Kon’yugatsiya ( lot. conjugatio — “qo‘shilish, birikish”) — ikki bakterial hujayra bevosita kontakt qilganda genetik material ning bir qismini ( plazmidalar yoki bakterial xromosoma ) bir yo‘nalishda ko‘chirish jarayoni. U 1946 yilda Joshua Lederberg va Edvard Tatum tomonidan kashf etilgan. Kon’yugatsiya hodisasi avval ichak tayoqchasi (Escherichia coli)da aniqlanib, puxta o‘rganilgan, biroq keyinchalik kon’yugatsiya ko‘plab gram-musbat hamda gram-manfiy bakteriyalar uchun ham tasvirlangan. Kon’yugatsiya orqali bakteriyalar genetik material almashadi va shu yo‘l bilan o‘zining genetik xilma-xilligini saqlab turadi.
O‘rganilish tarixi
Bakteriyalarda kon’yugatsiya mavjudligi 1946 yilda Joshua Lederberg va Edvard Tatum tomonidan ko‘rsatib berilgan. Ular ichak tayoqchasining ikki shtammi — Escherichia coli ni aralashtirishdi: ular turli moddalarga nisbatan auksotrof (ma’lum bir moddasiz muhit da yashay olmaydigan) edi. Olingan kulturani barcha zarur oziq moddalar mavjud bo‘lgan muhitda bir necha soat inkubatsiya qilishdi, so‘ng hujayralarni minimal muhitli Petri kosalari ga ekishdi. Tajriba natijalarini ayrim mutatsiyalar ning reversiya si buzib yubormasligi uchun ular ikki va uch karra auksotroflardan foydalangan. Shu sababli uchala birikma bo‘yicha ham auksotrof bo‘lmagan hujayralar ning faqat mutatsiyalar reversiyasi hisobiga paydo bo‘lish ehtimoli juda past edi. Kosalarda koloniyalar paydo bo‘lgach, tadqiqotchilar bakteriyalar normal fenotip ni tiklaydigan genlar ni o‘zaro almashgan, degan xulosaga kelishdi. Biroq Lederberg va Tatum DNK bakteriyalar orasida aynan bevosita jismoniy kontakt paytida uzatilishini isbotlay olishmagan. Buni 1950 yilda Bernard Devis amalda ko‘rsatib bergan. U o‘rtasidan to‘siq bilan ikkiga bo‘lingan U-shaklli naycha yasagan: to‘siqdan muhit o‘ta olardi, ammo bakterial hujayralar o‘ta olmasdi. So‘ng Devis naychada bir nechta auksotrof shtammlarni muhitni kuchli aralashtirgan holda inkubatsiya qilgan. Hujayralar minimal muhitga ekilgach, koloniyalar paydo bo‘lmagan. Demak, Lederberg va Tatum kashf etgan DNK almashinuvi uchun ikki hujayraning jismoniy kontakti zarur ekani ko‘rsatildi. Keyinchalik kon’yugatsiya boshqa bakteriyalarda ham, jumladan Bacillus subtilis kabi gram-musbatlarda ham tasvirlangan. Shunga qaramay, eng ko‘p o‘rganilgan kon’yugatsiya E. coli da bo‘lib, uning mexanizmi quyida batafsil ko‘rib chiqiladi.
Umumiy mexanizm
Kon’yugatsiya deganda bakterial hujayralar bevosita kontakt qilganda ular o‘rtasida DNK ko‘chishi tushuniladi. Odatda kon’yugatsiyada plazmidalar uzatiladi, ammo ayrim organizmlarda xromosomal DNK ham uzatilishi mumkin. Kon’yugatsiyada genetik material bir yo‘nalishda donor-hujayradan retsipient-hujayraga o‘tadi. Quyida jarayon E. coli misolida, ya’ni gram-manfiy bakteriyalarda ko‘rib chiqiladi; gram-musbat bakteriyalardagi kon’yugatsiya esa “Boshqa bakteriyalarda kon’yugatsiya” bo‘limida yoritiladi.
Juftlik hosil bo‘lishi
Ko‘pchilik holatlarda kon’yugatsiya faqat donor-hujayrada DNK uzatilishini ta’minlaydigan genlarni saqlovchi plazmida bo‘lsa yuz beradi. E. coli va boshqa gram-manfiy bakteriyalarda ikki hujayra o‘rtasidagi jismoniy kontakt jinsiy pilar orqali ta’minlanadi — bular hujayra yuzasidagi ichi bo‘sh oqsilli tuzilmalardir. Jinsiy pilar tuzilishi ancha turlicha bo‘ladi: masalan, F-plazmida kodlaydigan pilar uzun, ingichka va egiluvchan, RP4 plazmida kodlaydigan pilar esa qisqa, yo‘g‘on va qattiq. Pilar retsipient-hujayra yuzasidagi retseptorlar bilan o‘zaro ta’sirlashib, kon’yugatsiyalanuvchi hujayralar juftlik hosil qiladi. Kon’yugatsiyada juftlik hosil bo‘lish mexanizmi IV-tip bakterial sekretsiya tizimi ishiga juda o‘xshaydi: uning yordamida ayrim patogen bakteriyalar toksinlar ni to‘g‘ridan-to‘g‘ri mezbon organizm hujayrasiga yetkazadi.
DNK uzatilishi
Pil hosil qilgan kontakt orqali DNK uzatilishi uzatilayotgan plazmidaning maxsus qismi — ko‘chirish boshlanish nuqtasi (origin of transfer) deb ataladigan oriT da — maxsus oqsil bir ipli uzilish (nik (nick)) kiritishidan boshlanadi. Uzatilayotgan plazmida kodlaydigan helikaza plazmida DNKsi ni yechadi (spiralini ochadi) va kesilgan zanjir 5'-uchi oldinda bo‘lgan holda retsipient-hujayraga o‘tadi. Shu bilan bir vaqtda donor-plazmidada 3'-uchi cho‘zilib, chiqib ketayotgan zanjir o‘rnini “aylanuvchi halqa” (rolling circle) replikatsiyasi mexanizmi bo‘yicha to‘ldirib boradi. Retsipient-hujayraga o‘tgan bir ipli DNK ham ikki ipli holatgacha qayta to‘ldiriladi. Demak, kon’yugatsiya replikativ jarayon bo‘lib, qat’iy aytganda, plazmidaning o‘zi emas, uning nusxasi uzatiladi.
Mobilizatsiya
Yuqorida tasvirlangan hujayralararo uzatishga hamma plazmidalar ham qodir emas (bunday plazmidalar kon’yugativ deb ataladi; masalan, E. colining F-plazmidasi shunday). Ba’zan kon’yugativ plazmida retsipient-hujayraga kon’yugativ bo‘lmagan plazmidani ham uzatishga yordam beradi — bu jarayon mobilizatsiya deb ataladi. Misol tariqasida kon’yugativ bo‘lmagan ColE1 plazmidasining mobilizatsiyasini ko‘rish mumkin. U maxsus nukleaza ni kodlaydigan mob genini va bom saytini ( oriTga o‘xshash) saqlaydi; Mob oqsili plazmidaga bir ipli uzilish kiritadi. Aslida, ColE1 plazmidasining kon’yugativ bo‘lishi uchun DNK uzatish apparatini kodlaydigan genlar yetishmaydi, shu sabab u retsipient-hujayraga kon’yugativ plazmida kodlaydigan uzatish apparati orqali o‘ta oladi. Ba’zan mobilizatsiyalanayotgan plazmidada o‘zining mob geni bo‘lmasligi ham mumkin; bunday hollarda bir ipli uzilishni unga yaqin qarindosh plazmidaning Mob oqsili kiritadi.
Xromosomal DNK uzatilishi
Ko‘pchilik holatlarda kon’yugatsiyada plazmida DNKsi uzatiladi. Biroq ayrim bakteriyalarda xromosomal DNK ham uzatilishi mumkin. Masalan, E. colida genom DNKsi bo‘laklari F-plazmida bilan birga ko‘chishi mumkin; shunga o‘xshash tizimlar boshqa bakteriyalarda ham bor, masalan, Pseudomonas aeruginosa da. Ayrim holatlarda xromosomal DNK uzatilishi uchun plazmidaning bakteriya genom DNKsi ga integratsiyalanishi zarur bo‘ladi, ya’ni amalda genom DNKsi plazmida tarkibida uzatiladi. Shu bilan birga, xromosomal DNK erkin holatda uzatiladigan holatlar ham ma’lum; ehtimol, bu kon’yugativ bo‘lmagan plazmidalarning mobilizatsiyasiga o‘xshash mexanizm orqali yuz beradi.
Kon’yugatsiya vaqtida plazmida uzatilganda retsipient-hujayra plazmidaning to‘liq bir ipli nusxasini oladi, ammo xromosomal DNK to‘liq uzatilmaydi, chunki uni to‘liq ko‘chirish katta vaqt talab qiladi. Masalan, E. colida to‘liq xromosomani ko‘chirish uchun 100 daqiqa kerak bo‘lardi (40 ming juft asos (b. j.) uzunlikdagi plazmidani uzatish uchun esa 1 daqiqa yetadi). Retsipient-hujayraga o‘tgan genom DNK bo‘lagi undan rekombinatsiya uchun foydalanishi mumkin.
E. colida kon’yugatsiya
1952 yilda Uilyam Xeyz Lederberg va Tatum tasvirlagan DNK uzatilishi qutbli (polyar) ekanini ko‘rsatdi. Ya’ni jarayonda donor-hujayra (F+, ingl. fertility — “serhosillik”) va retsipient-hujayra (F-) qatnashadi. Ma’lum bo‘lishicha, F+ shtammlar hujayralarida “F-plazmida” deb ataladigan plazmida mavjud. F-plazmida hujayrada ikki holatda bo‘lishi mumkin: erkin (avtonom) yoki genom ga integratsiyalashgan (episomal) holatda.
F+ hujayralar F- hujayralar bilan “chatishganda” donor-hujayra F+ maqomini yo‘qotmaydi, ammo F- hujayra uni qo‘lga kiritadi. Bunday chatishishda auksotrofiya kamdan-kam yo‘qoladi, chunki retsipient faqat F-plazmida DNKsi ni oladi, genom DNK esa o‘tmaydi.
Boshqa holat F- hujayra F-plazmida genomga “tikilgan” (integratsiyalashgan) hujayra bilan kon’yugatsiyalashganda kuzatiladi. F-plazmidasi genomga integratsiyalashgan bunday hujayralar Hfr (ingl. high frequency of recombination — “rekombinatsiya yuqori chastotasi”) deb ataladi, chunki uzatish paytida retsipient ko‘pincha genom DNKning bir bo‘lagini ham oladi va uni rekombinatsiya uchun ishlatadi. F-plazmida genomga integratsiyalashganda DNK uzatilishi uchun zarur bo‘lgan barcha genlar, jumladan pil oqsillarini kodlaydigan genlar ham funksional bo‘lib qoladi. Kon’yugatsiya boshida integratsiyalashgan F-plazmidaning oriT saytida bir ipli uzilish kiritiladi va DNK retsipientga o‘ta boshlaydi: avval F-xromosomaning bir bo‘lagi, undan keyin esa genom DNK uzatiladi. Yuqorida aytilganidek, to‘liq genomni uzatish taxminan 100 daqiqa talab qiladi, shuning uchun bakteriya-juftlar kontaktni genom DNKning hammasi o‘tib ulgurmasidan oldin uzib yuboradi. Retsipient to‘liq F-plazmida nusxasini kamdan-kam olgani sababli, u odatda F- hujayra bo‘lib qoladi.
Genomga integratsiyalashgan F-plazmida episoma bo‘lgani uchun, u bakterial genomni tark etib, yana avtonom holatga qaytishi mumkin. Biroq ba’zan xromosomadan “kesib chiqish” paytida xatolik yuz beradi va u o‘zi bilan genom DNKning kichik bir bo‘lagini ham olib chiqadi. Bunday plazmida F'-plazmida deb ataladi. F'-plazmida kon’yugatsiya uchun zarur barcha genlarni saqlaganligi sababli, u kon’yugativligicha qoladi va F- hujayraga “aylanuvchi halqa” mexanizmi orqali uzatilishi mumkin. Ammo kon’yugatsiya tugagach, retsipient-hujayra qisman diploid (merozigota) bo‘lib qoladi: F'-plazmida olib kirgan genom uchastkalari endi unda ikki nusxada mavjud bo‘ladi. F'-plazmida vositachiligidagi kon’yugatsiya ba’zan seksduktsiya (sexduction) deb ataladi. Shuni ham aytish kerakki, F'-plazmidagi va retsipient xromosomasidagi gomologik uchastkalar orasida rekombinatsiya yuz berishi mumkin. F'-plazmidalar orqali bakterial genlar populyatsiyalar bo‘ylab tez tarqalishi mumkin.
Kon’yugatsiya jarayonida ko‘plab oqsillar ishtirok etadi. oriT hududida bir ipli uzilish va DNK zanjirlarining dastlabki yechilishini relaksosoma deb ataladigan oqsil kompleksi bajaradi. E. coli da jinsiy pil mohiyatan IV-tip sekretsiya tizimining o‘zi hisoblanadi. U Tra oqsillarining ko‘plab nusxalaridan tashkil topgan: jumladan TraA pilli hosil qiladi, TraD esa jarayonni energiya bilan gidroliz qilinadigan ATF hisobiga ta’minlaydi. Tra oqsillarining bir qismi hujayra membranasida, bir qismi esa periplazmatik bo‘shliq tomonga cho‘zilib, peptidoglikan qavatidan o‘tib, tashqi membrana va uning lipopolisaxarid qavatigacha yetadi.
Regulyatsiya
F-plazmida maxsus regulyator uchastkani saqlaydi; uning tarkibiga, xususan, traJ geni kiradi. TraJ oqsili jinsiy pilarni hosil qilish va ishlashi uchun zarur bo‘lgan boshqa tra genlarining ekspressiyasi ni ijobiy boshqaradi. Antisens RNK FinP va FinO FinOP kompleksini hosil qiladi; u TraJ oqsilining hosil bo‘lishini repressiya qiladi va shu tariqa kon’yugatsiyaning ingibitori bo‘lib xizmat qiladi. Retsipient-hujayraga F-plazmida va F-ga o‘xshash plazmidalarning uzatilishini tormozlaydigan yana 5 ta tizim ham tasvirlangan: finW tizimi F-ga o‘xshash R455 plazmidasida joylashgan; finQ, finU va finV tizimlari bir qator F-ga o‘xshash bo‘lmagan plazmidalarda aniqlangan; finC tizimi esa kon’yugativ bo‘lmagan CloDF13 plazmidasining ko‘p nusxali mutantida uchraydi. Bu tizimlarning barchasi qandaydir tarzda tra genlarini boshqaradi. F-plazmida o‘zi ham boshqa plazmidalarning uzatilishini tormozlay oladi: masalan, u RP4 plazmidasining uzatilishini 500—1000 marta kamaytiradi.
Mezbon (xo‘jayin) hujayra genomidagi genlar ham plazmidalarning kon’yugativ uzatilishiga ta’sir qilishi mumkin. Masalan, E. coli ning K-12 shtammi genomida sfrA va sfrB genlari aniqlangan bo‘lib, ular ayrim tra genlarini regulyatsiya qiladi. Bundan tashqari, genomdagi fex genidagi mutatsiyalar F-plazmidaning kon’yugativ salohiyatini pasaytiradi.
Yuzaki istisno
Kon’yugativ plazmidani (qaysi ko‘rinishda bo‘lishidan qat’i nazar) saqlaydigan hujayra kon’yugatsiyada retsipient rolini bajara olmaydi. Bu hodisa “yuzaki istisno” deb ataladi va u birinchi bor F-plazmidada tasvirlangan (eng yaxshi o‘rganilgan holat ham shu). Yuzaki istisno uchun mas’ul genlar Sfx deb belgilanadi. Bunday genlar F-plazmidada va bir nechta F-ga o‘xshash plazmidalarda, masalan R100 da aniqlangan. Yuzaki istisno belgisi bo‘yicha bir-biridan farq qiladigan besh guruh plazmida ma’lum: bu guruhlarga mos ravishda F, ColB2-K98, R1, R100 va pED208 plazmidalari kiradi. Ba’zan ayrim F-ga o‘xshash plazmidalar Sfx belgisi bo‘yicha oltinchi guruh sifatida ham ajratiladi. Ammo plazmidalar Sfx bo‘yicha turli guruhlarga mansub bo‘lsa ham, kon’yugatsiya mutlaqo imkonsiz, deb keskin aytib bo‘lmaydi. Ko‘pchilik holatlarda yuzaki mos kelmaslik jinsiy pilar xususiyatlari bilan bog‘liqligi ko‘rsatilgan.
Boshqa bakteriyalarda kon’yugatsiya
Yuqorida bayon qilingan kon’yugatsiya mexanizmi gram-manfiy bakteriyalarga taalluqlidir. Biroq ko‘plab gram-musbat bakteriyalar ham kon’yugatsiyaga qodir — Streptomyces dan tortib Enterococcus gacha. Ko‘p holatlarda DNK uzatish mexanizmi prinsipial jihatdan gram-manfiy bakteriyalarnikiga o‘xshash. Ammo gram-manfiylarda kon’yugatsiya uchun kamida 20 ta gen kerak bo‘lsa, gram-musbatlarda jarayonga ancha kam genlar, ba’zan atigi beshta gen ham jalb etiladi. Shu sababli gram-musbat bakteriyalarning kon’yugativ plazmidalari ko‘pincha gram-manfiylarnikiga qaraganda kichikroq bo‘ladi. Bundan tashqari, hujayra devori tuzilishi (peptidoglikanning qalin qavati) tufayli gram-musbat bakteriyalardagi kon’yugatsiyada pil ishtirok etmaydi. Kon’yugatsiya tizimi gram-musbat Enterococcus faecalis bakteriyasida yetarlicha yaxshi o‘rganilgan. Ushbu tur ning ayrim shtammlari peptid tabiatli eruvchan feromonlar ni sekretsiya qiladi va bu feromonlar qo‘shni hujayralardagi kon’yugativ plazmidalarda tra genlari ekspressiyasini rag‘batlantiradi (qiziq jihati shundaki, bu holatda feromonlarni odatda retsipientlar ajratadi, donorlar emas). Kon’yugativ plazmidani saqlagan donor-hujayralar yuzasida feromonlar uchun retseptorlar bo‘ladi: turli plazmidalarga turli feromonlar va, mos ravishda, turli retseptorlar mos keladi. Feromon retseptor bilan bog‘langach, u maxsus oqsil yordamida sitoplazma ga olib kiriladi va u yerda TraA oqsili bilan o‘zaro ta’sirlashadi. Erkin holatda TraA tra oqsillari ekspressiyasini bostiradi, feromon bilan bog‘langach esa tormozlovchi xususiyatini yo‘qotadi va tra genlari ekspressiyasi faollashadi. Natijada donor va retsipientni bog‘lab turadigan murakkab oqsil yig‘ilishi (protein aggregation) hosil bo‘ladi.
Kon’yugativ transpozonlar
E. faecalis da kon’yugatsiya plazmidalar bilan emas, balki transpozon — Tn916 orqali ham kechishi mumkin. Unda plazmidalardagiga o‘xshash oriT sayti mavjud. Kon’yugatsiya boshida Tn916 bakterial xromosomadan o‘zi kodlaydigan ikki ferment — Int va Xis — yordamida “kesib olinadi”; ular λ bakteriofagi ni kesib chiqarishni ta’minlaydigan fermentlarga qarindoshdir. Keyin u halqasimon shaklga o‘tadi va oriT hamda tra genlari borligi sababli kon’yugativ plazmidaga o‘xshab qoladi. Biroq halqasimon shaklda ham Tn916 da replikatsiya boshlanish nuqtasi yo‘q, shuning uchun u ko‘payishga qodir emas. Tn916 holatida DNK uzatilish mexanizmi kon’yugativ plazmidalarnikiga o‘xshaydi. Retsipient-hujayrada transpozonning ikki ipli halqasimon shakli hosil bo‘lgach, integraza fermenti uni bakterial genomning tasodifiy uchastkasiga kiritadi. Tn916 gram-musbat kokklar dagi o‘xshash kon’yugativ transpozonlar guruhi uchun prototip hisoblanadi, garchi kon’yugativ transpozonlar gram-manfiy bakteriyalarda ham tasvirlangan bo‘lsa-da. Plazmidalar kabi, kon’yugativ transpozonlar ham antibiotikga chidamlilik ning tarqalishiga hissa qo‘shishi mumkin: masalan, Tn916 tetrasiklin ga chidamlilik genini saqlaydi.
Kon’yugatsiya va bakterial xromosomani xaritalash
Hfr shtammlar kashf etilgach, Elli Volman va Fransua Jakob bakterial xromosomani xaritalash uchun yangi usul — chatishishni uzib qo‘yish (interrupted mating) usulini taklif qilishdi. Ular ma’lum xromosomal markerlarni olib yuruvchi F+ va F- hujayralarni bitta kulturada aralashtirib, bir muddat inkubatsiya qilishgan, so‘ng hujayralararo kontaktlarni buzadigan keskin chayqatish orqali kon’yugatsiyani to‘xtatib, rekombinatsiya sodir bo‘lgan hujayralarni tanlab olishgan. Kon’yugatsiyani turli vaqt oralig‘ida uzib, kon’yugatsiya boshlanganidan keyin qaysi genlar aynan qaysi daqiqada uzatilganini aniqlash orqali genlarning joylashish tartibini belgilash, ya’ni ularni bakterial xromosomada xaritalash mumkin.
