12 Лекция. Генетика микроорганизмов 1.
Генетический материал бактерий представлен нуклеоидом, лишенным оболочки включающим в себя почти всю ДНК бактерии. У бактерии имеется одна замкнутая кольцевая хромосома, она суперспирализована, содержит примерно 4000 отдельных генов, необходимых для ее жизнедеятельности и размножения, т.е. бактериальная клетка гаплоидна, а удвоение хромосомы всегда сопровождается ее делением.
Бактериальная хромосома имеет молекулярную массу около 1010 Д (5×106 пар оснований; размер генома человека составляет 2,9×109 пар оснований). Длина хромосомы Escherichia coli составляет около 1 мм.
У некоторых бактерий обнаружены внехромосомные молекулы ДНК, представленные плазмидами, транспозонами и инсерционными (вставочными) последовательностями. Они не являются жизненно необходимыми, т.к. не кодируют информацию о синтезе метаболических белков.
Хромосома и плазмиды способны к автономному самокопированию – репликации, поэтому их называют репликонами.
Плазмиды – фрагменты ДНК с молекулярной массой порядка 106-108 Д, несущие 40-50 генов. Они выполняют регуляторные функции, направленные на компенсацию метаболических дефектов и кодирующие функции, содержащие информацию о новых признаках. Плазмиды могут находиться в бактериальной клетке в двух состояниях: в свободном состоянии в цитоплазме в виде отдельной замкнутой молекулы ДНК – эписомы и встроенном в хромосому бактерии – интегрированные плазмиды. Плазмиды способны автономно копироваться (реплицироваться), поэтому в клетке может быть несколько копий плазмид. Различают трансмиссивные (конъюгативные) плазмиды, которые могут передаваться из одной бактерии в другую, и нетрансмиссивные (неконъюгативные).
Плазмиды детерминируют:
продукцию экзотоксинов (tox+ - плазмиды дифтерийных, ботулинических палочек, кодирующих протоксины, которые активизируются клеточными протеазами)
Продукцию ферментов, участвующих в инактивации антибактериальных агентов (сульфаниламидов, стрептомицина, пенициллина, тетрациклина, к солям тяжелых металлов: ртути, никелю, кобальту или кадмию).
Плазмиды кодируют образование бактериоцинов – белковых токсинов, антагонистически подавляющих патогенную микрофлору. В настоящее время известно около 200 различных бактериоцинов – колицины, пестицины, стафилоцины, вибриоцины и др.
Обнаружены плазмиды, кодирующие ферменты деградации неприродных соединений (толуол, камфора, нафталин).
Образование F-факторов (факторов плодовитости), участвующих в процессе передачи генетической информации в другую клетку – конъюгации.
R-факторов (факторов резистентности – устойчивости к лекарственным средствам)
Мигрирующие генетические элементы – отдельные участки ДНК, способные определять свой собственный перенос (транспозицию) от одной хромосомы к другой либо между хромосомой и плазмидой. Транспозиция обусловлена способностью мигрирующих элементов синтезировать специфический фермент рекомбинации – транспозаза.
Инсерционные последовательности (IS-элементы)/англ. insertion sequences – вставочные последовательности/ – простейший тип мигрирующих элементов, их размер насчитывает 800-1400 пар оснований. Они кодируют синтез ферментов, необходимых для сайт-специфической рекомбинации, и ферментов, контролирующих частоту транспозиции. IS-элементы способны перемещаться как целое из одного участка локализации в другой и содержат только гены, необходимые для собственного перемещения. IS-элементы не реплицируются самостоятельно, и в свободном состоянии не обнаружены. Распознаваемых фенотипических признаков они не кодируют, а их мутагенное действие обусловлено включением чужеродной ДНК, что нарушает процесс транскрипции. Транспозиция включает сайт-специфическое узнавание концов IS-элементов транспозазами и выделение новой области встраивания новой копии IS-элемента; оригинальная копия остается на прежнем месте.
Функции IS-последовательностей:
Координация взаимодействий плазмид, умеренных фагов, транспозонов и генофора для обеспечения репродукции
Регуляция активности генов генома бактериальной клетки. Они могут инактивировать гены, в которые включились («выключение» гена) или, встраиваясь в хромосому, проявлять эффект промотора, включающего либо выключающего транскрипцию соответствующих генов.
Индукция мутаций типа делеций или инверсий при перемещении и дупликации как минимум в 5-9 парах нуклеотидов после встраивания в хромосому.
Транспозоны (Tn-элементы) включают от 2000 до 25000 пар нуклеотидов, содержат фрагмент ДНК, несущий специфические гены, и два IS-элемента, которые могут перемещаться в одном и том же или в противоположных направлениях. При включении в ДНК бактерий они вызывают в ней дуплкации, при перемещении – делеции и инверсии. Транспозоны не способны к самостоятельной репликации и размножаются только в составе бактериальной хромосомы. Каждый транспозон обычно содержит гены, привносящие важные для бактерии характеристики типа множественной устойчивости к антибактериальным агентам, токсинообразование, дополнительные ферменты метаболизма.
Транспозоны – самоинтегрирующиеся фрагменты ДНК, могут встраиваться и в плазмиды, и в хромосому, «перепрыгивать» с плазмиды на бактериальную хромосому, на другую плазмиду или на профаг. Для интеграции транспозона не требуется гомологии ДНК, как в классической рекомбинации, поэтому они способны распространяться среди различных видов бактерий.
Свойства микроорганизмов, как и любых других организмов, определяются их генотипом, т.е. совокупностью генов данной особи.
Фенотип представляет 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.
Ненаследственная (средовая, модификационная) изменчивость обусловлена влиянием внутри- и внеклеточных факторов на проявление генотипа. При устранении фактора, вызвавшего модификацию, данные изменения исчезают.
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.