бх

Государственное учреждение «Днепропетровская медицинская академия» Министерства здравоохранения Украины

кафедра «Микробиологии, вирусологии, иммунологии и эпидемиологии»

Самостоятельная внеаудиторная работа

на тему «Мобильные генетические элементы прокариот»

студентки II курса, I медицинского факультета, группы 4-Б

Чайки Марии Вадимовны

Днепропетровск

2014 г.

Мигрирующие генетические элементы (мобильные гены, прыгающие гены), дискретные фрагменты (сегменты) ДНК, способные встраиваться в разные участки генома; их расположение на хромосомах может меняться как в процессе исторического развития мира организмов, так и в пределах жизни одного индивидуума.

Мобильные гены открыты в 40-х гг. 20 в. Б. Мак-Клинток на основании генетического анализа нестабильных мутаций у кукурузы. Исследование их молекулярной природы начато в 60-х гг. в связи с обнаружением нового типа мутационных изменений у бактерий (так называемых вставочных мутаций) и идентификацией носителей этих мутаций. Структурно-функциональные исследования мгэ эукариот на молекулярном уровне ведутся с кон. 70-х гг. с

использованием методов клонирования (получение наследственно однородных поколений особи или клетки путем бесполого размножения) и генетической инженерии.

Существует несколько классов мобильных элементов генома, отличающихся по строению и способу перемещения:

• Tn-транспозоны;

• Is-инсерционные элементы;

• ДНК-транспозоны;

• Ретротранспозоны;

• Плазмиды;

• Бактериофаги;

• Интроны второй группы.

У прокариот выделено несколько основных групп мгэ: плазмиды, инсерционные элементы и транспозоны,  эписомы, а также некоторые бактериофаги.

Плазмиды - небольшие молекулы ДНК, физически отдельные от геномных хромосом и способные реплицироваться автономно.

Хромосомная ДНК (1) и плазмиды (2) в бактериальной клетке

Типы плазмид. Большинство плазмид классифицируют на основании тех свойств бактериальной клетки, которые привели к обнаружению этих плазмид:

1) F-факторы (fertility — плодовитость);

2) R-факторы (resistance — резистентность, устойчивость);

3) Соl-факторы (соlicinogeny — колициногенность);

4) пенициллиназные плазмиды золотистого стафилококка; 5) плазмиды деградации псевдомонад и др.

Плазмиды можно убрать (элиминировать) из бактерии нагреванием, акридиновыми красителями, ультрафиолетовыми лучами, подавляющими репликацию (воспроизведение) плазмиды. Удаление плазмиды не нарушает жизненно важные функции клетки.

F-факторы — плазмиды, которые определяют появление новых поверхностных структур клетки, — F-ворсинок, или пилей, позволяющих клеткам вступать в контакт (конъюгировать) и обеспечивать процесс переноса плазмидной ДНК из одной клетки в другую. Все плазмиды, которые сообщают своим хозяевам способность к переносу ДНК хромосомы, называют половыми.

R-фактор — плазмиды, которые обусловливают множественную резистентность микроорганизмов к лекарственным веществам. Впервые был обнаружен в Японии в 1955 г. во время вспышки дизентерии, при выделении штамма шигелл, устойчивых к четырем лекарственным препаратам: стрептомицину, тетрациклину, хлорамфениколу и сульфаниламиду.

R-фактор обычно находится в автономном состоянии в цитоплазме, но может встраиваться в хромосому и тогда выполняет функции полового фактора, обеспечивающего перенос хромосомы хозяина в другую клетку. Появление штаммов, устойчивых к антибиотикам и сульфаниламидным препаратам, затрудняет лечение инфекционных больных.

Соl-фактор, или фактор колициногенности, определяет способность бактерий образовывать особые вещества, которые вызывают гибель близкородственных штаммов. 

Впервые эти вещества были обнаружены в культуре кишечной палочки, поэтому их назвали колицинами. Продукция веществ, подобных колицинам, в дальнейшем бы¬ла установлена и у других бактерий: холерного вибриона (вибриоцины), бактерий чумы (пестицины) и т. д. Эти вещества стали называть бактериоцинами. Они имеют белковую природу, обладают способностью адсорбироваться на поверхности бактериальной клетки, подавляют в ней обменные процессы и вызывают гибель клетки. Бактериоцины действуют только на бактерии, близкородственные продуценту. Продукция бактериоцинов чаще всего смертельна для клеток, продуцирующих их. Способность клетки к продукции бактериоцинов определяет автономная плазмида, называемая Соl-фактором. В естественных условиях только единичные клетки в популяции (1 на 1000) спонтанно продуцируют бактериоцины. При ультрафиолетовом облучении число продуцентов увеличивается/Способность бактериальных клеток продуцировать бактериоцины и специфичность их действия могут быть использованы для эпидемиологических целей при типировании культур, выделенных в очагах, с целью выявления источника инфекции. Предложена схема колицинотипирования возбудителей дизентерии.

Пенициллиназные плазмиды золотистого стафилококка обусловливают образование активного фермента пенициллиназы, который разрушает пенициллин. Поэтому антибиотик, эффективный в начале его применения при лечении стафилококковых инфекций, перестал оказывать действие на штаммы стафилококка, ставшие к нему устойчивыми.

Плазмида	Хозяин	Размер плазмиды (тыс. пар оснований)	Геометрия плазмиды	Число копий плазмиды на клетку
pUB110	Bacillus subtilis	2,3	Кольцевая	20—50
ColEl	Escherichia coli	6,6	Кольцевая	10—30
lp25	Borrelia burgdorferi	24,2	Линейная	1—2
pNOB8	Sulfolobus sp.a (архея)	41,2	Кольцевая	2—40
F	Escherichia coli	99,2	Кольцевая	1—2
SCP1	Streptomyces coelicolor	350,0	Линейная	4
pSymA	Sinorhizobium meliloti	1354,2	Кольцевая	2—3

Плазмида	Хозяин	Размер плазмиды (тыс. пар оснований)	Известная функция
pT181	Staphylococcus aureus	4,4	Устойчивость к тетрациклину
ColEl	Escherichia coli	6,6	Образование колицина и устойчивость к нему
pMBl	Escherichia coli	8,5	Система рестрикции-модификации
pGKL2	Kluyveromyces lactisb	13,5	Плазмида-киллер
pAMpi	Enterococcus faecalis	26,0	Устойчивость к эритромицину
pSK41	Staphylococcus aureus	46,4	Множественная устойчивость
pBM4000	Bacillus megaterium	53,0	Оперон рРНК
pI258	Staphylococcus aureus	28,0	Устойчивость к ионам тяжёлых металлов
pSLT	Salmonella enterica ssp. typhimurium	93,9	Детерминанта вирулентности
pMT1	Yersinia pestis	101,0	Детерминанта вирулентности
pADP-1	Pseudomonas sp.	108,8	Катаболизм атразина (гербицид)
pWW0	Pseudomonas putida	117,0	Деградация ароматических углеводородов
pX01	Bacillus anthracis	181,7	Синтез энтеротоксинов
pSOL1	Clostridium acetobutylicum	192,0	Образование сольвента
pSymB	Sinorhizobium meliloti	1683,3	Множественные функции

IS-элементы - простые вставочные (инсерционные) последовательности, они обозначаются в зависимости от их нуклеотидного состава номерами IS1, IS2 и т.д., содержат от 700 до 1500 пар нуклеотидов. Эти сегменты ДНК имеют инвертированные повторы на концах, содержащие обычно несколько десятков нуклеотидных пар, и не содержат никаких генов, кроме тех, которые необходимы для их перемещения (транспозиции) по геному. Они встречаются в некоторых плазмидах  (внехромосомные носители наследственности) и умеренных фагах (способны существовать в клетке в форме профага). Так, у разных штаммов бактерии Escherichia coli (E. coli) присутствует в геноме 19 копий IS1-элементов. Большинство др. IS-элементов также представлено в хромосомах разных штаммов E. coli многочисленными копиями: IS2-от 0 до 12,IS3-от 4 до 6, IS4-от 1 до 2, IS5-от 0 до 10.

Обычно IS-элементы встраиваются (интегрируют) в различные места бактериального генома, однако некоторые участки оказываются более предпочтительными, чем другие. Встраивание и исключение этих элементов происходит с высокой точностью, что свидетельствует об участии в этих процессах ферментов, узнающих инвертированные концевые повторы IS-элементов.

Ферментные системы, обусловливающие транспозиции IS-элементов, по крайней мере, частично кодируются их собств. ДНК. Так, IS1, судя пo длине его нуклеотидной последовательности, может кодировать лишь небольшие полипептиды. которые участвуют в его транспозиции, вероятно, в комплексе с клеточными белками. Значение IS-элементов для эволюции бактерий связано с тем, что эти элементы при своих перемещениях инактивируют различные гены или нарушают их нормальную регуляцию. Помимо прямого влияния на экспрессию гена (развития признака, контролируемого данным геном) вследствие транспозиции инсерционной последовательности непосредственно в кодирующую часть гена или его регуляторную зону, эти мгэ могут влиять также на транскрипцию окружающих их последовательностей ДНК генома. Это происходит вследствие того, что многие IS-элементы содержат промоторные и терминаторные участки ДНК. Транспозиции IS-элементов могут вызывать слияние двух не связанных ранее генов или оперонов (совокупность связанных между собой генов и прилегающих к ним регуляторных участков) с образованием новых функционых единиц, а также индуцировать все виды хромосомных перестроек. Соединение разнородных репликонов (элементарная генетическая структура, способная к самокопированию) имеет большое биологическое значение, т. к. объединяет ранее разобщенные генетические детерминанты, подчас принадлежащие разным видам организмов. Tn-элементы (сложные перемещающиеся элементы, или транспозоны) принципиально отличаются от IS-элементов только тем, что содержат дополнит. структурные гены, не имеющие отношения к ф-ции транспозиции. Известно много транспозонов, в состав которых входят гены устойчивости к антибиотикам, тяжелым металлам и другим ядам. При этом один и тот же транспозон иногда несет целый набор Детерминант резистентности (т. наз. V-детерминанты). Такие транспозоны наиболее широко распространены, т.к. представляют ценность для селекции бактерий. Существуют транспозоны, содержащие гены, которые кодируют токсины, а также свойственные данному организму ферменты. Как правило, Tn-элементы несут на концах целые или частично измененные IS-элементы, которые сообщают им способность перемещаться по геному и вызывать в нем те же изменения, что и своб. IS-элементы. При этом 2 концевые IS-подобные терминальные последовательности в зависимости от типа транспозона могут иметь прямую или инвертир. последовательность нуклеотидов. Разные транспозоны часто содержат одинаковые терминальные последовательности нуклеотидов.

Структура генома типичного автономного ДНК транспозона

ITR – инвертированные повторы;

Transposase – ДНК эндонуклеаза - ДНК лигаза;

DR – дупликация сайта встраивания.

Транспозоны вместе с плазмидами и фагами (в которые они легко интегрируются) способны осуществлять обмен различных заключенных в них генов между весьма отдаленными видами бактерий, поэтому они играют чрезвычайно важную роль в эволюции бактерий, включая адаптацию их к лек. веществам и продуцирования ими новых токсинов.

Транспозиция Tn-элементов осуществляется по такому же механизму, как и IS-элементов, и также включает стадию трансляции. Большинство транспозонов не выбирает для своего включения строго определенные последовательности в ДНК. Однако обычно они предпочитают некоторые районы хромосом и даже специфические участки, причем разные Тn-элементы различаются по специфичности выбора мест интеграции.

Частота и характер перемещений IS- и Тn-элементов варьируют в весьма широких пределах и зависят прежде всего от свойств самих элементов. Например, Тn-З плазмиды перемещаются чаще в др. плазмиды, чем в хромосому. На транспозиции влияют не только генетич., но и различные внешние факторы, например УФ облучение. По-видимому, яды, инактивация которых обусловлена генами транспозонов, могут индуцировать синтез ферментов, необходимых для транспозиции этих транспозонов.

• Транспозаза дважды надрезает только одну нить ДНК в спирали.

• В месте нового встраивания она так же создаёт один надрез.

• Транспозаза переносит концы нити ДНК транспозона в место надреза и лигирует с ДНК хозяина.

• Репликация создаёт копию транспозона по двум нитям на новом и старом месте.

Другую группу мгэ бактерий составляют эписомы - сложные плазмиды, способные к интеграции в хромосому. Эписомы, как правило, содержат IS- или Tn-элементы, и в большинстве случаев именно благодаря им они могут включаться в состав хромосомы. Так, в половой F-эписоме E. coli (мол. м. 6^.10⁷) имеется одна копия IS2, две копии IS3 и одна копия Тn1000.

К мгэ прокариот относят также умеренные фаги. l-Фаги (лямбдоидные фаги) обычно встраиваются в одно место хромосомы, но при определенных условиях могут располагаться и в др. участках генома. m-Фаги способны включаться в любые места бактериальной хромосомы, а также в ДНК мн. др. фагов и плазмид. Интеграция лямбдоидных фагов обеспечивается ферментной системой, состоящей из клеточных белков и белков, кодируемых геномом фага. m-Фаг во мн. отношениях сходен с IS- и Tn-элементами и отличается от них только тем, что может формировать вирусные частицы. Предполагают, что IS- и Тn-элементы произошли из фага типа C в результате утери большинства его генов.

Умеренные фаги способны вносить существ. изменения в структуру и функционирование бактериального генома благодаря двум процессам - интеграции фаговой ДНК в хромосому бактерии и трансдукции (переносу фагом бактериальных генов из одних клеток в другие). Трансдуцирующие фаги образуются в результате неточного исключения из хромосомы интегрированной фаговой ДНК. При этом часть собственной ДНК фага утрачивается, и вместо нее в фаговый геном включается участок бактериальной ДНК, достигающий иногда значительных размеров. Интегрированные фаги могут мутировать и терять способность к исключению из хромосомы, становясь вследствие этого ее неотъемлемой частью. В этом случае гены фага начинают определять функции клетки, т.е. становятся ее собственными генами.

Стратегии жизненных циклов мобильных элементов основаны на использовании толерантности клетки к ДНК уже имеющей связь с клеточной ДНК.

• Частично интегрированную ДНК клетка считает своей и «корректирует» разрывы системой репарации. Но в случае, если репликация ДНК и обратная транскрипция происходят в цитоплазме, они являются объектом атаки защитных комплексов клетки на цитоплазматическую ДНК и ДНК-РНК гибриды. Это обуславливает необходимость наличия изолирующего «вирусного» протеинового капсида, проницаемого для простых соединений и не проницаемого для крупных молекул.

• Мобильные элементы создают большое количество собственных копий. Транспозиции IS-элементов не сопряжены с их исключением из мест исходной локализации в плазмидах или хромосоме; при транспозиции IS-элемент удваивается и одна его копия остается на прежнем месте, а другая попадает в новый локус (местоположение гена в хромосоме или плазмиде). Таким образом, транспозиции этого элемента сопряжены с репликацией (удвоением) его ДНК. Создание множества своих копий, с другой стороны, делает возможным для клетки распознавание и нейтрализацию активности мобильных элементов.

• TPRT (обратная транскрипция) является более защищенной и простой реакцией, однако подвержена «смене матрицы» и для полноценного воспроизведения копий требует наличия элементов внутреннего промотора элемента. Интроны могут так же быть удобны для воспроизводства элементов, не имеющих рабочего внутреннего промотора.

• Среди мобильных элементов не является редкостью чувствительность к последовательности сайта встраивания. Однако, как правило, эти последовательности достаточно просты и встречаются в геноме многократно.

• Как автономные, так и не автономные мобильные элементы мимикрируют, подстраиваясь под существующие в клетке структуры.

Неавтономный SINE-элемент

• Многокопийные функциональные некодирующие короткие РНК (такие как тРНК) часто становятся основой не автономных элементов, ввиду толерантности клетки к числу копий этих РНК, наличию у них элементов внутреннего промотора и способности взаимодействовать с протеиновыми клеточными структурам.

• Важным отличием мгэ эукариот от таковых у бактерий является их способность при включении в тот или иной локус изменять свойства ферментов (продуктов генов-мишеней), а не только прерывать их синтез.

Процесс	Какие элементы используют
Транскрипция	Все автономные и все ретро-элементы.
Трансляция	Все автономные элементы.
Вырезание ДНК	Все транспозоны.
Встраивание ДНК	Все транспозоны, LTR элементы, DIRS.
Обратная транскрипция	Все ретроэлементы.
Репликация кольцевой ДНК	Некоторые ретровирусы, DIRS, Полинтоны.

Хотя мобильные элементы в целом являются «генетическими паразитами», вызывая мутации в генетическом материале организма хозяина и понижая его приспособленность за счёт траты энергии на репликацию и синтез белков паразита, они являются важным механизмом изменчивости и обмена генетическим материалом между организмами одного вида и разными видами.