3. Основные понятия генетики микроорганизмов

Прежде чем перейти к характеристике механизмов изменчивости бактерий, целесообразно вспомнить некоторые основные понятия общей генетики, известные из курса биологии. Мы лишь уточним эти понятия применительно к генетике микроорганизмов.

Основное понятие генетики - понятие о гене.

Ген - функциональная и структурная единица генотипа (участок молекулы нуклеиновой кислоты), контролирующий синтез одной полипептидной цепи.

Подчеркнем, что материальную основу наследственности у микроорганизмов, как и у всех живых существ, составляют нуклеиновые кислоты. У микроорганизмов геном может быть представлен не только ДНК, но и, у некоторых вирусов, РНК. Поэтому мы говорим о молекуле нуклеиновой кислоты в общем виде. Эволюция понятия “ген” шла от формулы “один ген - один признак” к “ один ген - один белок” и “ один ген -одна полипептидная цепь”. Многие функционально активные белки состоят из нескольких полипептидных цепей, причем синтез каждой из них может управляться разными генами. Например, для синтеза иммуноглобулина может потребоваться работа трех групп генов.

Генотип - система самовоспроизводящихся структур (генов), контролирующих обмен веществ и осуществляющих передачу признаков в ряду поколений. В этом определении подчеркивается функция генотипа.

Фенотип - комбинация признаков в конкретных условиях существования. В фенотипе проявляется лишь часть признаков, заложенных в генотипе, поэтому потенциальные возможности генотипа всегда шире фенотипипического проявления признаков.

Следует отметить, что генетика микроорганизмов - популяционная генетика. Генетика микроорганизмов изучает обычно не свойства отдельных особей, а свойства популяции микроорганизмов. Это связано не столько со сложностью изучения свойств отдельных микроорганизмов, сколько с тем, что микробные популяции всегда гетергенны и содержат микроорганизмы, иногда существенно отличающиеся по ряду признаков. Быстрое размножение микроорганизмов, гаплоидность генов, отсутствие надежных механизмов стабилизации генетического материала приводят к быстрой изменчивости микробов, поэтому даже клоновые культуры вскорости становятся гетерогенными.

Ген выполняет две функции - автокаталитическую (самовоспроизведение для сохранения признаков в ряду поколений) и гетерокаталитическую (управление обменов веществ через управление биосинтезом белков - ферментов).

Автокатализ осуществляется путем репликации нуклеиновых кислот. Если геном представлен двухспиральной ДНК (у большинства микроорганизмов), то репликация идет по известному Вам полуконсервативному типу: молекула ДНК раздваивается на две спирали и происходит достройка недостающей комплементарной спирали с помощью ДНК-полимеразы, открытой Корнбергом у E.coli. В результате образуются две дочерние молекулы ДНК, каждая из которых содержит одну материнскую и одну вновь синтезированную дочернюю нити ДНК. Вирусы могут содержать односпиральную РНК, в этом случае вначале происходит образование репликативной двухспиральной молекулы РНК в результате достраивания комплементарной нити РНК, а затем идет синтез молекул РНК вируса. В случае двухспиральности РНК или односпиральности ДНК у некоторых вирусов репликация происходит аналогично. В любом случае за счет соблюдения принципа комплементарности происходит точное копирование структуры генома и сохранение генов в ряду поколений.

Гетерокатализ реализуется через перенос наследственной информация от гена на структуру полипептидной цепи. Смысл генетической информации - определение порядка включения аминокислотных остатков в пептидную цепь. Генетическая информация записана в виде генетического кода в молекуле ДНК или РНК.

Генетический код:

1. Триплетный (одну аминокислоту кодирует три нуклеотида), что доказано при изучении тройных мутантов фагов (вирусов бактерий). Например, первый открытый триплет - УУУ кодирует включение фенилаланина.

2. Неперекрывающийся (нуклеотид, входящий в один триплет, не может участвовать в образовании следующего триплета).

3. Не имеющий запятых (триплеты ничем не разделяются, выпадение одного нуклеотида делает бессмысленной последующую информацию, но при выпадении полностью одного триплета смысл информации может не теряться, только в этом месте будет отстутствовать одна аминокислота).

4. Вырожденный (одну аминокислоту могут кодировать несколько различных триплетов, что обеспечивают большую устойчивость генетического кода, не всякое изменение триплета меняет смысл информации).

Перенос наследственной информации идет в соответствии с формулой Ф.Крика: ДНК  РНК  белок рис. 1.)

В эту формулу добавлен процесс обратной транскрипции - построение ДНК-овой копии РНК с помощью РНК-зависимой ДНК-полимеразы, открытой у онкогенных вирусов Г.Теминым в 1970 г. Процесс транскрипции (построение информационной РНК) и трансляции (реализации генетической информации в структуре пептидной цепи) Вам известен.

Регуляция биосинтеза белка осуществляется также генетически, по принципу обратной связи (рис. 2).

Генетический материал подразделяется на опероны, включающие гены-регуляторы, гены-операторы и структурные гены. Ген-регулятор несет информацию о синтезе регуляторного белка-репрессора, способного подавлять функционирование структурных генов за счет соединения с геном - оператором (промотором), если он не соединен с субстратом. При появлении субстрата (например - лактозы), белок-репрессор соединяется с ним и в таком состоянии не способен репрессировать гены, структурные гены дерепрессируются и идет синтез ферментов, необходимых для расщепления субстрата. Если оперон управляет ферментами, обеспечивающими синтез, а не расщепление какого-либо вещества, то белок-репрессор подавляет ген-оператор лишь тогда, когда он соединен с этим веществом (оно находится в избытке). Теория генной регуляции биосинтеза белка была создана французскими микробиологами из Института Пастера Ф.Жакобом и Моно при изучении лактозного оперона E.coli.

Исходя из такого процесса регуляции биосинтеза понятно, что часть генов может находиться в репрессированном состоянии, а функционируют лишь гены, обеспечивающие необходимые метаболические процессы в данных условиях.

4. Организация генетического материала у бактерий

В отличие от хромосомы эукариот наследственный материал прокариот представлен одной молекулой ДНК, нередко замкнутой в кольцо. Молекулярная масса ДНК бактерий сравнительно велика, у ДНК кишечной палочки она равна 2  10⁹ . Генетический материал бактерий называют бактериальной хромосомой или нуклеоидом. Помимо нуклеоида, генетический материал у бактерий может содержаться в плазмидах, транспозонах и Is-последовательностях. Эти внехромосомные наследственные элементы не являются обязательными, но могут придавать бактериям селективные преимущества, например. Лекарственную устойчивость.

Плазмиды - внехромосомные генетические элементы, представляющие собою небольшие замкнутые в кольцо нити ДНК. Плазмиды могут находиться в автономном состоянии в цитоплазме в виде одной или нескольких копий, тогда они реплицируются независимо от хромосомы. Но плазмиды могут быть встроены в состав хромосомы, т.е. находиться в интегрированном состоянии, в этом случае они воспроизводятся вместе с хромосомой и передаются в ряду поколений. Бактерии могут терять плазмиды и приобретать их.

В настоящее время описано более двух десятков плазмид. Мы можем остановиться лишь на некоторых: профаге, F-плазмиде, плазмиде бактериоциногенности и R-плазмиде.

Профаг может служить моделью плазмиды, так как он способен существовать в автономном и интегрированном состоянии и не является обязательным генетическим элементом бактерий. С интегрированием профага в бактериальную хромосому и приобретением бактериями лизогенных свойств одновременно у бактерий могут появляться новые свойства, привнесенные профагом. Этот процесс называют лизогенной конверсией. Например, дифтерийная палочка токсигенна лишь тогда, когда она лизогенна (токсигенная конверсия).

F-плазмида, или половой фактор, (фактор фертильности, плодовитости) имеет молекулярную массу около 60  10⁶ и контролирует синтез половых ворсинок. Бактериальная клетка, имеющая F-плазмиду, образует коньюгативные ворсины, с помощью которых устанавливается связь между F⁺ (“мужскими”) и F^- (“женскими”) клетками и по которым происходит передача генов при коньгативном процессе, аналоге полового процесса у бактерий. При удалении F-плазмиды клетки теряют свойства доноров генов и приобретают свойства их реципиентов - превращение “мужской” особи в “женскую”. Процесс коньюгации обеспечивает бактериям возможность обмена генами, что служит одним из важных факторов приобретения селективных преимуществ в меняющихся условиях существования.

Бактериоциногенные плазмиды контролируют синтез антибиотических веществ бактериоцинов. Бактериоцины губительно действуют на бактерии того же, либо близких видов, не обладающие фактором бактериоциногенности. Бактериоцины обнаружены у многих бактерий - кишечных бактерий (колицины), палочки чумы (пестицины), стафилококков (стафилоцины) и др. Если клетка продуцирует бактериоцин, она погибает, но образующиеся бактериоцины влияют на формирование микробных ассоциаций. Колицины кишечной палочки, например, обладают антагонистическим действием по отношению к патогенным представителям кишечного семейства.

Изучение бактериоциногенности является одним способов типирования бактерий, так как выделяют бактериоциногеновары (варианты бактерий по способности продуцировать определенный вариант колицина) и бактериоциновары (варианты бактерий по чувствительности к разным бактериоцинам). Это служит инструментом эпидемиологического анализа, так как дает возможность более надежно определять источники инфекции.

R-плазмида, фактор лекарственной устойчивости - определяет устойчивость бактерий к одному или же многим лекарственным препаратам. Передача R-плазмид от одних бактерий к другим приводит к широкому распространению их не только среди патогенных, но и условно-патогенных бактерий благодаря тому, что их наличие дает селективные преимущества в условиях широкого применения антибиотиков. У грамотрицательных бактерий передача R-плазмид может осуществляться при коньюгации, у грамположительных - чаще путем трансдукции (переноса с помощью умеренного фага).

Транспозоны представляют собой последовательности в несколько тысяч пар нуклеотидов, несущие генетическую информацию для транспозиции - перемещения внутри бактериальной хромосомы либо же с хромосомы на плазмиды и наоборот. Транспозоны неспособны к самостоятельной репликации, воспроизводятся только в составе хромосомы. При включении их в бактериальную ДНК они вызывают в ней удвоение участков, при перемещении - делеции (выпадения) и инверсии (обратный порядок нуклеотидов части нуклеиновой кислоты), что приводит к мутациям. Кроме того, транспозоны могут содержать генетическую информацию для синтеза бактериальных токсинов и ферментов.

Is-последовательности (англ. insertion - вставка, seqence - последовательсность), представляют собой фрагменты ДНК длиной в 1000 пар нуклеотидов и более, содержащие информацию только для транспозиции, перемещения в различные участки ДНК. При перемещении Is-последовательностей изменяется функционирование хромосомных генов - они могут инактивироваться либо же экспрессироваться, в них могут возникать мутации.

Таким образом, у бактерий генетический материал организован в соответствии с общебиологическими закономерностями, но имеются некоторые отличия: функцию материальной основы наследственности некоторых вирусов могут выполнять РНК, в генетических процессах у бактерий могут играть важную роль внехромосомные факторы - плазмиды, транспозоны, Is-последовательности.