Кольцевые хромосомы вирусов

История открытия кольцевых хромосом у вирусов была не менее интересной. Однако если самое веское слово в пользу кольцевидности хромосом бактерий сказали генетики, то для фагов это слово прозвучало из уст биохимика — американского ученого Синсхеймера. Разными способами он изучал структуру хромосомы мельчайшего из бактериофагов — φХ-174. Этот фаг нередко называют фиксом (от первых букв фи и икс). Он поражает бактериальную клетку точно так же, как и знакомые нам бактериофаги Т2 и Т4.

Среди ферментов, обнаруженных в клетке, были найдены и такие, которые разрушали ДНК. Но каждый из них делал это по-разному: одни рвали ДНК в середине, другие отщепляли нуклеотиды с концов, третьи разделяли полимерную молекулу на одинаковые куски. Когда Синсхеймер выделил ДНК из частиц бактериальных вирусов и попытался с помощью соответствующего фермента оторвать нуклеотид от концов молекулы ДНК фикса, у него ничего не вышло. С концов хромосомы ничего не отрывалось.

Синсхеймер решил проверить: а не сидят ли на концах хромосомы какие-нибудь «белковые шапочки», которые не дают этому ферменту подступиться к ДНК? В ход пустили другой фермент, который «съедал» белки, но не трогал ДНК. После этого опять попробовали «откусить» от концов ДНК нуклеотиды. Теперь, после применения фермента, налипшие на концы нуклеиновой кислоты молекулы белка должны быть съедены, а ДНК разрушена. Однако все осталось по-прежнему: фермент, рвущий ДНК с концов, отказывался разрывать ДНК хромосомы фикса*. Тогда Синсхеймер применил физические методы. Он попытался посмотреть, как будут вести себя хромосомы фикса, если их осаждать в ультрацентрифуге. К удивлению ученого, хромосомы вели себя не как палочки, а скорее как колечки.

После этого все прежние неудачи стали понятны. Белок оказался ни при чем. Просто фермент рвет ДНК с концов, а у ДНК фикса никаких концов нет — его хромосома кольцевая. Группа исследователей из Иллинойского университета в США — М. Хайаши, М. Н. Хайаши и С. Шпигельмана— подтвердила кольцевидность хромосом фага. Шпигельман и Хайаши сфотографировали в электронном микроскопе ДНК фага, они даже взвесили ее и измерили в окружности/ Кольцо ДНК весит 6,4 •10⁶ кислородных единиц, или 0,000 000 000 000 000 01 грамма, а длина окружности его кольца равна 1,89 микрона. Авторы подсчитали, что в таком кольце сидит 5600 пар оснований.

Мы рассказали о маленьком фаге φХ-174, но сегодня тот же результат получен и для многих бактериофагов и вирусов животных. Кольцевая хромосома найдена в вирусе полиомы и других вирусах. Вероятно, скоро список увеличится, и тогда будет ясно, все ли вирусы имеют кольцевые хромосомы.

После установления кольцевидности хромосом стало понятно, почему при свободном F-факторе нет генетической передачи признаков. Кольцевая хромосома не может проникать в узкий проход цитоплазматического мостика. Это происходит только в том случае, когда хромосома рвется, а к одному из ее концов присоединяется F-фактор.

Частичный перенос хромосомы помог Хейсу, Жакобу и Вольману разработать метод генетического картирования, совершенно отличный от методов классической генетики. Но есть и еще один способ изучения последовательности генов. О нем я расскажу в самом общем виде. Мы говорили, что некоторые бактериофаги могут войти в бактерию, прикрепиться к ее хромосоме, и такая бактерия станет лизогенной. Затем можно вызвать индукцию профага, то есть попросту оторвать его от хромосомы. Зиндер и Ледерберг в 1952 году изучали этот процесс, но не у кишечной палочки, а у другого микроба — сальмонеллы тифимуриум. К культуре бактерий добавили суспензию фагов. Фаги разрушили клетки сальмонелл. Из массы разрушенных бактерий ученые выделили фаги, а затем внесли их в свежую культуру сальмонелл, отличавшуюся по своим наследственным признакам от первоначально взятых бактерий. После контакта с фагами эта вторая культура бактерий приобрела свойства, присущие первой.

Зиндер и Ледерберг установили, что во время выхода фагов из клеток они захватывают кусочки хромосом бактерий. Как только фаг с таким прилипшим фрагментом хромосомы бактерии попадает в другую клетку сальмонеллы, он проносит туда и этот фрагмент, который и входит в состав хромосомы бактерии-реципиента. Фаги исполняли роли мальчиков на побегушках, перенося послания от одной бактерии к другой. Этот процесс, названный трансдукцией, удалось использовать для целей картирования генетических структур бактерий.

*Хромосома бактериофагов представляет собой одну нить ДНК.