Изменчивость бактерий.

Совокупность всех генов, составляющих геном бактерии, называется генотипом. Совокупность признаков и свойств, являющихся результатом проявления генотипа, называется фенотипом. Генотип и фенотип не являются абсолютно стабильными, они могут изменяться. Изменчивость – это специфическое свойство живой материи изменять свои признаки и свойства под действием внутренних и внешних факторов. Как и всё живое, бактерии весьма изменчивы. Различают ненаследственную (фенотипическую) и наследственную (генотипическую) изменчивость.

Фенотипическая изменчивость. Изменения признаков и свойств, вызванные воздействием факторов окружающей среды и не затрагивающие первичную структуру ДНК, называются модификациями. Модификации не передаются по наследству, они являются адаптивными реакциями на внешние факторы. Устранение модифицирующих факторов ведёт к исчезновению модификаций и восстановлению исходного фенотипа. Модификации проявляются изменениями внешних (фенотипических) признаков и свойств: морфологических, биохимических, антигенных и др. Классическим примером морфологических модификаций является образование L-форм бактерий, лишённых клеточной стенки вследствие разрушения её пенициллинами или лизоцимом. К морфологическим модификациям относится также возникновение инволютивных нитчатых форм бактерий при истощении питательных веществ и накоплении продуктов обмена в среде культивирования; утрата пилей общего назначения при воздействии желудочного сока (у шигелл); переход вегетативных форм бактерий в покоящиеся формы – споры, цисты при ухудшении условий существования. К биохимическим модификациям относится индуцибельный синтез ферментов, например, пенициллиназы, расщепляющей пенициллин и некоторые другие β-лактамные антибиотики при условии их наличия в среде обитания бактерий. Кишечная палочка только в присутствии лактозы синтезирует ферменты, необходимые для её ферментации. Изменение антигенных свойств может произойти при включении ранее молчащих генов, что наблюдается, например, у боррелий возвратного тифа, нейссерий и др. В целом, модификации способствуют выживанию бактерий в неблагоприятных условиях окружающей среды.

Генотипическая изменчивость. Её материальную основу составляют мутации и рекомбинации. Мутация – это изменение первичной структуры ДНК внутри одного генома, ведущее к изменению фенотипа. Рекомбинация – это изменение первичной структуры ДНК вследствие обмена генетическим материалом между 2 геномами, что также сопровождается изменением фенотипа. Поскольку при этих процессах изменяется первичная структура ДНК, мутации и рекомбинации наследуются.

Мутации вызывают мутагены – внешние и внутренние факторы, индуцирующие изменения в первичной структуре ДНК. По своей природе мутагены подразделяются на физические (лучистая энергия), химические (органические и неорганические соединения, в том числе химиопрепараты, акридиновые красители) и биологические (плазмиды, транспозоны, вставки-последовательности, вирусы), ошибки в работе ферментов транскрипции и репарации.

По происхождению мутации бывают индуцированные и спонтанные. Индуцированные мутации возникают вследствие действия внешних мутагенов, используемых в эксперименте. Спонтанные мутации являются результатом нарушений транскрипции и репарации, а также воздействия мигрирующих внехромосомных факторов наследственности – вставок-последовательностей, транспозонов и плазмид.

По количеству мутировавших генов различают генные и хромосомные мутации. Генные мутации локализуются в пределах одного гена; они могут быть точковыми (изменение 1 нуклеотида) и фрагментарными (изменение 2 и более нуклеотидов). Точковые и фрагментарные генные мутации возникают вследствие делеций, дупликаций, инсерций или транслокаций соответствующего количества нуклеотидов. Это ведёт к смещению рамки считывания генетического кода и изменению фенотипа по мутировавшему гену. В отдельных случаях могут образоваться бессмысленные кодоны, не кодирующие ни одной аминокислоты, так называемые нонсенс-мутации (от англ. nonsense – бессмыслица). В основе хромосомных мутаций лежат аналогичные типы изменений первичной структуры ДНК, захватывающие 2 и более генов (делеции, дупликации, инверсии, транслокации).

По направленности мутации бывают прямыми (первичная мутация, вызвавшая изменение фенотипа) и обратными (вторичная мутация в обратном направлении, приведшая к восстановлению исходного фенотипа). Синоним обратной мутации – реверсия.

По фенотипическим последствиям различают нейтральные, условно летальные и летальные мутации. Нейтральные мутации не ведут к изменению жизнеспособности бактерий и фенотипически могут не проявляться. Условно летальные мутации способны привести к гибели при определённых условиях. Эти мутации сопровождаются изменением, но не утратой функциональной активности фермента. Например, ферменты большинства мезофильных бактерий функционируют в диапазоне температур от 20 до 42˚С. У температурочувствительных мутантов (Ts-мутанты) ферменты активны при 37˚С, но инактивируются при 42˚С, что сопровождается гибелью Ts-мутантов. Летальные мутации неотвратимо вызывают гибель, поскольку вызывают утрату способности синтезировать жизненно важные для бактерии ферменты. Летальные мутации возникают либо при обширных делециях, либо при других типах мутаций в генах, отвечающих за синтез ферментов дыхания, транскрипции и трансляции.

Рекомбинации. Обмены генетической информацией могут проходить между бактериями путём трансформации, конъюгации и трансдукции. Хромосомные гены способны передаваться любым из этих путей, тогда как плазмидные гены - преимущественно при конъюгации и трансдукции. Бактериальные клетки, отдающие генетическую информацию, называются донорами, а принимающие её – реципиентами. В результате рекомбинаций формируется геном, сочетающий гены реципиента и донора.

Трансформация – это непосредственная передача изолированного фрагмента ДНК от бактерии-донора к бактерии-реципиенту. Процесс трансформации самопроизвольно происходит в природе и воспроизводится в эксперименте (рис. 4). Последовательность событий при трансформации такова: (1) освобождение ДНК при разрушении клетки бактерии-донора; (2) адсорбция ДНК на клеточной стенке компетентных (способных воспринимать ДНК) бактерий-реципиентов; (3) ферментативное расщепление связавшейся ДНК в случайных участках с образованием фрагментов 5_*10⁵-5_*10⁶ Д; (4) энергозависимое проникновение фрагментов ДНК с молекулярной массой не менее 5_*10⁵ Д внутрь бактерии-реципиента, сопровождаемое деспирализацией и разрушением одной из нитей; (5) ферментативное образование однониточных разрывов в нуклеоиде реципиента; (6) соединение сохранившейся нити ДНК донора с гомологичным участком хромосомы реципиента с последующей достройкой второй нити. Трансформация наиболее эффективна при большой гомологии ДНК, что имеет место при внутривидовой рекомбинации. Феномен трансформации был открыт в 1928 г. Ф. Гриффитсом, который установил, что при заражении мышей непатогенной бескапсульной культурой Streptococcus pneumoniae II серовара совместно с убитой нагреванием патогенной капсульной культурой ІІІ серовара происходит изменение S. pneumoniae II серовара; они приобретают капсулу, наделяющую их вирулентными свойствами, присущими S. pneumoniae IIІ серовара. Механизм этого явления был расшифрован в 1944 г. О. Эйвери, К. Маклеодом и М. Маккарти, попутно показавшими, что носителем генетической информации является ДНК.

Конъюгация – это перенос фрагмента ДНК от донора к реципиенту при помощи конъюгативного мостика. Впервые обнаружена Д. Ледербергом и Э. Тейтумом в 1946 г. Конъюгация происходит при выполнении следующих условий: (1) наличие 2 типов клеток: доноров (F⁺), содержащих F-плазмиду и реципиентов (F^-), не обладающих ею; (2) наличие на поверхности реципиентных бактерий рецепторов пилей, гомологичных F-пилям бактерий-доноров, что обеспечивает стабильную связь между ними; (3) наличие у F-плазмиды точки начала репликации, распознаваемой репликативными системами хозяина. Процесс конъюгации включает следующие этапы: (1) образование F-пили бактерией-донором; (2) прикрепление клетки-донора к клетке-реципиенту с помощью F-пили, что ведёт к образованию конъюгативного мостика между ними; (3) передача донором по конъюгативному мостику F-плазмиды и других автономных плазмид реципиенту (рис. 5). При получении F-плазмиды клетка-реципиент становится F⁺ и приобретает способность конъюгировать как донор с другими F^--бактериями. В случае интегрированных F-плазмид доноры (Hfr+-клетки) способны передавать реципиентам только часть хромосомных генов, сама интегри рованная F-плазмида реципиенту не передаётся. В этом случае процесс включает образование эндонуклеазой разрыва ДНК в месте интеграции F-плазмиды, перенос одной нити ДНК по конъюгативной пиле в рецепторную F^--клетку с последующей достройкой до двухнитевой структуры. Нить ДНК, оставшаяся в клетке донора, также достраивается. Конъюгация играет значительную роль в распространении среди бактерий R-плазмид, несущих гены резистентности к антибиотикам.

Трансдукция – это перенос фрагмента бактериальной ДНК от бактерии-донора к бактерии-реципиенту посредством бактериофага. Была открыта в 1951 г. Н. Циндером и Д. Ледербергом. Векторами (переносчиками) при трансдукции являются бактериофаги – вирусы бактерий (рис. 6). Головка бактериофага представляет собой белковый футляр, внутри которого находится ДНК. Головка соединена с отростком, состоящим из полого стержня, окружённого снаружи сократительным чехлом (рис. 7). На дистальной части отростка имеется базальная пластинка, содержащая нити (фимбрии), посредством которых бактериофаг прикрепляется к бактериям. После фиксации на поверхности бактериальной клетки чехол сокращается и стер жень прокалывает клеточную стенку бактерии. По просвету стрежня внутрь бактерии проникает ДНК бактериофага, на матрице которой за счёт энергии и пластического материала бактерии образуются новые бактериофаги. Последние освобождаются из клетки путём её разрушения и внедряются в другие бактерии, многократно повторяя свой цикл развития. Бактериофаги, продуктивно размножающиеся в бактериях и приводящие их к гибели, называются вирулентными фагами. Вирулентные фаги используются при фагодиагностике бактериальных заболеваний, поскольку такие фаги способны размножаться лишь в бактериях определённого вида и с определёнными специфическими свойствами. Нередко ДНК бактериофага проникнув внутрь бактерии, интегрируется с нуклеоидом и в таком состоянии (профаг) остаётся определённое время, в течение которого размножение бактериофагов не происходит. Такие бактериофаги называются умеренными бактериофагами. Бактерии, содержащие в своём геноме профаг, приобретают дополнительный генетический материал и становятся невосприимчивыми к повторному внедрению в них бактериофагов. Это явление известно как лизогения, а популяция бактерий – как лизогенная культура. Латентное состояние профага может быть прервано внутренними и внешними факторами, вследствие чего происходит фаговая конверсия – восстановление способности бактериофага к размножению и лизису бактерии-хозяина. В процессе фаговой конверсии возможно включение отдельных бактериальных генов в состав ДНК профага. Потомство таких фагов переносит (трансдуцирует) генетический материал от бактерии-донора к бактериям-реципиентам. Таким способом могут быть переданы гены, отвечающие за токсинообразование, адгезивные и другие свойства, повышающие у клетки-донора потенциал вирулентности.

Различают 3 типа трансдукции: неспецифическую ли общую, специфическую и абортивную. При неспецифической трансдукции в состав ДНК бактериофага могут войти различные гены бактерии-донора. При этом фаг нередко утрачивает часть своего генома, становясь дефектным фагом. Переносимые бактериофагом гены бактерии-донора включаются в ДНК бактерий-реципиентов в гомологичных участках путём рекомбинации. Гены фага в состав трансдуцируемого фрагмента ДНК не входят, поэтому бактерия-реципиент лизогенной не становится. При специфической трансдукции бактериофаги переносят от донора к реципиенту строго определённые гены, а именно те, которые находились рядом с интегрированной фаговой ДНК. Выщепление бактериальных генов сопровождается утратой части генов фага. При специфической трансдукции бактерия-реципиент становится лизогенной, поскольку включает в свой геном как гены бактерии-донора, так и гены бактериофага. При абортивной трансдукции перенесенный фагом фрагмент ДНК бактерии-донора не включается в нуклеоид бактерии-реципиента, а располагается в её цитоплазме и может в таком состоянии функционировать. Во время деления бактериальной клетки трансдуцированный фрагмент ДНК донора может передаваться только одной из двух дочерних клеток (однолинейное наследование) и, в конечном итоге, утрачиваться в потомстве.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: