3. Мутации микроорганизмов, мутагены

Информация, которую несет ДНК, не является чем-то абсолютно стабильным в силу различных экзо- и эндогенных причин.

Мутация– изменение первичной структуры ДНК, проявляющееся наследственно закрепленной утратой или изменением какого-либо признака или группы признаков.

Фенотипическим проявлением мутаций могут быть: изменение морфологии бактериальной клетки, возникновение потребностей в факторах роста (например, в аминокислотах, витаминах), т.е. ауксотрофностью; появление устойчивости к антибиотикам; изменение чувствительности к температуре; снижение вирулентности (аттенуация).

Мутации могут быть спонтанными, т.е. возникающими самопроизвольно, без воздействия извне, ииндуцированными. Спонтанные мутации проявляются в результате ошибок репликации ДНК и вследствие перемещения подвижных генетических элементов в процессе роста и размножения бактерий. Индуцированные мутации возникают под влиянием внешних факторов, которые называются мутагенами.

В зависимости от места возникновения мутации могут быть генными ихромосомными. Генные мутации возникают в пределах одного гена, хромосомные – в нескольких генах и представляют собой крупные перестройки, затрагивающие крупные фрагменты ДНК.

По протяженности повреждений мутации бывают точечными, когда повреждения ограничиваются одной парой нуклеотидов, ипротяженными (аберрации). В этом случае может наблюдаться выпадение нескольких пар нуклеотидов (делеция), добавление нуклеотидных пар (дупликация) или поворот участка ДНК на 180° (инверсия).

Мутации со сдвигом считывания (фраймшифт-мутации) затрагивают один ген; обусловлены удалением или вставкой какого-либо нуклеотида в ДНК, что приводит к «сдвигу» считывания, т.е. изменению всех последующих кодонов.

Нонсенс-мутации (бессмысленные мутации) обусловлены включением в кодирующую последовательность терминального кодона, что вызывает преждевременное окончание транскрипции. Эта мутация приводит либо к синтезу очень коротких нефункциональных белков, либо к полному прекращению синтеза белка.

Мутации деформации спирали ДНК образуются в результате димеризации расположенных близко нуклеотидов, особенно тимина, индуцированной УФ-излучением. Образовавшееся циклобутановое кольцо нарушает симметрию ДНК и препятствует правильной репликации.

Мутагеныбывают физическими (УФ-лучи, γ-радиация), химическими (аналоги пуриновых и пиримидиновых оснований, например, 2-аминопурин, азотистая кислота и ее аналоги и др.) и биологическими (транспозоны).

4. Виды изменчивости. Генетические рекомбинации (трансформация, коньюгация, трансдукция.

Свойства микроорганизмов, как и любых других организмов, определяются их генотипом, т.е. совокупностью генов данной особи.Фенотиппредставляет собой результат взаимодействия между генотипом и окружающей средой, т.е. проявление генотипа в конкретных условиях обитания. В основе изменчивости лежит либо изменение реакции генотипа на факторы окружающей среды, либо изменение самого генотипа в результате мутации генов или их рекомбинации. В связи с этим фенотипическую изменчивость подразделяют на наследственную и ненаследственную. Диссоциации могут сопровождаться изменениями биохимических, морфологических, антигенных и патогенных свойств возбудителей.

Ненаследственная (средовая, модификационная)изменчивостьобусловлена влиянием внутри- и внеклеточных факторов на проявление генотипа. При устранении фактора, вызвавшего модификацию, данные изменения исчезают. Стандартное проявление модификации – разделение однородной популяции на два или несколько типов. Этот феномен получил название диссоциации микробов. Обычно диссоциации возникают в условиях, неблагоприятных для исходной популяции (высокая концентрация ионов, неоптимальная температура, избыточно щелочная среда). Простыми проявлениями диссоциаций являются изменения вида и структуры бактериальных колоний на твердых питательных средах и особенности роста в жидких средах. Например, при неблагоприятных условиях (воздействие УФО) кишечная палочка способна наряду с типичнымиS-колониями образовывать не типичные для нееR-колонии (диссоциация), что является проявлением модификационной (генетически не закрепленной) изменчивости.

Наследственная (генотипическая) изменчивость, связанная с мутациями, – мутационная изменчивость. Основу мутации составляют изменения последовательности нуклеотидов в ДНК, происходит структурная перестройка генов, проявляющаяся фенотипически в виде измененного признака. Наследственная изменчивость, связанная с рекомбинациями, называется рекомбинационной изменчивостью.

Длительное время считалось, что бактерии – изолированные генетические системы, и каждая особь имеет одного (и только одного) родителя, то есть их изменчивость вызвана лишь мутациями. Однако, был обнаружен факт прямой передачи генетической информации.

Генетическая рекомбинация– это взаимодействие между двумя геномами, т.е. между двумя ДНК, обладающими различными генотипами, которое приводит к образованию рекомбинантной ДНК, формированию дочернего генома, сочетающего гены обоих родителей. У бактерий возможны следующиегенетические рекомбинации:

• конъюгация

• трансдукция

• трансформация

Конъюгация(от лат.conjugatio– соединение) описана Дж.Ледебергом и Э.Татумом (1946) состоит в переходе генетического материала (ДНК) из клетки-донора («мужской» илиF⁺) в клетку-реципиент («женская» илиF^–) при контакте клеток между собой.

Фактор фертильности (F) – внехромосомная молекула ДНК (плазмида) содержит гены, кодирующие образование специальной половой ворсинки «секс-пили» илиF-пили, с помощью которой между двумя клетками формируется конъюгационный мостик. При скрещивании фактор фертильности передается независимо от хромосомы донора с частотой, близкой к 100%. При попадании в клетку-реципиент фактора фертильности она становитсяF⁺и приобретает способность передавать его другимF^–клеткам. Подобный механизм обусловливает приобретение множественной устойчивости к антибактериальным агентам.

Трансформация(от лат.transformatio– превращение) заключается в том, что ДНК, выделенная из бактерий в свободной растворимой форме, передается бактерии-реципиенту. При трансформации рекомбинация происходит, если ДНК бактерий родственны друг другу. Феномен открыл Гриффит у стрептококка пневмонии в 1928 г., позднее Эвери, Мак-Леод и Мак-Карти в 1944 г. выделили трансформирующее начало пневмококков в виде молекулы ДНК. Погибшие бактерии постоянно высвобождают ДНК, которая может быть воспринята другими бактериями. Как правило, любая чужеродная ДНК, попадающая в бактериальную клетку, расщепляется рестрикционными эндонуклеазами, но при некоторых условиях такая ДНК может быть интегрирована в геном бактерии.

Регуляция трансформации зависит от: 1) компетентности реципиентной бактерии поглощать ДНК – зависит от присутствия в мембране специальных белков, имеющих сродство (аффинность) к ДНК; и 2) качественных свойств трансформирующей ДНК – гомологичность, наличие двойной спирали ДНК и значительная молекулярная масса (более 10⁷Д).

Трансформация протекает в три стадии: 1) адсорбция, 2) ферментативное расщепление связавшейся ДНК с образованием фрагментов с М.м. 4-5х10⁶Д, 3) проникновение фрагментов ДНК, сопровождающееся разрушением одной из цепей дуплекса ДНК (энергозависимый этап) и рекомбинация ДНК с генетическим материалом реципиентной клетки.

Подобным путем могут передаваться гены, кодирующие факторы вирулентности, однако в обмене генетической информацией трансформация играет незначительную роль.

Трансдукция(от лат.transductio– перенос, перемещение) – передача ДНК от бактерии-донора к бактерии-реципиенту при участии бактериофага, обычно при этом фаг переносит лишь небольшой фрагмент ДНК хозяина. Явление открыли Ледеберг и Циндер (1952). Выделяют три типа трансдукции: неспецифическую (общую), специфическую и абортивную.

Неспецифическая (общая) трансдукция.В клетке, инфицированной бактериофагом, в ходе сборки дочерней популяции в головки некоторых фагов вместе с вирусной ДНК может проникнуть фрагмент бактериальной ДНК или плазмиды. При этом фаговая частица может утратить часть своего генома и стать дефектной. Количество аномальных фагов может достигать 0,3% всей дочерней популяции. Неспецифическая трансдукция обусловлена включением ДНК донора в головку фага дополнительно к геному фага или вместо генома фага (дефектные фаги). При такой форме трансдукции в клетки-реципиенты могут быть внесены практически любые гены.

Специфическая трансдукцияимеет место при репликации профага в лизогенной бактерии. При этом происходит замещение некоторых генов фага генами хромосомы клетки-донора, находящимися рядом с местом интеграции профага. Фаговая ДНК, несущая фрагменты хромосомы клетки-донора, включается в строго определенные участки хромосомы клетки-реципиента. Таким образом, привносятся новые гены и ДНК фага в виде профага репродуцируется вместе с хромосомой, т.е. этот процесс сопровождается лизогенией.

Специфически трансдуцирующие фаги, как и неспецифически трансдуцирующие, не способны к самостоятельной репликации.

Абортивная трансдукция. Если фрагмент ДНК, переносимый фагом, не вступает в рекомбинацию с хромосомой реципиента и не реплицируется, но с него считывется информация о синтезе соответствующего продукта, такая трансдукция называется абортивной. Впоследствии привнесенный ген передается одной из дочерних клеток и затем теряется в потомстве.