Организация генетического материала бактериальной клетки.

Генетический материал бактерий представлен нуклеоидом, плазмидами, транспозонами и вставками-последователь-ностями.

Нуклеоид, или бактериальная хромосома, представляет собой двухнитевую кольцевую ДНК, не отделённую мембраной от цитоплазмы. Нуклеоид фиксирован специальными рецепторами к цитоплазматической мембране вблизи мезосомы – инвагинации мембраны, участвующей в делении клетки. Молекулярная масса ДНК у бактерий сравнительно велика и составляет, в среднем, 10¹⁰ Д (5_*10⁶ пар оснований; геном человека составляет 2,9_*10⁹ пар оснований). Молекула хромосомной ДНК находится в суперспирализованной форме и свёрнута в виде петель, число которых составляет 12-80 на хромосому. Петли в центре нуклеоида объединены за счёт молекулы 4,5S-РНК. Такая упаковка ДНК не препятствует её репликации и обеспечивает постоянную транскрипцию отдельных оперонов. Нуклеоид является жизненно необходимой генетической структурой, поскольку содержит информацию, нужную для обеспечения конструктивного и энергетического метаболизма бактерий. При благоприятных условиях количество копий ДНК в интерфазе может увеличиваться и достигать значений, эквивалентных по массе 2, 4, 6 и даже 8 нуклеоидам. Это уникальное свойство бактериального генома позволяет бактериям регулировать метаболизм и скорость собственного размножения.

Нуклеоид состоит из структурно-функциональных фрагментов ДНК – генов, каждый из которых контролирует синтез 1 белка (рис. 1). Гены в нуклеоиде бактерий расположены дискретно – последовательно один за другим. Число генов достигает 400-600 у хламидий, 1000 – у риккетсий, 2500-3000 – у кишечной палочки.

Рисунок 1

Структурно-функциональная организация бактериальной ДНК

Гены, несущие информацию о синтезируемых бактерией ферментах или структурных белках, называются структурными генами, или генами-цистронами. Гены-цистроны управляются функциональным геном – геном-оператором, с которым гены-цистроны образуют более сложную структурно-функциональную единицу ДНК – оперон. В пределах гена-оператора находятся следующие элементы: промотор (область, с которой взаимодействует РНК-полимераза), энхенсор (область, усиливающая транскрипцию оперона); аттенуатор (область, ослабляющая работу оперона), терминатор (область, блокирующая работу оперона). В свою очередь, оперон или группа оперонов находятся под управлением 1 гена-регулятора. Так образуется более сложная структурно-функциональная единица – регулон.

Гены, содержащие информацию о том или ином соединении, принято обозначать строчными начальными буквами латинского алфавита со знаком «+», соответствующими названию данного соединения. Например, arg⁺ - аргининовый ген, his⁺ - гистидиновый ген, lac⁺ - лактозный ген и т.д. Отсутствие данного гена обозначают знаком «-» (arg^-, his^-). Гены, обусловливающие резистентность к лекарственным препаратам, фагам, обозначают буквой r (от англ. resistant –резистентный). Например, резистентность к пенициллину записывают pen^r, а чувствительность – pen^s (от англ. sensitive – чувствительный).

К внехромосомным факторам наследственности у бактерий относятся плазмиды, транспозоны, вставки-последовательности. В отличие от нуклеоида, все они не являются жизненно необходимыми для бактерий, поскольку не несут информации о синтезе ферментов, участвующих в энергетическом или конструктивном метаболизме. Вместе с тем, внехромосомные факторы наследственности способны наделять бактерии определёнными селективными преимуществами.

Плазмиды представляют собой кольцевые суперспирализованные молекулы двухнитевой ДНК, содержащие 1500-400000 пар нуклеоидов. Молекулярная масса бактериальных плазмид составляет 10⁶-10⁸ Д. Плазмиды могут содержать до 90 генов, которые контролируют саморепликацию плазмид, их самоперенос или мобилизацию на перенос, специфические функции самой плазмиды, а также свойства, привносимые в бактериальную клетку. Плазмиды, свободно расположенные в цитоплазме, называются автономными. Они имеют кольцевую структуру, реплицируются независимо от нуклеоида и могут быть представлены несколькими копиями. Плазмиды, встроенные в нуклеоид, называются интегрированными. Такие плазмиды имеют линейную структуру, реплицируются синхронно с нуклеоидом и представлены 1 копией. Интеграция плазмид происходит только в гомологичные участки бактериальной хромосомы.

В зависимости от способности передаваться при конъюгации от одной бактерии к другой плазмиды разделяют на конъюгативные и неконъюгативные. Конъюгативные плазмиды способны к самопереносу, то есть не только могут переходить от клетки-донора к клетке-реципиенту, но и отвечают за образование конъюгативных пилей (F-плазмиды). Неконъюгативные плазмиды передаются дочерним бактериям при бинарном делении материнской клетки, при трансформации и трансдукции. Неконъюгативные плазмиды неспособны самостоятельно индуцировать конъюгацию, но могут быть перенесены при конъюгации из одной бактерии в другую в случае интеграции с конъюгативными плазмидами.

Плазмиды осуществляют 2 функции – регуляторную и кодирующую. Первая заключается в компенсации нарушений структуры ДНК нуклеоида посредством встраивания в повреждённый участок и восстановления его функций. Кодирующая функция плазмид состоит во внесении в бактериальную клетку новой генетической информации, что проявляется появлением у бактерий нового признака (например, устойчивости к антибиотикам).

Классификация плазмид основана на том, что родственные плазмиды неспособны стабильно сосуществовать в одной клетке, одна из них подвергается элиминации. Несовместимые плазмиды объединяют в одну inc-группу (от англ. incompatibility – несовместимость). Inc-группа соответствует биологическому виду. Например, плазмиды энтеробактерий разделены на 39 inc-групп (incB, incC, incD и т.д.). Плазмиды, относящиеся к одной и той же inc-группе, имеют сходную молекулярную массу, высокую степень гомологии ДНК, наделяют клетку подобными морфологическими и серологическими свойствами.

По функциональной направленности выделяют: конъюгативные (F-), резистентности (R-), бактериоциногенные (Col-), патогенности (Ent-, Hly-), биодеградативные и криптические плазмиды.

F-плазмиды (от англ. fertility – плодовитость) содержат гены, контролирующие образование конъюгативных пилей (F-пилей), необходимых при конъюгации бактерий-доноров (F⁺) с бактериями-реципиентами (F^-). Перенос генетического материала у F-плазмиды детерминирует tra-оперон (от англ. transfer – перенос). F-плазмиды могут находиться как в автономном, так и в интегрированном состоянии. Автономные F-плазмиды реплицируются независимо от нуклеоида и способны передаваться клеткам-реципиентам при конъюгации. Интегративное состояние F-плазмиды обратимо.

R-плазмиды (от англ. resistance – устойчивость) содержат гены, обеспечивающие бактериям устойчивость к лекарственным препаратам. R-плазмиды относятся к конъюгативным плазмидам, поскольку, наряду с генами резистентности, содержат все гены, ответственные за перенос факторов устойчивости из клетки в клетку. За устойчивость к какому-либо антибиотику отвечает r-ген, в состав которого могут входить вставки-последовательности и транспозоны. Многие r-гены являются транспозонами. Tra-оперон R-плазмид обеспечивает их конъюгативность.

Бактериоциногенные плазмиды содержат гены, кодирующие белки бактериоцины, которые вызывают гибель бактерий того же вида или близких видов. Первые бактериоцины – колицины были обнаружены у Escherichia coli (отсюда Col-плазмиды). Подобные бактериоцины выявлены у бактерии чумы (пестицины), стафилококков (стафилоцины), холерных вибрионов (вибриоцины). Бактериоцины способствуют выживанию бактерий, их продуцирующих, подавляя жизнедеятельность конкурентных микроорганизмов. Бактериоциногенные плазмиды относительно крупные (молекулярная масса 25-150_*10⁶ Д), присутствуют в бактериальной клетке в количестве 1-2 копий, преимущественно в автономном состоянии; конъюгативны (имеют tra-оперон). Широко распространены среди грамотрицательных бактерий.

Плазмиды патогенности контролируют токсинообразование и вирулентные свойства бактерий. К ним относятся Ent-плазмиды (обусловливают синтез энтеротоксинов), Hly-плазмиды (кодирует синтез гемолизинов), CFA-плазмиды (контролируют адгезию, колонизацию и некоторые антигены), а также F-, R- и Col-плазмиды, содержащие tox-гены, отвечающие за токсинообразование.

Биодеградативные плазмиды содержат гены, кодирующие сахаролитические, протеолитические и другие ферменты, позволяющие разрушать органические и неорганические соединения, в том числе содержащие тяжёлые металлы. Наличие плазмид биодеградации у патогенных или условно-патогенных для человека бактерий придаёт им преимущество перед представителями аутохтонной микрофлоры. Например, кишечная палочка, содержащая плазмиду биодеградации с геном уреазы, способна ферментировать мочевину и выживать в мочеполовом тракте.

Криптические (скрытые) плазмиды не содержат генов, которые можно было бы выявить по их фенотипическому проявлению.

Плазмиды – это наипростейшие организмы, лишённые оболочки, собственных систем синтеза белка и мобилизации энергии и представляющие собой класс абсолютных внутриклеточных паразитов, наделяющих своих бактерий-хозяев полезными для них свойствами. Плазмиды, как и вирусы, неспособны к росту и бинарному делению, они размножаются путём воспроизведения себя из собственного генома. Специфические признаки плазмид, отличающие их от вирусов, представлены в табл. 2.

Таблица 2

Сравнительная характеристика плазмид и вирусов

Траспозоны или Тn-элементы (от англ. transposition – транспозиция, изменение своего местоположения) представляют собой линейные фрагменты ДНК, состоящие из 2000-25000 пар нуклеотидов (рис. 2).

В состав транспозона входят: (1) транспозируемые структурные и/или функциональные гены; (2) 2 вставки-последовательности (Is-элементы); (3) прямые повторяющиеся последовательности (ограничивающие транспозоны). Транспо

Вставки-последовательности или Is-элементы (от англ. insertion – вставка и sequence – последовательность) представляют собой линейные фрагменты ДНК, содержащие 800-1500 пар нуклеоидов. Структурная организация Is-элементов представлена на рис. 3.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: