Генетика микроорганизмов

Сохранение специфических структурных и функциональных свойств организмов, т. е. постоянство признаков на протяжении многих поколений, называют наследственностью. Впервые матери­алы для познания механизма наследственности были получены в XVII в. в связи с открытием спермы и яйца. Роль гамет в жизнен­ном цикле высших организмов была постепенно изучена, и стало ясно, что свойства родителей передаются потомству посредством физического «вещества», переносимого в спермиях и яйцах. Даль­нейшие наблюдения выявили, что данные генетические факторы содержатся в ядрах гамет как у растений, так и у животных.

Наследственные факторы микроорганизмов

Установлено, что в эукариотных клетках — ядра, а в прокариотных — нуклеоиды служат местом нахождения генетического материала, который представлен ДНК с молекулярной массой 2,9 -109 а.е.м. (а.е.м. — атомная единица массы, равная 1,66057 * 10 ^-27 кг.) и длиной молекулы 1100—1600 мкм. Молекулы ДНК бактерий име­ют вид длинных двойных цепей полимеров — полинуклеотидов, со­стоящих из мономеров — нуклеотидов.

Каждый мононуклеотид включает одно из четырех азотистых оснований — аденин, гуанин, цитозин или тимин, одну молекулу пентозы и одну молекулу фосфорной кислоты. Обычно молекула ДНК состоит из двух комплементарных нитей, которые образуют двойную спираль. При этом аденин одной нити находится в паре с тимином другой, а гуанин аналогично связан с цитозином. После­довательность азотистых оснований в молекуле ДНК несет инфор­мацию, необходимую для синтеза белков. В бактериальной клетке ДНК имеет форму нити, замкнутой в виде кольца. Эта нить называ ется бактериальной хромосомой. Данная хромосома, как и хромосо­мы всех живых организмов, имеет отдельные участки — гены (фраг­менты молекулы ДНК), дискретно расположенные и несущие гене­тическую информацию относительно всех признаков, присущих клетке. Ген — главный фактор, отвечающий за наследственные свой­ства микроорганизмов. Каждый наследственный признак контролируется соответствующими генами.

Генетические исследования показали также, что конкретные признаки микроорганизмов обусловливают ферменты. Это послу­жило в свое время основанием для теории «один ген — один фер­мент», которая утверждает, что каждый ген определяет образование специфичного фермента. В дальнейшем оказалось, что гены коди­руют не только ферменты, но и многие другие белки. Например, ге­ны, которые несут информацию о синтезируемых микроорганизма­ми структурных белках, называют структурными генами. Транс­крипция генов регулируется определенными регуляторными генами.

Генетический материал микроорганизмов может содержаться не только в хромосоме, но и во внехромосомных структурах — плазмидах, расположенных автономно в цитоплазме или в интегриро­ванном с хромосомой состоянии.

Информация, заключенная в гене, считывается и использует­ся при синтезе специфичного ферментного белка. Наличие этого белка создает химическую основу для проявления определенного признака у микроорганизма. В итоге все наследственные признаки микроорганизмов представляют собой конечные продукты биохи­мических процессов, что в равной мере применимо и к физиологи­ческим особенностям, и к морфологическим признакам.

Один ген может контролировать наследование одного призна­ка или определять несколько или многие признаки, затрагивающие различные части клетки микроорганизма. Несколько генов могут также совместно контролировать проявление какого-либо одного признака.

В бактериальной хромосоме все гены расположены в линей­ной последовательности. Гены определенных признаков лежат в соответствующих местах хромосомы, называемых локусами. Бактерии обычно гаплоидны, т. е. имеют только один набор генов.

Полный набор генов, которым обладает клетка микроорга­низма, составляет генотип данного микроорганизма. Проявление наследуемых морфологических признаков и физиологических про­цессов у индивидуумов называется фенотипом (от греч. phaino — яв­ляю). Сходные по генотипу микроорганизмы могут существенно различаться по фенотипу, т. е. способу проявления наследственных признаков. Фенотипические различия между микроорганизмами, одинаковыми по генотипу, называют модификациями (фенотипическими адаптациями). Таким образом, взаимодействие генетических задатков с внешней средой может быть причиной возникновения различных фенотипов, даже если генотипы идентичны. Однако по­тенциальный размах таких фенотипических различий контролирует­ся генотипом.

Модификации, как правило, существуют до тех пор, пока действует вызвавший их специфический фактор внешней среды, они не передаются потомкам и не наследуются ими. Так, обработка фенолом бактерий со жгутиками препятствует развитию жгутиков у этих организмов. Однако у потомства обработанных фенолом без­жгутиковых бактерий, выращенного на среде без фенола, образуют­ся нормальные жгутики.

Установлено, что практически все морфологические и физио­логические признаки микроорганизмов прямо или косвенно контро­лируются генетической информацией, заключенной в ДНК.

Информация, которую несет ДНК, не представляет собой что-то абсолютно стабильное и неизменное. Если бы информация, передаваемая от одного поколения к другому, никогда не менялась, то диапазон реакций близкородственных организмов на факторы внешней среды был бы также постоянным и любое внезапное их из­менение, оказавшееся вредным для микроорганизмов с застывшим генотипом, могло бы привести к исчезновению вида. Информация, передающаяся от поколения к поколению, нестабильна, что оказы­вается полезным для выживания вида.

Как уже отмечалось, плазмиды — это внехромосомные кольцевидные молекулы ДНК различной молекулярной массы, обладающие свойствами репликона — способностью к независимой реплика­ции. Плазмиды — не обязательный генетический материал бакте­рий, необходимый для проявления ее жизнедеятельности. Они выявлены у 50% бактерий родов Enterobacter и Pseudomonas, у 10% бактерий рода Bacillus. В то же время плазмиды могут определять весьма сложные свойства бактерий, например способность к пере­даче генетического материала от донорских, F⁺-клеток к реципиентным F^--клеткам при конъюгации (F-плазмида); устойчивость к ан­тибиотикам, сульфаниламидным препаратам (R-плазмиды); способ­ность к синтезу токсинов (Ent-плазмида); способность использовать нафталин, камфору, октан и другие сложные соединения; образова­ние фимбрий, которыми энтеробактерии прикрепляются к кишеч­ному эпителию, и др.

Все известные плазмиды подразделяют на конъюгативные и неконъюгативные. Конъюгативные плазмиды переносят собствен­ную ДНК от клетки-донора в клетку-реципиент при конъюгации. Неконъюгативные плазмиды такой способностью не обладают. Молекулярная масса конъюгативных плазмид составляет от 26 до 75 * 10⁶ и неконъюгативных — не более 10 *10⁶ а.е.м. Некоторые плазмиды, например F-плазмида, обладают способностью существовать в клетках бактерий в двух состояниях: в физически независимом от хро­мосомы и в интегрированном с последней. Другие плазмиды также могут интегрировать в хромосому бактерий, но, как правило, только в определенных условиях.

При делении бактериальной клетки плазмиды, как правило, равномерно распределяются между дочерними клетками. Наследо­вание плазмид в процессе жизненного цикла популяции бактерий обусловливается полуконсервативной репликацией плазмидной ДНК. Репликация плазмидной ДНК тесно связана с системами реплика­ции и деления клеток бактерий, поэтому плазмиду рассматривают как автономный репликон в структурном, но не в функциональном отношении.

Обычно родственные плазмиды не могут сосуществовать в од­ной бактериальной клетке. Это явление, получившее название несов­местимости, стало одним из главных признаков при классификации плазмид. Как правило, в бактериальной клетке остается только одна плазмида из группы несовместимости. Неродственные плазмиды совместимы в клетке, так как системы, которые регулируют процесс их репликации, не зависят друг от друга. Например, в клетках ряда видов из родов Pseudomonas и Staphylococcus выявлены плазмиды, от­носящиеся к десяти группам, а в клетках представителей семейств Enterobacteriaceae — к 40 группам.

Каждая группа несовместимости имеет несколько десятков плазмид, каждая из которых несет один или несколько генов. Сле­довательно, чем больше плазмид разных групп несовместимости бу­дет находиться в клетке, тем больше дополнительной генетической информации будет иметь микроорганизм. Имеющаяся в плазмидах генетическая информация, не являясь в обычных условиях сущест­вования жизненно важной, может оказаться весьма необходимой в экстремальных условиях. Поэтому плазмиды считают факторами, увеличивающими жизнеспособность бактерий в организме хозяина и в окружающей среде.

В изменчивости микроорганизмов важную роль играют транс­позоны — подвижные генетические элементы, представляющие со­бой сегменты ДНК, способные к внутри- и межхромосомным пере­мещениям (транспозициям), а также к перемещениям от плазмиды к плазмиде и от плазмиды к хромосоме. Транспозоны обладают рядом особых свойств. Они могут переносить фрагменты ДНК, заключен­ные между двумя транспозонами, и генерировать в ДНК полярные мутации, делении и инверсии. Транспозоны способны также «вклю­чать» и «выключать» соседние с ними гены, поскольку в транспозонах есть промоторы и терминаторы транскрипции. Благодаря пере­численным свойствам транспозоны осуществляют регуляцию актив­ности генов и дифференцировки клеток.

По степени сложности строения выделяют три типа бактери­альных транспозонов: IS-элементы (insertion sequences), Tn-элементы (собственно транспозоны), μ (мю)-подобные фаги. IS-элементы содержат только гены, способствующие их транспозиции, поэтому не придают клеткам бактерий какой-либо легко распознаваемый фенотип. Однако, как и другие транспозоны, IS-элементы могут ин­тегрировать внутри генов, выполняющих определенные функции.

Tn-элементы придают бактериям устойчивость к различным антибиотикам и солям тяжелых металлов, содержат информацию о синтезе энтеротоксина, гемолизина, о сбраживании лактозы и в принципе могут нести любые другие гены. Мю-подобные фаги — наиболее сложный транспозон — имеют внеклеточную форму су­ществования. Известны и другие типы подвижных генетических элементов.

Биологическая роль транспозонов определяется прежде всего их способностью индуцировать мутации и геномные перестройки. Однако наиболее ярким показателем значения в клетке собственно транспозонов служит их способность переносить гены, определяю­щие устойчивость клеток к различного рода токсичным веществам. Правда, такой перенос осуществляется только внутри клетки, но именно благодаря ему данные гены включаются в плазмиды и вмес­те с ними распространяются в популяциях клеток разных видов, из­меняя способность последних к выживанию в неблагоприятных ус­ловиях.