соққы арқылы жасуша мембраналарында уақытша тесіктердің пайда болуы; бұл бактериялар үшін жоғарыда сипатталғандай ДНК-ның кіруіне мүмкіндік береді. Ашытқы жасушаларын трансформациялау үшін ферменттік қорыту немесе шыны бұрандалармен араластыру да қолданылуы мүмкін. Тиімділік – Ашытқының әртүрлі туыстары мен түрлері әртүрлі тиімділікпен бөгде ДНК-ны қабылдайды. Сонымен қатар, көптеген трансформация протоколдары нан пісіруші ашытқысы, S. cerevisiae үшін әзірленді және сондықтан басқа түрлер үшін оңтайлы болмауы мүмкін. Тіпті бір түрде әртүрлі штаммдардың әртүрлі трансформация тиімділігі бар, кейде үш ретке дейін ерекшеленеді. Мысалы, S. cerevisiae штаммдары YEp13 плазмидінің 10 мкг-мен трансформацияланған кезде DKD 5D H штаммы 550-ден 3115-ке дейін колония берді, ал OS1 штаммы бес колониядан аз берді.
Жануарлар
Жануарлар жасушаларына ДНҚ енгізу әдетте трансфекция деп аталады және осы тақырыпқа арналған мақалада талқыланады.
Молекулалық биологиядағы трансформацияның практикалық аспектілері
Бактерияларда жасанды түрде туындаған құзыреттіліктің табылуы, Escherichia coli сияқты бактерияларды ДНК манипуляциялау және белоктарды экспрессиялау үшін ыңғайлы қабылдаушы ретінде пайдалануға мүмкіндік береді. E. coli-да трансформация үшін әдетте плазмидтер қолданылады. Плазмидтік ДНК молекуласы жасушада тұрақты сақталуы үшін, жасушаның өзінің хромосомасының көбеюіне тәуелсіз, жасушада көбейтілуіне мүмкіндік беретін көбею бастамасы болуы керек. Құзыретті культураның экзогенді ДНК-ны сіңіріп алып, оның гендерін экспрессиялау қабілеті трансформация тиімділігі деп аталады және пайдаланылған ДНК-ның μг санын ескере отырып, колония құрау бірлігі (cfu) арқылы өлшенеді. pUC19 сияқты кішкентай плазмид үшін 1×108 cfu/μг трансформация тиімділігі шамамен пайдаланылған плазмид молекулаларының 2000-нан 1-іне тең. Кальций хлориді трансформациясында жасушалар (in link=кальций хлоридіCaCl2 ерітіндісі) қосылған ортада салқындату арқылы дайындалады, бұл жасушаны плазмидтік ДНК-ға өткізуге қабілетті етеді. Жасушалар ДНК-мен бірге мұзда инкубацияланады, содан кейін қысқа мерзімге жылу шокына ұшыратылады (мысалы, 42°C температурада 30-120 секунд). Бұл әдіс дөңгелек плазмидтік ДНК үшін өте жақсы жұмыс істейді. Коммерциялық емес препараттар әдетте плазмидтің микрограмына 106-107 трансформанттарды береді; нашар препарат шамамен 104/μг немесе одан аз болады, бірақ құзыретті жасушалардың жақсы препараты плазмидтің микрограмына ~108 колонияға дейін бере алады. Дегенмен, 109-дан жоғары трансформация тиімділігін қамтамасыз ететін супероқұзыретті жасушаларды жасау протоколдары бар. Алайда, химиялық әдіс әдетте хромосомалық ДНК фрагменттері сияқты сызықтық ДНК үшін жақсы жұмыс істемейді, себебі жасушаның ішкі экзонуклеаза ферменттері сызықтық ДНК-ны жылдам деградациялайды. Керісінше, табиғи түрде құзыретті жасушалар әдетте плазмидтік ДНК-ға қарағанда сызықтық ДНК-мен тиімдірек трансформацияланады. Трансформация тиімділігі плазмид мөлшеріне байланысты төмендейді, сондықтан үлкен плазмидтік ДНК-ны сіңіру үшін электропорация тиімдірек әдіс болуы мүмкін. Электропорацияда қолданылатын жасушалар алдымен электрпорация процесінде ұшқындар тудыруы мүмкін зарядталған бөлшектерді жою үшін суық екі рет дистилленген суда жуылады.
Плазмидті трансформациялаудағы іріктеу және скрининг
Трансформация көбінесе салыстырмалы түрде аз трансформацияланған жасушалар мен трансформацияланбаған жасушалардың көптігін тудыратындықтан, плазмидті алған жасушаларды іріктеу үшін әдіс қажет. Сондықтан плазмидте плазмидсіз жасушаларды өлтіруге немесе олардың өсуін тоқтатуға мүмкіндік беретін іріктеу маркері болуы керек. Прокариоттар үшін ең көп қолданылатын маркер антибиотикке төзімділік. Трансформацияланатын плазмид бактериялардың сезімтал болатын антибиотикке төзімділікті қамтамасыз ететін генді қамтиды. Емделген жасушалардың қоспасы антибиотик қосылған ортада өсіріледі, сондықтан тек трансформацияланған жасушалар ғана өсе алады. Іріктеудің тағы бір әдісі – белгілі бір аминоқышқылдарды, нуклеотидтерді немесе қанттарды метаболизмдеуге қабілетсіздікті толықтыра алатын ауксотрофты маркерлерді пайдалану. Бұл әдіс белгілі бір биомолекуланың синтезі немесе пайдалануы бойынша кемшіліктері бар, тиісінше мутацияланған штаммдарды пайдалануды талап етеді, ал трансформацияланған жасушалар плазмидті қамтитын жасушалардың ғана өсуіне мүмкіндік беретін ортада өсіріледі. Клондау экспериментінде генді трансформация үшін қолданылатын плазмидке енгізуге болады. Дегенмен, мұндай экспериментте барлық плазмидтерде сәтті енгізілген ген болмауы мүмкін. Сондықтан плазмидті қамтитын трансформацияланған жасушаларды іріктеу үшін қосымша әдістер қолданылуы мүмкін. Репортерлік гендерді, мысалы, көк-ақ іріктеуде қолданылатын β-галактозидазаны кодтайтын *lacZ* генін маркер ретінде пайдалануға болады. Бұл іріктеу әдісі α-комплементация принципіне негізделген, онда плазмидтегі *lacZ* генінің (*lacZα*) фрагменті жасушадағы басқа мутантты *lacZ* генін (*lacZΔM15*) толықтырады. Екі ген де өздері жұмыс істемейтін пептидтерді шығарады, бірақ олар бірге экспрессияланған кезде, мысалы, *lacZα* генін қамтитын плазмид *lacZΔM15* жасушаларына трансформацияланғанда, функционалды β-галактозидаза құрайды. Белсенді β-галактозидазаның болуын X-gal қосылған ортада өсірілген жасушалардағы сипатты көк колониялардың пайда болуы арқылы анықтауға болады. Алайда, қызығушылық тудыратын генді плазмид векторына енгізуге болатын көп клондау орны *lacZα* генінің ішінде орналасқан. Сәтті лигация *lacZα* генін бұзады, сондықтан функционалды β-галактозидаза пайда болмайды, нәтижесінде ақ колониялар пайда болады. Сәтті лигацияланған инсертті қамтитын жасушаларды сәтті лигацияланбаған көк жасушалардан ақ түсі бойынша оңай ажыратуға болады. Басқа жиі қолданылатын репортерлік гендер – көк жарық астында жасыл түсті жанып тұратын жасушаларды шығаратын жасыл флуоресцентті белок (GFP) және люциферинмен реакцияға түсіп, жарық шығаратын люцифераза ферменті. Рекомбинантты ДНК-ны басқа әдістермен де анықтауға болады, мысалы, радиоактивті РНК зондымен нуклеин қышқылының гибридизациясы арқылы, ал плазмидтен қажетті белокты экспрессиялаған жасушаларды иммунологиялық әдістермен де анықтауға болады.