5. Мутационная и адаптивная формы

изменчивости микроорганизмов

Мутации - быстрые, ненаправленные, случайные изменения свойств микроорганизмов, связанные с изменениями в генотипе. Их условно подразделяют на спонтанные и индуцированные.

Спонтанные мутации происходят с невысокой частотой (10^-4 - 10^-10). Они появляются под влиянием разнообразных причин: мутагенного фона излучений, ошибок в репликации нуклеиновых кислот, встраивания в бактериальную хромосому плазмид, транспозонов, Is-последовательностей и пр.

Индуцированные мутации возникают под влиянием мутагенных факторов (рентгеновского, гамма -, ультрафиолетового излучения, действия радиомиметиков) с большей частотой (100^-4 - 10^-2). Мутагены не обладают специфичностью действия, они могут вызывать мутационные изменения в разных генах с различными последствиями.

Мутации могут быть нейтральными (не проявляющимися в фенотипе), условно-летальными и летальными (с полной утратой жизнеспособности). В результате мутаций изменяются разнообразные свойства микроорганизмов, например, способность продуцировать определенные ферменты, чувствительность к лекарственным препаратам и пр.

Адаптивная изменчивость (модификационная) - это фенотипические изменения признаков микроорганизмов, не сопровождающиеся изменениями структуры генома и вскоре утрачивающиеся. Они являются приспособительными в ответ на меняющиеся условия внешней среды и обусловлены индукцией или репрессией соответствующих генов. Ярким примером модификации может служить образование под влиянием пенициллина L-форм бактерий, способных реверсировать в исходную форму после прекращения действия пенициллина. Модификационные изменения не наследуются, так как не связаны со структурным изменением генотипа.

На развитие генетики в нашей стране существенное влияние оказало господство “школы” академика Т.Д.Лысенко, считавшей возможным наследование приобретенных признаков безотносительно к хромосомной наследственности. Соответственно и эволюционный процесс можно было рассматривать как процесс постепенных изменений, приспособительных к меняющимся условиям существования. При этом возможность наследования приобретенных признаков признавалось бездоказательно.

Полагаем полезным привести один из возможных путей доказательства роли селекции мутантов - тест реплик. Суть его в следующем. Производят посев на плотную питательную среду в чашке Петри культуры бактерий, чувствительной к стрептомицину. Затем подвергают действию Rц-лучей и инкубируют в термостате. Вырастает какое-то количество колоний. Далее с помощью стерильного бархатного диска перепечатывают колонии на поверхность питательных сред без стрептомицина и со стрептомицинам, инкубируют в термостате. На среде без стрептомицина вырастает такое же количество колоний и с тем же взаимным расположением, что и на первой чашке Петри, а на среде со стрептомицином вырастают колонии только в том случае, если в результате мутационных изменений появилась хотя бы одна мутантная клетка, устойчивая к стрептомицину. Можно найти аналогичную колонию на среде без антибиотика, пересеять на скошенный агар и получить культуру микроорганизма, полностью устойчивого к стрептомицину. Таким образом, без действия антибиотика, только под влиянием неадекватной причины - мутагена, может селекционироваться лекарственноустойчивая форма микроорганизмов. При этом полученное изменение наследуется, так как связано с изменением в генотипе.

Таким образом, на примере микроорганизмов мы имеем возможность получить наглядную модель быстрого приобретения новых наследственных свойств за счет селекции мутантов по полезным признакам, что и составляет основу эволюционного процесса.

6. Комбинативная форма изменчивости бактерий

В отличие от эукариот, у которых в процессе полового размножения происходит взаимный обмен фрагментами хромосом мужских и женских половых клеток, у прокариот нет полового размножения. Однако, генетический обмен с образованием рекомбинантных геномов между микроорганизмами возможен и необходим. Рекомбинация у прокариот возможна в результате внутригеномных перестроек, а также при проникновении в клетку- реципиент части ДНК клетки-донора, в результате чего образуется неполная зигота - мерозигота.

Комбинативная форма изменчивости является геномной, наследуется и может происходить при процессах трансформации, трансдукции (а также лизогенной конверсии) и коньюгации.

Трансформация - превращение одной разновидности бактерий в другую в результате непосредственной передачи фрагмента ДНК от клетки-донора к клетке-реципиенту. Трансформация былаоткрыта в 1928 г. Ф.Гриффитсом в опытах заражения мышей смесью бескапсульного и потому авирулентного пневмококка II типа с капсульным, вирулентным, но убитым нагреванием пневмококком I типа. Мыши погибали от пневмококковой септицемии, причем из крови и органов выделялись живые капсульные пневмококки I типа. Ф.Гриффитс показал, что превращение бексапсульного пневмококка в капсулообразующий происходит под влиянием какого-то химического вещества из убитых пневмококков I типа. Как уже говорилось, в 1944 г. О.Эвери, К.Мак-Леод и К.Мак-Карти установили, что трансформирующим агентом является ДНК. В настоящее время доказано, что при трансформации, которая происходит как в экспериментальных, так и в естественных условиях, бактерия-реципиент получает небольшой фрагмент ДНК донора, обычно содержащий один ген. Этот фрагмент включается в структуру хромосомы реципиента, привнося новый наследственный признак. Процесс трансформации является важным механизмом межгеномного обмена у бактерий и служит для расширения адаптивных возможностей микроорганизмов.

Трансдукция - перенос наследственных признаков с помощью бактериофага. При репродукции фага в бактериальной клетке в момент сборки фаговых частиц в головку фага может проникнуть фрагмент ДНК бактерии-донора (таких фагов может быть около 0,3 % всего потомства). При проникновении такого фага в клетку-реципиент не происходит лизиса бактерий, так как фаг оказывается дефектным вследствие утраты части своего генома, но гены донора рекомбинируют с хромосомой реципиента и последний получает новые гены и, соответственно, новые наследуемые признаки. При трансдукции переносятся любые гены, например, ответственные за синтез аминокислот, резистентность к антибиотикам и т.п.

При трансдукции обычно не происходит лизогенизации, связанной с встраиванием генома фага в бактериальную хромосому, образованием профага. Лизогенная конверсия, обусловленная профагом, также является одним из механизмов комбинативной изменчивости бактерий. На этом процессе мы останавливались ранее, при характеристике плазмид.

Коньюгация - перенос наследственных признаков из клетки-донора к клетке-реципиенту при их непосредственном контакте, скрещивании. Мы также уже разбирали этот процесс при характеристике F-плазмиды. В настоящее время коньюгация представляется достаточно хорошо изученной, но нам вряд ли целесообразно на данном этапе вникать в подробности этого процесса. Следует лишь подчеркнуть, что именно коньюгация, вероятно, является главным механизмом комбинативной изменчивости у бактерий в естественных условиях. Этот процесс, в частности, был использован в качестве основного инструмента генетического анализа, с помощью которого установлена последовательность расположения генов в хромосоме некоторых бактерий, прежде всего - E.coli.

Таким образом, разнообразные молекулярно-генетические механизмы изменения генотипа микроорганизмов (мутационный и комбинативный) обеспечивают появление генетически измененных клеток и создание гетерогенных популяций микроорганизмов, из которых путем селекционирования в меняющихся условиях среды происходит формирование новых вариантов и постепенно совершается эволюционный процесс образования новых видов микроорганизмов.