Генетический аппарат бактерий (хромосомы, плазмиды) характеристика бактериальных транспозонов. Биологическая роль плазмид.

Материальной основой наследственности, определяющей ге­нетические свойства всех организмов, в том числе бактерий и виру­сов, является ДНК. Исключение составляют только РНК-содержащие вирусы, у которых генетическая информация закодирована в РНК. Од­нако в отличие от хромосомы эукариот гены прокариот организованы в более простую структуру, представляющую собой молекулу ДНК, часто замкнутую в кольцо. Молекулярная масса ДНК у бактерий срав­нительно велика: у Е. coli она равна 2 • 10⁹.

Наряду с описанной структурой, называемой бактериальной хро­мосомой, или нуклеоидом, генетический материал у бактерий содер­жится во внехромосомных генетических элементах — плазмидах, которые могут находиться в автономном состоянии в цитоплазме клетки.

Гены, ответственные за синтез того или иного соединения, при­нято обозначать строчными буквами латинского алфавита, соответ­ствующими названию данного соединения со знаком «+». Например, his⁺ — гистидиновый ген, leu⁺⁺ — лейциновый ген и т.д. Гены, кон­тролирующие резистентность к лекарственным препаратам, фагам. ядам, обозначают буквой г (resistent — резистентный). Например, резистентность к стрептомицину записывается знаком str^r, а чувстви­тельность str. Фенотип бактерий обозначают теми же знаками, что и генотип, но с прописной буквы.

Генотип микроорганизмов представлен совокупностью генов, определяющих его потенциальную способность к фенотипическому выражению записанной в них информации в виде определенных при­знаков. Условия окружающей среды способствуют проявлению (экс­прессии) генов или, наоборот, подавляют их функциональную актив­ность, выраженную в образовании определенных ферментов. У бак­терий, имеющих определенный набор генов, функцию каждого из них определяют не прямым, а косвенным путем на основании изменения или утраты соответствующего признака при утрате какого-либо уча­стка ДНК. Таким образом, заключение о функции гена делают на основании результатов сравнительного изучения признака присущего исходному генотипу и штамму с мутировавшим геном. В генетичес­ких исследованиях мутировавшие гены служат маркерами,которые дают возможность судить об их передаче и функционирова­нии. Сцепленность таких маркеров с другими генами устанавливает­ся путем их передачи от донорных к реципиентным клеткам в опы­тах трансформации трансдукции и конъюгации. Это позволяет уста­новить их локализацию на бактериальной хромосоме и составить генетическую карту.

ВНЕХРОМОСОМНЫЕ ФАКТОРЫ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ

Внехромосомные факторы наследственности входят в состав многих микроорганизмов, особенно бактерий. Они представлены плаз-мидами, транспозонами и Is-последовательностями (англ. insertion — вставка, sequence — последовательность), которые являются молеку­лами ДНК, отличающимися друг от друга молекулярной массой, объе­мом закодированной в них информации, способностью к автономной репликации и другими признаками.

Плазмиды, транспозоны и Is-последовательности не являются генетическими элементами, жизненно необходимыми для бактериаль-ной клетки, поскольку они не несут информации о синтезе фермен-тов, участвующих в пластическом или энергетическом метаболизме. вместе с тем они могут придавать бактериям определенные селек­тивные преимущества, например резистентность к антибиотикам.

Плазмиды физически либо не связаны с хромосомой (автономное состояние), либо встроены в ее состав (интегрированное состояние). В автономном состоянии они самостоятельно реплицируются. Транс-позоны и Is-последовательности во всех случаях связаны с хромосо­мой и не способны к самостоятельной репликации.

Плазмиды

Плазмиды несут две функции — регуляторную и кодирующую. Первая состоит в компенсации нарушений ме­таболизма ДНК клетки хозяина. Например, при интегрировании плаз­миды в состав поврежденного бактериального генома, не способного к репликации его функция восстанавливается за счет плазмидного реп-ликона.

Кодирующая функция плазмид состоит во внесении в бактери­альную клетку новой информации, о которой судят по приобретенно­му признаку, например образованию пилей (F-плазмида), резистент-ности к антибиотикам (R-плазмида), выделению бактериоцинов (Col-плазмида) и т.д.

Переход плазмиды в автономное состояние и реализация запи­санной в ней информации часто связаны с индуцирующими воздей­ствиями внешней среды. В некоторых случаях продукты плазмидных генов могут способствовать выживанию несущих их бактерий. Само­стоятельная репликация плазмидной ДНК способствует ее сохране­нию и распространению в потомстве. Встраивание плазмид, так же как и профагов, происходит только в гомологичные участки бактери­альной хромосомы, в то время как Is-последовательностей и транс-позонов — в любой ее участок.

Перенос генетического материала (ДНК) детерминируется tra- опероном F-плазмиды (от англ. transfer — перенос), обеспечивающим ее конъюгативность. F-плазмиду можно удалить (элиминировать) изклетки, обработав последнюю некоторыми веществами, например акридиновым оранжевым, в результате чего клетки теряют свойств_э донора. Сравнительно легкая элиминация и очень быстрая и эффец. тивная передача F-плазмиды реципиентным клеткам дали основание считать, что она располагается в цитоплазме бактерий вне хромосо. мы. Однако F-плазмида может встраиваться в бактериальную хромо. сому и находиться с ней в интегрированном состоянии.

R-плазмиды. Известно большое количество R-плазмид, определяющих устойчивость бактерий-хозяев к разнообразным лекарствен-ным препаратам. Передача R-плазмид от одних бактерий к другим привела к их широкому распространению среди патогенных и услов-но-патогенных бактерий, что чрезвычайно осложнило химиотерапии вызываемых ими заболеваний.

R-плазмиды имеют сложное молекулярное строение. В их состав входят: r-ген, который может содержать более мелкие мигрирующие элементы — Is-последовательности, транспозоны и /га-опероны.

Плазмиды биодеградации. Данные плазмиды несут информацию об утилизации некоторых органических соединений, которые бакте-РИи используют в качестве источников углевода и энергии. Они могут играть важную роль в экологии патогенных бактерий, обеспечи-

вая им селективные преимущества во время пребывания в объектах окружающей среды и в организме человека. Например, урологические штаммы кишечных палочек содержат плазмиду гидролизациц мочевины.

Плазмиды биодеградации несут информацию об утилизации ряд_а Сахаров (лактоза, сахароза, рафиноза и др.) и образовании протеолитических ферментов.

Транспозоны

Транспозоны представляют собой нуклеотидные последова­тельности, включающие от 2000 до 20 500 пар нуклеотидов, которые несут генетическую информацию, необходимую для транспозиции. При включении в бактериальную ДНК они вызывают в ней дуплика­ции, а при перемещении — делеции и инверсии. Транспозоны могут находиться в свободном состоянии в виде кольцевой молекулы, не­способной к репликации. Она реплицируется только в составе бакте­риальной хромосомы. При этом новые копии транспозонов могут миг­рировать в некоторые плазмиды и ДНК фагов, которые, проникая в бактериальные клетки, способствуют их распространению в популя­ции. Таким образом, важнейшим свойством транспозонов является их способность к перемещению с одного репликона (хромосомная ДНК) на другой (плазмида) и наоборот. Кроме того, некоторые транс­позоны, так же как и плазмиды, выполняют регуляторную и кодиру­ющую функции. В частности, они могут нести информацию для син­теза бактериальных токсинов, а также ферментов разрушающих или модифицирующих антибиотики.

Транспозоны имеют особые концевые структуры нескольких типов, которые являются маркерами, позволяющими отличать их от других фрагментов ДНК. Это позволило обнаружить их не только у бактерий и дрожжей, но и в клетках растений, насекомых, позвоночных живот­ных и человека. При интеграции транспозонов в хромосому клеток животных или человека они приобретают удивительное сходство с провирусами, находящимися в составе их хромосом.

Ls-последовательности

Is-последовательности представляют собой транспозируемые элемен­ты, которые также называются «вставки последовательностей осно­ваний». Это фрагменты ДНК длиной 1000 пар нуклеотидов и более. В Is-последовательностях содержится информация, необходимая только для их транспозиции, т.е. перемещения в различные участки

ДНК.

Вследствие такого рода перемещений Is-последовательности могут выполнять ряд функций.

1. Координировать взаимодействие транспозонов, плазмид и уме-енных фагов как между собой, так и с хромосомой бактериальной летки и обеспечивать их рекомбинацию.

2. Вызывать инактивацию гена, в которой произошла интеграция ^-последовательности («выключение» гена), либо, будучи встроен­ными в определенном положении в бактериальную хромосому, слу­жить промотором (участками ДНК, регулирующих экспрессию под­лежащих структурных генов бактерий-реципиентов), который вклю­чает или выключает транскрипцию соответствующих генов, выполняя регуляторную функцию.

3. Индуцировать мутации типа делеций или инверсий при пере­мещении и дупликации в 5-9 парах нуклеотидов при включении в бактериальную хромосому.

В свободном состоянии Is-последовательности не обнаружены, что свидетельствует об их неспособности реплицироваться само­стоятельно.