Организация генетического материала у бактерий

 

11.1. Общая схема организации генетического материала бактериальной клетки

Организация генетического материала у бактерий основана на общем для всех форм на Земле принципе. Поэтому данный материал излагается с учетом знания студентами курса общей генетики: освещаются лишь те генетические особенности, которые характерны для прокариотической клетки. Наследственная информация бактерий, как и у всех форм клеточной жизни (в отличие от вирусов), хранится в ДНК (Рис. 11.1-1), которая в прокариотической клетке представлена двумя типами молекул.

Рис. 11.1-1. Схема строения ДНК

 

А. Жизненно важные признаки, без которых бактериальная клетка не может существовать, закодированы в нуклеоиде (см. раздел 4.2).

Б. Не жизненно важные признаки закодированы у бактерий во внехромосомных факторах наследственности: плазмидах, транспозонах, IS-последовательностях и умеренных бактериофагах. Без этих признаков бактериальная клетка может существовать в обычных условиях, но дополнительные признаки, закодированные во внехромосомных факторах наследственности, придают ряду клеток популяции дополнительные возможности выживания при изменении условий внешней среды и, за счет повышения гетерогенности популяции, усиливают адаптационные возможности последней. Например, признак устойчивости к пенициллину в обычных условиях не востребован и не влияет на жизнеспособность бактериальной клетки, но при появлении этого антибиотика во внешней среде выжить могут только те бактерии, которые имеют плазмиду, кодирующую соответствующий признак. Очевидно, что выжить в присутствии пенициллина смогут только те бактериальные популяции, в составе которых есть клетки, несущие соответствующую плазмиду.

1. По способности к саморепликации внехромосомные факторы наследственности делятся на две группы: автономные и неавтономные.

а. Автономными внехромосомными факторами наследственности у бактерий являются плазмиды. Это значит, что они способны реплицироваться самостоятельно, обладая собственным соответствующим опероном.

б. Неавтономными внехромосомными факторами наследственности у бактерий являются транспозоны, IS-последовательности и умеренные фаги. Не обладая собственным опероном, обеспечивающим репликацию, они могут реплицироваться только в молекуле ДНК, обладающей таким опероном – или в нуклеоиде или в плазмиде.

2. Все внехромосомные факторы наследственности у бактерий могут встраиваться в нуклеоид (и, соответственно, выходить из его состава). В зависимости от места встраивания в нуклеоид внехромосомные факторы наследственности также делятся на две группы.

а. Только в гомологичных участках могут встраиваться в нуклеоид плазмиды и умеренные бактериофаги. Это значит, что для конкретной плазмиды и для конкретного умеренного бактериофага есть только одно место в нуклеоиде, где эта конкретная плазмида или этот конкретный бактериофаг могут включиться в состав нуклеоида.

б. В любых участках могут встраиваться в нуклеоид транспозоны и IS-последовательности.

11.2. Плазмиды

Плазмиды – внехромосомные автономные факторы наследственности у бактерий.

А. Плазмиды, как и другие внехромосомные факторы наследственности бактерий, увеличивают генетическую гетерогенность бактериальной популяции. Это и можно рассматривать как их основную функцию, которую они выполняют вместе с транспозонами, IS-последовательностями и умеренными бактериофагами. Конкретно же плазмиды выполняют две функции: регуляторную и кодирующую.

1. Плазмиды могут нести те же гены, которые имеются в нуклеоиде. Если один из этих генов нуклеоида по какой-либо причине «замолчит», то «включиться» идентичный ген плазмиды – нужный признак по-прежнему будет присутствовать в фенотипе бактериальной клетки. Эта функция плазмид называется регуляторной.

2. Кодирующая функция плазмид заключается в том, что в них могут находиться гены, отсутствующие в бактериальной хромосоме (т.е. нуклеоиде). Собственно эта функция плазмид совпадает с общей функцией всех внехромосомных факторов наследственности – повышать гетерогенность генотипа популяции.

Б. Как и большинство других внехромосомных факторов наследственности, плазмиды могут существовать в бактериальной клетке в двух состояниях.

1. Если плазмида находится вне нуклеоида, в цитоплазме, говорят о ее автономном состоянии (не путать с понятием «автономный фактор наследственности»).

2. Плазмида, включенная в состав нуклеоида, находится в интегрированном состоянии.

В. В зависимости от содержания tra -оперона (о котором подробнее будет сказано ниже) плазмиды также делятся на две группы.

1. Плазмиды, содержащие в своем состав tra-оперон, называются конъюгативными, потому что такие плазмиды могут обуславливать передачу генетического материала от донорской клетки к реципиентной в процессе конъюгации (см. раздел 13.1).

а. Tra-оперон детерминирует образование конъюгативных пилей.

б. Кроме этого tra-оперон детерминирует цепь событий, которая называется мобилизацией на перенос. При этом участок двухцепочечной ДНК сначала расплетается, затем одна его цепочка переходит через конъюгативную пилю в другую, реципиентную, бактериальную клетку, где уже достраивается комплиментарная вторая нить. Таким образом, донорская клетка при конъюгации не теряет генетический материал, а реципиентная – приобретает его (несмотря на кажущийся смысл определения конъюгации как «перенос генетического материала от донорской к реципиентной клетке с помощью конъюгативных пилей).

1. Tra-оперон может мобилизовывать на перенос саму конъюгативную плазмиду (как это происходит в случае передачи при конъюгации плазмиды F⁺, см. раздел 11.3).

2. Tra-оперон может мобилизовывать на перенос другую, неконъюгативную, плазмиду (как это происходит в случае передачи при конъюгации плазмиды RTF, см. раздел 11.4).

3. Tra-оперон может мобилизовывать на перенос участок нуклеоида донорской клетки (как это происходит при конъюгации, обусловленной плазмидой Hfr, см. раздел 11.3).

2. Плазмиды, не несущие tra-оперона, называются, соответственно, неконъюгативными, т.к. не способны обуславливать процесс конъюгации.

Г. На две группы делятся плазмиды и по степени контроля над их репликацией со стороны нуклеоида.

1. Большие плазмиды (т.е. имеющие относительно большой молекулярный вес) находятся под строгим контролем со стороны нуклеоида над своей репликацией. Нуклеоид «позволяет» им, как правило, лишь одно «лишнее» деление. Соответственно в клетке такие плазмиды находятся в одной или двух копиях.

2. Малые плазмиды (т.е. имеющие относительно малый молекулярный вес) находятся под ослабленным контролем со стороны нуклеоида над своей репликацией и могут делиться значительно чаще его – поэтому в бактериальной клетке может одновременно находится до 30 копий таких плазмид.

Д. Наконец, плазмиды классифицируются на группы несовместимости. Дело в том, что родственные плазмиды не могут одновременно находиться в одной бактериальной клетке, т.к. если одна из них уже в ней присутствует, то другая проникнуть в нее уже не сможет (такое явление называется иммунитет к суперинфекции и касается также взаимоотношения вирусов с чувствительной клеткой). В результате родственные друг другу плазмиды, не совместимые в одной клетке, составляют одну группу несовместимости. В настоящее время таких групп несовместимости насчитывается среди плазмид более двадцати.

11.3. F -плазмиды

F-плазмиды представляют собой собственно tra-оперон, без каких-либо дополнительных генов. Эту плазмиду называют еще половым фактором или фактором фертильности (откуда и название) потому что наличие F-плазмиды превращает клетку в возможного донора наследственного материала при конъюгации (т.е. в «мужскую» клетку), соответственно клетка, лишенная F-плазмиды, является потенциальным реципиентом генетического материала при конъюгации («женской» клеткой). Реципиентная клетка, получив при конъюгации F-плазмиду, превращается тем самым из женской в мужскую (т.е. происходит «смена пола»).

А. F-плазмида, находящаяся в интегрированном состоянии, носит название Hfr -плазмиды (highfrequencyofrecombination – высокая частота рекомбинации). Если донорская клетка при конъюгации содержит Hfr-фактор, то при конъюгации разрыв цепочки нуклеоида происходит в месте прикрепления этого фактора и в конъюгационный мостик начинает входить противоположенный от места нахождения Hfr-фактора конец ДНК. Так как конъюгационный мостик не стоек, контакт между клетками при конъюгации кратковременен и вся цепочка ДНК нуклеоида просто не успевает перейти в реципиентную клетку. Следовательно, сам Hfr-фактор при этом виде конъюгации не передается (не происходит смена пола), а внедрившийся в реципиентную клетку фрагмент нуклеоида с высокой частотой (т.к. конъюгация происходит, как правило, между клетками одного вида) рекомбинирует с хромосомой реципиентной клетки.

Б. F -плазмида, находясь в автономном состоянии, сама переходит при конъюгации в реципиентную клетку. При этом реципиентная клетка превращается из «женской» в «мужскую» (т.е. происходит смена пола), но внедрившийся в реципиентную клетку генетический материал, представленный плазмидным генами, редко рекомбинирует с бактериальной хромосомой, потому что имеет по отношению к хромосомному генетическому материалу сравнительно низкую степень гомологии.

В. Половой фактор может переходить из автономного состояния в интеграционное и из интеграционного – в автономное. Последний процесс может сопровождаться обменом прилегающих частей плазмиды и нуклеотида, в результате чего перешедшая в автономное состояние плазмида окажется рекомбинационной – будет содержать фрагмент нуклеоида, оставив в нем взамен него свой фрагмент. Такая плазмида обозначается как F ’-плазмида. Если донорская клетка при конъюгации несет F’-плазмиду, то она переходит в реципиентную клетку, производя у последней «смену пола», но при этом и обуславливает высокую частоту рекомбинации (благодаря включенному фрагменту нуклеоида). Формирование различных состояний F-плазмиды, описанное выше иллюстрируется на Рис. 11-3-1.

Рис. 11.3-1. Формирование различных состояний плазмиды F (объяснения в тексте)

11.4. R -плазмиды

R-плазмиды – это плазмиды, детерминирующие множественную лекарственную устойчивость (или резистентность, откуда и название) бактериальной клетки к антибактериальным веществам (прежде всего антибиотикам).

А. Состав R -плазмиды определяется наличием в нем двух основных оперонов. Поэтому эта плазмида может находиться в двух формах.

1. Если в состав R-плазмиды входит tra-оперон, то в этом случае R-плазмида является конъюгативной. Tra-оперон в составе этой плазмиды называется RTF-фактор (resistancetransferfactor – фактор, передающий устойчивость). Гены, детерминирующие устойчивость к антибиотикам, формируют так называемый r-оперон (если быть более точным, то устойчивость к каждому антибиотику детерминирует отдельный r-оперон – т.е. в состав R-плазмиды входит несколько r-оперонов), который, в свою очередь, тоже может существовать как самостоятельная плазмида. Другими словами, конъюгативная R-плазмида состоит из двух плазмид: RTF-фактора и r-фактора (что можно понимать как включение меньшей r-плазмиды в состав большей RTF-плазмиды).

2. Неконъюгативная форма этой плазмиды состоит только из r-оперона(-ов).

Б. В состав r -оперона может входить множество генов.

1. Во-первых, это гены, детерминирующие синтез специфических ферментов.

а. Это могут быть ферменты, инактивирующие антибиотик.

б. Или ферменты, модифицирующие антибиотик. При этом модифицированный антибиотик (например, фосфорилированный) теряет свою антибактериальную активность.

в. Наконец, это могут быть ферменты, которые снижают проницаемость клеточной стенки к данному антибиотику, в результате чего он не может проникнуть внутрь бактериальной клетки и «добраться» до мишени своего действия (например, до рибосом, чтобы блокировать здесь синтез белка).

2. И во-вторых, r-оперона может содержать целый транспозон или его часть – IS -пос­ледовательность (см. ниже).

В. Из состава r-оперона становятся понятны основные механизмы устойчивости бактерий к антибиотикам, обусловленные наличием R-плазмид. Их три.

1. R-плазмида может детерминировать способность бактериальной клетки инактивировать антибиотик.

2. Или R-плазмида может детерминировать способность бактериальной клетки таким образом модифицировать антибиотик, что он в результате потеряет свою антибактериальную активность.

3. И, наконец, R-плазмида может детерминировать снижение проницаемости клеточной стенки для данного антибиотика и, таким образом, закрыть ему доступ к мишени его действия.

Г. R-плазмида не всегда передается посредством конъюгации.

1. У грамположительных бактерий R-плазмида чаще всего передается посредством трансдукции.

2. Посредством конъюгации R-плазмида чаще всего передается у грамотрицательных бактерий.

 

11.5. Бактериоциногенные плазмиды (на примере Col -плазмиды E. coli)

Бактериоциногенные плазмиды присущи практически всем видам бактерий. Они детерминируют синтез антибиотикоподобных веществ – бактериоцинов. Мы рассмотрим эти плазмиды на примере кишечной палочки. У нее бактериоциногенные плазмиды называются колициногенными (как и у других бактерий – по названию вида) или Col-плазмидами (наиболее многочисленная группа колициногенных плазмид), а бактериоцины – колицинами (по такому же принципу).

А. Состав Col -плазмиды определяется наличием в нем двух основных оперонов.

1. Эта плазмида содержит, во-первых, гены, детерминирующие синтез колицинов.

а. Колицины представляют собой белки.

б. Насчитывается более 25 типов колицинов.

в. Колицины не действуют на клетку, несущую колициногенную плазмиду идентичного типа.

г. Колицины убивают бактериальную клетку, но не лизируют ее, что предотвращает появление в среде обитания оставшихся в живых бактерий токсических продуктов клеточного распада.

2. И, во-вторых, Col-плазмида содержит tra -оперон. Соответственно она относится к конъюгативным плазмидам.

Б. Col-плазмида отличается от других плазмид рядом присущих только ей особенностей.

1. В отличие от других конъюгативных плазмид Col-плазмида редко интегрирует в нуклеоид. Хотя все конъюгативные плазмиды по определению способны это делать, иначе они не смогли бы мобилизовывать на перенос участок бактериальной хромосомы (см. раздел 11.3.А).

2. Col-плазмида обычно репрессирована, т.е. информация с нее не снимается. Т.е. признак, который она детерминирует, в обычных условиях клетке не нужен.

3. Когда же данный признак становится востребован и Col-плазмида дерепрессируется, то бактериальная клетка синтезирует колицины и погибает. Другими словами, Col-плазмида является потенциально летальной.

В. Значение Col-плазмиды можно рассматривать с двух точек зрения.

1. Биологическое значение Col-плазмиды заключается в том, что с ее помощью достигается разрежение популяции при недостатке питательного субстрата. Происходит это по следующей схеме (Рис. 11.5-1).

а. В популяции присутствуют клетки с различными типами Col-плазмиды (на рисунке помечены различным цветом). При истощении питательной среды Col-плазмида в одной из клеток дерепрессируется, эта клетка синтезирует соответствующий тип колицина и погибает.

б. Колицины действуют только на те клетки, которые не содержат Col-плазмиду, детерминирующую синтез колицинов именно этого типа. Соответственно клетки, содержащие Col-плазмиду, детерминирующую синтез колицинов данного типа остаются живыми.

в. Все же другие клетки популяции, несущие Col-плазмиды других типов, погибают, популяция разряжается («едоков» становится меньше) и, как результат, может продлить свою жизнь на обедненной среде.

 

Рис. 11.5-1. Схема, иллюстрирующая биологическое значение Col-плазмиды (объяснения в тексте)

 

2. Медицинское значение Col-плазмида плазмиды заключается в том, что с ее помощью кишечные палочки, в норме заселяющие кишечник человека, регулируют нормальный микробиоценоз – совокупность микроорганизмов, населяющих кишечных здорового человека, так как колицины действуют не только на клетки своего вида, но и на клетки других видов бактерий кишечной группы.

11.6. Транспозоны

Транспозоны, впрочем, как и IS-последовательности, часто называют «прыгающими генами». Вследствие своей способности, в отличие от плазмид и умеренных фагов, внедряться в молекулу ДНК (нуклеоид, плазмиду или умеренный фаг) в любых, а не только в гомологичных, участках, они могут менять место своей локализации в той молекуле ДНК, в которой они интегрированы. Кроме того, они могут «перескакивать» также и из одной молекулы ДНК в другую.

А. Транспозонам обычно дается следующее определение: это нуклеотидные последовательности (от 2 000 до 20 000 пар нуклеотидов), способные менять место своей локализации в молекуле ДНК и мигрировать из одной молекулы ДНК в другую.

Б. В бактериальной клетке они могут находиться в двух состояниях.

1. Транспозон может находиться в интегрированном состоянии, т.е. быть встроенным в репликон (нуклеоид или плазмиду) и, соответственно, реплицироваться в составе этого репликона.

2. Транспозон может находиться в бактериальной клетке и в автономном состоянии (т.е. вне репликона). В этом случае он замыкается в кольцо, но, будучи не в состоянии самореплицироваться, при делении клетки переходит только в одну из двух вновь образованных.

В. Транспозон состоит из трех основных частей.

1. Он содержит особые концевые структуры, которые отличают транспозон от других фрагментов ДНК, встречающихся в бактериальной клетке, и являющихся, таким образом, маркерами именно этого внехромосомного фактора наследственности.

2. Способность транспозона менять место своей локализации в молекуле ДНК и мигрировать из одной молекулы ДНК в другую детерминируют особые гены транспозиции (собственно, это и есть IS-последовательности).

3. Кроме этого, транспозон содержит гены, детерминирующие синтез белков, обуславливающих наличие у содержащей данный транспозон бактериальной клетки дополнительных признаков.

а. Часто такие гены детерминируют способность бактериальной клетки синтезировать тот или иной белковый токсин.

б. Не менее часто транспозон детерминирует устойчивость клетки к какому-либо антибиотику (именно одному, в отличие от R-плазмиды).

в. Реже транспозон детерминирует синтез белков, обуславливающих другие признаки.

 

11.7. IS -последовательности

IS-последовательности (insertsequences – вставные последовательности) входят в состав транспозона, обеспечивая его способность к транспозиции.

А. IS-последовательностям обычно дается следующее определение: это вставки нуклеотидных последовательностей (порядка 1 000 пар нуклеотидов), способных к транспозиции.

Б. IS-последовательности принципиально отличаются от транспозонов.

1. Во-первых, они содержат только гены транспозиции.

2. Во-вторых, они не обнаружены в свободном состоянии.

В. IS-последовательности выполняют три основные функции.

1. С их помощью осуществляется координация взаимодействия внехромосомных факторов наследственности между собой и с бактериальной хромосомой для обеспечения их рекомбинации.

2. Кроме этого они могут осуществлять регуляторную функцию (т.е. регулировать транскрипции генов путём их «включения/выключения»).

3. Наконец, IS-последовательности могут индуцировать мутации (инверсии, дупликации на протяжении 5-9 пар нуклеотидов).

 

11.8. Механизмы фаговой конверсии

Здесь, после изложения сведений о бактериофаге и о внехромосомных факторах наследственности у бактерий, можно обобщить сведения о механизмах фаговой конверсии (см. раздел 10.4.Б.2), когда в результате лизогенизации (т.е. встраивание в геном умеренного бактериофага) бактерия приобретает дополнительный признак.

А. Во-первых это явление может быть обусловлено дерепрессией гена профага, как об этом было сказано выше (см. раздел 10.4.Б.2).

Б. Во-вторых дополнительный признак может детерминироваться геном бактерии-донора, внесенным в геном бактерии-реципиента дефектным фагом при специализированной трансдукции (см. раздел 10.4.В.2).

В. И в-третьих, если умеренный бактериофаг интегрировался около поврежденного промотора одного из генов, то функцию этого неработающего промотора может «взять на себя» промотор профага, восстановив тем самым экспрессию «молчавшего» гена бактерии-реципиента.