СПИСОК СОкРАЩЕНИЙ

НУК – нафтиуксусная кислота

БАП – бензиламинопурин

MS –

LB –

тДНК –

Ар – ампицилин

Cs – цефотоксин

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы:

Свойство бактерий вида Agrobacterium tumefaciens вызывать у растений корончато-галловую болезнь связано с присутствием в их клетках  крупных (95-156 мДа) конъюгированных Ti-плазмид (от англ. tumor-inducing – вызывающий опухоль). В процессе идентифицирования растений часть генетического материала Ti-плазмид – тДНК (от англ. transferred DNA – передаваемая) перемещается в растительные клетки и интегрируется в хромосомы, оставаясь частью наследственного материала. Гены тДНК экспрессируются в трансформарованных растительных клетках, нарушают их фитогормональный баланс и определяют синтез специфических ------- соединений.

Таким образом, агробактерии являются природными "генными инженерами", осуществляющий поразительный по филогенетической дальности перенос генетической информации. На основе агробактерий сконструированы эффективные векторные системы для генетической инженерии растений.

Агробактириальная трансформация происходит в результате сложного процесса взаимодействия между бактериальными и растительными клетками. В этом процессе одной из решающих стадий является рецепция агробактериями особых сигнальных молекул, присутствующих в экссудатах поврежденных тканей растений. Сигнальные молекулы индуцируют экспрессию генов области vir (агробактериальных Ti-плазмид), контролирующих вырезание тДНК и ее перенос в клетки растений. Агробактерильная трансформация наблюдается у широкого круга голосеменных и двудольных растений, однако, она отмечена лишь у весьма незначительного числа однодольных растений. Одной из причин ограничений агробактериальной трансформации однодольных считается присутствие в их клетках сигнальных молекул, индуцирующих процессинг и перенос тДНК.

Цель работы:

В настоящее время имеются противоречивые данные относительно наличия таких сигнальных молекул у однодольных растений. В связи с этим, целью данной работы был анализ ряски на присутствие у них сигнальных молекул, индуцирующих процессинг тДНК.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Использование Ti-плазмид агробактерий в генетической инженерии растений

1.1.1. Краткая характеристика Agrobacterium tumefaciens

За последнее десятилетие в области генетической инженерии растений достигнуты значительные успехи. Были разработаны разнообразные методы генетической трансформации и, в настоящее время осуществлена экспрессия чужеродных генов в растениях многих видов. Наиболее важным для развития генетической инженерии растений было открытие молекулярных основ опухолевых образований с помощью Agrobacterium tumefaciens [7].

Вирулентные штаммы Agrobacterium tumefaciens (сем. Rirobiaceae) характеризуются присутствием в клетках большой плазмиды, так называемой Ti-плазмиды, весом более 150 т.п.н. (см. Приложение) [9].

Агробактерии вызывают опухолевый рост у многих двудольных и голосеменных, а так же у некоторых однодольных растений [2,3]. Для инфицирования in vivo необходимо повреждение тканей растения [12].

После прикрепления к клеточной стенке растительной клетки агробактерии переносят часть Ti-плазмиды (так называемой тДНК) в ядро, где происходит ее стабильная интеграция в хромосому растения.

Доказано, что функция распознавания клеток и прикрепления к ним, а так же вырезание, перенос и, возможно, интеграция тДНК в растительный геном кодируется двумя хромосомными генами – Chva и Chvb [13] и рядом генов vir-области, находящихся на Ti-плазмиде [14].

После переноса в ядро растительной клетки, тДНК может интегрировать в геном в виде одной или нескольких копий [15]. Встроенная тДНК имеет свойства, характерные для ДНК эукариот, что показано в экспериментах по гиперчувствительности к ДНК-азе I (Schafer, 1984). В зависимости от типа Ti-плазмиды, в тДНК находится от семи до тринадцати генов, ответственных за опухолевый фенотип. Гены 1 и 2 кодируют ферменты, участвующие в синтезе ауксина, индолилуксусной кислоты, в то время, как ген 4 кодирует изопентенилтрансферазу, синтезирующую цитокинин изопентенила денозин 5'-монофосфат [16].

Одновременная транскрипция генов 1,2 и 4 приводит к повышению уровня фитогормонов внутри трансформированных клеток. Результатом этого является повышение митотической активности и образование опухоли. Другие гены тДНК кодируют синтез так называемых опинов, из которых наиболее изучены нопапин и октопин. Опины представляет собой производное аминокислот и сахаров, которые служат источником питания для агробактерий [14]. В целом, образование корончатого галла представляет собой хорошо охарактеризованный пример генетической инженерии растений в природе.

Мутации в вирулентных генах агробактерий. Наличие Ti-плазмид в клетках агробактерий является абсолютно необходимым условием патогенности микроорганизма. Излеченные от Ti-плазмид штаммы агробактерий авирулентны. На вирулентность Agrobacterium tumefaciens оказывают влияние различные мутации, картируемые как на опухолевых плазмидах, так и на хромосомах. Ранние этапы взаимодействия агробактерий с растениями, так же как хемотаксис, прикрепление к поверхности растительной клетки и специфическое связывание в центрах инфекции контролируются генами, имеющими хромосомную локализацию. В хромосоме расположены некоторые гены, регулирующие экспрессию vir-генов Ti-плазмид [19]. Присоединение агробактерий к клеткам растения является одним из первых этапов, определяющих эффективное взаимодействие. Этот этап у Agrobacterium tumefaciens контролируют два связанных между собой хромосомных локуса Chva и Chvb, размерами 1,5 kb и 5kb, соответственно [Дуглас и др, 1985]. Гены этих локусов экспрессируются конститутивно. В результате транспозонного мутагенеза этих областей получают авирулентные или дефекнтые по прикреплению  агробактерии. Мутации в этих локусах сильно понижают или ингибируют вирулентность бактерии, но не для всех хозяев. Локус Chvb определяет синтез нейтрального циклического b-D-гликана, который трансформируется в периплазматическое пространство клетки с помощью продукта гена Chva. Роль нейтрального b-D-гликана в инфекционном процессе еще точно не установлена. Помимо циклического b-D-гликана в прикреплении патогенных агробактерий к растительным клеткам  принимают участие и другие полисахариды, в частности внеклеточные экзополисахариды.

Организация vir-генов Ti-плазмид.  Вирулентные гены агробактерий на Ti- и Ri-плазмидах кластеризованы в области vir разметом около 30-35 kb, проявляющей в этих плазмидах значительную гомологию ДНК. Выявлена также гомология vir-генов Ti-плазмид Agrobacterium tumefaciens с tra-генами конъюгитивных плазмид. В ----- Ti-плазмидах в области vir локализовано шесть различных групп комплементации A, B, C, D, E и G, организованных в единый регулон [Stachel Nester, 1986]. Октопиновая Ti-плазмида Arh 5 имеет дополнительный локус  vir F, расположенный справа от локуса vir E [Kooykaas et al., 1984]. Мутации в генах и --------- vir A, vir G, vir B и vir D придают агробактериям авирулентный фенотип, в отличие от большинства хромосомных мутаций, имеющих круг трансформируемых растений-хозяев.

Продукты генов vir-области контролируют процессинг тДНК в бактериальной клетке, ее перенос в растительную клетку и интеграцию в ядерный геном растения, причем эти процессы гены vir могут определять не только в цис, но и в транс положении по отношению к тДНК (то есть находясь в разных репликонах). Исходя из этого свойства области vir, сконструированы и успешно используются в практике удобные бинарные векторы для генетической инженерии растений [Дрейпер с соавт, 1991]. Для процессов "вырезания" тДНК из плазмиды (точнее, высвобождения в процессе репликативного синтеза) и ее переноса в растение необходимо фланкирование этой области особыми границами: несовершенными прямыми повторяющимися последовательностями ДНК размером 24 ---- , проявляющими значительную гомологию у всех изученных Ti- и Ri-плазмид. Границы тДНК гомологичны области oriT конъюгативных плазмид. В этой области сайт-специфические эндонуклеазы производят одноцепочечный разрыв, служащий началом репликации по типу разматывающегося рулона, происходящей в процессе транспорта плазмиды. Репликация обеспечивает сохранение плазмиды в материнской клетке и появление ее копии в дочерней.

Для нормального процессинга тДНК и ее переноса в растительную клетку особенно важна ее правая граница, которая одна может определять полярность переноса тДНК. Удаление правой границы из Ti-плазмид делает агробактерии полностью авирулентными. Замена ее на искусственно синтезированную, так же как и на левую, восстанавливает вирулентность микроорганизма.

На процессинг тДНК в клетках бактерий влияют мутации в генах vir D, vir C и vir E – оперонов, на транспорт т-комплекса в растительную клетку – мутации в генах vir B и vir D – оперонов.

1.1.2. Создание векторов на основе Ti-плазмид

В начале восьмидесятых годов были сделаны первые попытки перенести чужеродные последовательности ДНК в растительные клетки либо с помощью транспозонного мутагенеза [Uernals-teens et al., 1980], либо путем сайт-специфической миграции генов в тДНК и последующей двойной рекомбинацией с Ti-плазмидой дикого типа [Matrke et al., 1981; leemans et al., 1981]. Однако, эти ранние эксперименты, основанные на двойной рекомбинации, занимали много времени, были довольно сложны и трансформации проходили с очень низкой частотой. Необходимо было разработать более эффективные векторы, чтобы облегчить генетические манипуляции с бактериями и позволить селекцию и регенерацию трансформатов.

Сейчас используют две принципиально разные системы для введения чужеродных генов в растения с помощью Ti-плазмид:

1.      ---- векторы

2.      бинарные векторы.

В основе создания -------- векторов лежит тот факт, что гены тДНК не ------- для растительных клеток, и любая последовтельность ДНК, встроенная между границами тДНК, может интегрировать в хромосому растительной клетки и нормально там экспрессироваться [Zambryski et al., 1983]. В -------- векторых системах тДНК можно заменить, например, на последовательность pBR322, а чужеродную ДНК, которую предполагается перенести в растения, нужно проклонировать в этом же векторе.

Затем путем гомологичной рекомбинации эта чужеродная ДНК может быть перенесена на Ti-плазмиду реципиентного штамма агробактерии (рис. 2). Одним из первых таких векторов на основании Ti-плазмид авляется pGV3850 [Zambryski et al., 1983]. В нем все гены, ответственные за синтез фитогормонов, были заменены на последовательность pBR322.

ДНК pBR322 обеспечивала гомологию для ------- области тДНК pGV3850 с любыми производыми pBR, несущими клонированный ген.

Гены, кодирующие различные маркерные белки для быстрого отбора трансгенных растений, были встроены в pGV3850 [De Blocle, 1984]. Была разработана система трехродительного скрещивания для переноса любых производных pBR322 из E. coli в A. tumefaciens pGV3850 [Van Haute et al., 1983]. В настоящее время сконструированы и успешно используются и другие --- ---------- векторы на основе Ti-плазмид [Royers et al., 1988].

Рис. 2.

Схемы -------- (А) и бинарной (Б) векторных систем. vir – область вирулентности. HOM – области гомологии, в пределах которых может происходить рекомбинация, приводящая к образованию коинтегратов. LB и RB – левая и правая границы тДНК. MCS - ----- сайт для клонирования. РТМ – маркет трансформации для растений. RES – маркер устойчивости к антибиотику для бактерий. OriT – начало переноса и bom-сайт для мобилизации векторов при конъюгации. Col E1 – начало репликации из плазмиды Col E1. RK2 – начало репликации из плазмиды широкого круга хозяев RK2.

Система бинарных векторов основана на том, что область тДНК и гены vir могут распологаться на разных плазмидах [Hockemu et al., 1983]. В таких системах обычно присутствуют два элемента:

1)     Ti-плазмида-помощник, в которой тДНК польностью делетирована. Эта плазмида несет в своем составе гены vir, действующие in trans.

2)     Плазмида широкого круга хозяев, имеющая сайты для клонирования и маркерные гены для селекции растений, ограниченные правой и левой фланкирующими последовательностями тДНК [An et al., 1988] рис

Обе описанные выше системы векторов предполагают --------- этапах сборку нужных конструкций в промежуточных векторах, например в pAP2034 [Veltena, Sehell., 1987] или pRT103 [Topter et al., 1983] а затем перенос из в готовом виде в рецепиентные штаммы агробактерий.

1.1.3. Процессинг тДНК в бактериальной клетке

и ее перенос в клетки растений

Формы процессированной тДНК. При культивировании Agrobacterium tumefaciens с механически поврежденными частями растений, регенерирующими протопластами или в присутствии --------- из клеток бактерий можно выделить различные молекулярные формы процессированной тДНК – одноцепочечные линейные, двуцепочечные линейные и двуцепочечные кольцевые, которые могут претендовать на роль посредника в переносе генетического материала в растительную клетку [-------, 1980]. Причем кольцевая форма, образующаяся за счет гомологичной рекомбинации между правой и левой границей тДНК с образованием одной гибридной границы, встречается в очень малых количествах. При ее образовании не происходит репликативного синтеза ДНК, в то время как в случае образования двух других форм, возможно прохождение репликации тДНК в бактериах в процессе ее транспотра в растения (к появлению одноцепочечных форм может приводить прерывание, ингибирование прерывистого синтеза запаздывающей цепи). Репликация призвана обеспечить сохранение тДНК в исходной Ti-плазмиде, если только не допустить возможность существования физического вырезания материала тДНК из Ti-плазмид за счет образования двухцепочечных разрывов в границах. Исчезновение тДНК из Ti-плазмид является главным недостатком отошедшей на второй план подобной "эксцезионной модели". Тем не менее, образование двуцепочечных разрывов внутри границ и появление детектируемых количеств линейной двуцепочечной формы тДНК при культивировании бактериальных клеток в присутствии ---------- исследователи наблюдали уже через 30 минут после добавления этого индуктора в среду. Так же в условиях индукции vir-генов --------- в клетках агробактерий обнаруживается линейная одноцепочечная форма процессированной тДНК [Stachel et al., 1986].

Появление этого интермедиата обнаруживается через восемь часов после добавления индуктора, и его количество накапливается на протяжении последующих 40 часов более, чем в два раза, а затем идет на убыль, показывая, что процесс лимитирован.

Какая из форм транслоцируется через бактериальную мембрану в бактериальную клетку до сих пор остается не выясненным из-за трудности определения относительного количества каждой из форм и выявления динамики их превращения. Возможно, процессинг и транспорт тДНК не разобщены во времени и идут сопряженно подобно конъюгационному переносу плазмид, происходящему в месте контакта мембран конъюгирующих клеток [Clark and Warren, 1979]. Тогда все обнаруживаемые интермедиаты могут быть аберрантными формами прерванного на каком-то этапе неделимого процесса (или неправильно завершенного). В случае индуцированной экспрессии vir-генов ------- отсутствует главный элемент взаимодействия – контакт бактериальной клетки и растительной клетки, и, поэтому, все обнаруживаемые в этом случае формы могут претендовать на роль посредника лишь с определенными допущениями. Достоверно известно, что в растительную клетку попадает только одна цепь тДНК и конвертируется в двуцепочечную уже в растительной клетке. Обсуждается, что в случае прохождения в клетке Agrobacterium tumefaciens -------- полуконсервативной репликации тДНК вторая цепь может в процессе переноса гидролизоваться, высвобождая энергию для транспорта переносимой цепи.

Страницы: 1, 2