Транскрипція Транскрипція Трансляція

Виділяють такі особливості генетики бактерій:

1. Гени бактерій організовані в одну молекулу ДНК, яку нази­вають хромосомою. Хромосома у бактерій розміщена віль­но у цитоплазмі і не відокремлена від неї мембранами, але пов'язана з певними рецепторами на цитоплазматичній мемб­рані клітини. Оскільки довжина хромосоми набагато переви­щує довжину бактеріальної клітини (довжина палички Е. соїі становить 1,5—3,0 мкм, а довжина її хромосоми — 1,2 мм), то вона перебуває у суперспіралізованій формі.

2. Вміст ДНК у бактерій непостійний, за сприятливих умов може збільшуватися у декілька (4—8) разів. Біологічне зна­чення цього явища полягає в тому, що під час збільшення ДНК утворюється декілька копій генів, зростає кількість ри­босом, збільшується швидкість біосинтезу клітинних струк­тур, а отже, і швидкість розмноження — одна з головних умов збереження виду у природі.

3. Передача генетичної інформації відбувається не тільки по вертикалі (від материнської клітини до дочірньої), а й по го­ризонталі (від клітини до клітини).

4. Носіями спадковості у бактерій є не тільки ті гени, що міс­тяться у хромосомі, а й ті, що містяться у позахромосомних молекулах ДНК: плазмідах, транспозонах, інсерційних послі­довностях.

Повний набір генів бактеріальної клітини становить її геном (ге­нотип). Бактеріальна хромосома має два типи генів: структурні гени (цистрони) і гени-регулятори. Гени-цистрони кодують струк­туру молекул білків, які синтезуються в клітині (ферментів, токси­нів та ін.). Унаслідок зміни структурного гена синтезується білок зі зміненими властивостями. Гени-регулятори регулюють активність структурних генів. Робота генів спрямована на здійснення життєво­го циклу клітини. Оскільки він включає безліч біохімічних реакцій, тісно пов'язаних між собою, то це вимагає добре узгодженої у часі роботи генів. Така узгодженість можлива лише за умови чіткого ке­рування ними.

Основною структурно-функціональною одиницею хромосоми є оперон (схема 3). Це група структурних генів (цистронів), які фізич­но з'єднані один з одним і з геном-оператором. Ген-оператор контр­олює вираження всієї групи цистронів, що входять в один оперон, тобто він здатний "включати" і "виключати" трансляцію (читання) генетичної інформації з генів-цистронів. Оперон (структурні гени і ген-оператор) перебуває під контролем гена-регулятора, який кодує синтез білка-репресора. Ген-регулятор контролює один або декіль­ка оперонів. До складу оперона входить промотор. Промотор — це ділянка ДНК, з якою взаємодіє РНК-полімераза і з якої починається синтез матричної РНК. У складі оперонів можуть бути й інші регу­ляторні елементи.

Сукупність усіх ознак і властивостей організмів, що формують­ся в процесі індивідуального розвитку внаслідок реалізації геному, називається фенотипом. Зміна навколишнього середовища спричинює зміни метаболізму мікроорганізмів, а інколи і зміну генетичних структур, що призводить до зміни їх властивостей, тобто умови на­вколишнього середовища сприяють експресії (прояву) генів або при­гніченню їх функції.

Причинами мінливості можуть бути фізичні, хімічні і біологічні фактори навколишнього середовища: різні види випромінювання, магнітні поля, низька або висока температура, недостатність воло­ги, поживних речовин, солі літію, хіміотерапевтичні препарати, ан­тибіотики, фаги тощо.

Під час культивування мікроорганізмів у лабораторних умовах причиною мінливості мікроорганізмів може бути тривале вирощу­вання їх на несприятливих поживних середовищах або пасаж в ор­ганізмі несприйнятливих тварин. У разі відновлення оптимальних умов культивування мікроорганізмів, пасажів на сприятливих по­живних середовищах і зараження сприйнятливих тварин втрачені ознаки відновлюються.

Мікроорганізми здатні змінювати морфологічні, тинкторіальні, культуральні, біохімічні, біологічні й інші ознаки.

Мінливість морфології мікробів проявляється в тому, що бак­теріальна клітина може змінювати свою форму: паличкоподібні форми бактерій можуть набувати колбоподібної, ниткоподібної, дріжджеподібної форми, вигляду розгалуженої нитки, що нагадує міцелій гриба тощо. Разом із тим змінюються й інші ознаки: утво­рення джгутиків, спори, капсули, спорідненість до барвників (мін­ливість тинкторіальних ознак). Будь-яка зміна морфологічних ознак супроводжується зміною культуральних і фізіологічних влас­тивостей, тобто зміни в бактеріальній клітині взаємопов'язані.

Мінливість культуральних властивостей проявляється як на щільних, так і в рідких поживних середовищах. На щільному поживному середовищі мікроорганізми можуть утворювати колонії двох основних типів (табл. 2): гладенькі, S-форми (від англ. smooth — гладенький) і шорсткі, R-форми (від англ. rough — шорсткий).

Така мінливість називається дисоціацією. Зі зміною форми колоній змінюються й інші властивості бактерій.

Таблиця 2. Основні властивості бактерій із S I R-колоній

S-форма	R-форма
Колонії випуклі, гладенькі, блискучі, пра­вильної форми, з рівним краєм	Колонії неправильної форми, шорсткі, мутні, приплюснуті, з нерівним краєм
У рухливих бактерій є джгутики	Рухливі бактерії можуть втрачати джгу­тики
У капсульних бактерій добре розвинена капсула	Капсульні бактерії можуть втрачати капсулу
Біохімічно активні	Біохімічно малоактивні
Вірулентні	Маловірулентні або невірулентні
Виділяються частіше у гострий період хвороби	Виділяються при хронічній хворобі і носійстві
Клітини нормальної морфології	Клітини: короткі палички або кокоподібні
Чутливі до фага	Менш чутливі до фага
Погано піддаються фагоцитозу	Легко піддаються фагоцитозу

Більшість бактерій патогенні в S-формі, але є винятки: так, збуд­ники туберкульозу, чуми, сибірки більш патогенні у R-формі.

У рідких поживних середовищах S-форма бактерій зазвичай утворює рівномірне помутніння, R-форма — осад, пристінковий ріст, плівку, а середовище залишається прозорим.

Мінливість ферментативних функцій проявляється в тому, що мікроби виробляють певні ферменти (адаптивні) тільки за наявності субстрату, тобто субстрат індукує синтез ферменту. Так, стафілокок виробляє фермент пеніциліназу тільки за наявності пеніциліну.

Мінливість біологічних властивостей проявляється у знижен­ні ступеня патогенності хвороботворних видів мікроорганізмів, але при цьому зберігаються їх антигенні властивості. Такі штами мікро­організмів були використані для виготовлення атенуйованих (осла­блених) живих вакцин. Атенуйовані штами мікроорганізмів можна отримати шляхом тривалого пересівання культури на несприят­ливих поживних середовищах. Так, французькі вчені А. Кальмет і Ш. Герен пересівали штам мікобактерій туберкульозу протягом 13 років через кожні 14 діб (зробили 230 пасажів) на картопляному середовищі з бичачою жовчю (несприятливе поживне середовище для мікобактерій туберкульозу). Штам мікроорганізмів втратив патогенні властивості і був використаний для виготовлення живої вакцини проти туберкульозу. Цю вакцину назвали BCG — Bacille Calmette—Guerin (БЦЖ).

Розрізняють дві форми мінливості: неспадкову — фенотипову і спадкову — генотипову.

Фенотипова мінливість (модифікаційна) виникає зі зміною факторів навколишнього середовища, які не змінюють структуру генетичного апарату, а отже, не передається у спадок. Фенотипова мінливість не має значення для еволюції мікробів, але вона спри­яє виживанню мікробної популяції. У разі відновлення оптималь­них умов набуті зміни втрачаються. Модифікації (від пізньолат. modificatiu — зміна) можуть стосуватися різних властивостей мі­кробів: морфологічних, культуральних, біохімічних. При цьому діапазон модифікаційних змін обмежений нормою реакцій, зумов­леною генотипом. Прикладом морфологічних модифікацій може бути тимчасова втрата клітинної стінки і перетворення бактерій на L-форму. Після усунення факторів, що спричинили це перетворен­ня, настає реверсія (від лат. reversio — повернення) нестабільних L-форм у вихідну форму.

Зниження вмісту кисню спричинює порушення пігментоутворення у мікобактерій туберкульозу, стафілокока, що призводить до культуральних модифікацій. Вважають, що змінені умови навколишнього середовища активують гени, які за інших умов були заблоковані ("мовчазні" гени).

Біохімічні модифікації проявляються в індукції або репресії структурних генів, що перебувають під контролем гена-регулятора. Так, кишкова паличка виробляє фермент бета-галактозидазу (фер­мент, що розщеплює дисахарид лактозу до моносахаридів глюко­зи і галактози) тільки за наявності лактози. Модифікаційні зміни слід враховувати під час ідентифікації культури мікроорганізмів.

Генотипова мінливість пов'язана зі змінами генетичних структур клітин, тому передається у спадок. Вона проявляється у вигляді мутацій і рекомбінацій.

Мутації (від лат. mutatio — зміна) — це зміни в генотипі, які стабільно успадковуються. Змінені внаслідок мутацій мікробні клітини називаються мутантами, а фактори, які спричинюють появу мутантів — мутагенами. Мутації відіграють важливу роль в еволюції мікробів. За походженням мутації бувають спонтанні й індуковані. Спонтанні (від лат. spontanaus — добровільний, мимовільний) мутації виникають у мікробних популяціях in vivo (в живому організмі) та in vitro (поза живим організмом) внаслідок порушень структури генів під час реплікації нуклеїнової кислоти під впливом неконтрольованих факторів. Середня частота мутацій — 1 мутантна клітина на 1 000 000 нормальних клітин.

Індуковані (від лат. inductio — наведення) — це спрямовані му­тації, які виникають унаслідок штучного впливу на мікроорганіз­ми спеціальних мутагенів: іонізуючої радіації, ультрафіолетового випромінювання, антибіотиків, температури, хімічних речовин тощо. Молекулярні механізми спонтанних і індукованих мутацій однакові.

За величиною змін у геномі розрізняють генні і хромосомні му­тації. Генні мутації частіше бувають точковими. Вони пов'язані з випаданням (делеція), додаванням (дуплікація) або заміною однієї основи на іншу в молекулі ДНК (рекомбінація). Це призводить до того, що замість однієї амінокислоти кодується інша або утворюєть­ся кодон, що не кодує жодної амінокислоти (нонсенсмутація).

Хромосомні мутації (геномні перебудови) супроводжуються випаданням або зміною відносно великих ділянок генома: випадання значної кількості нуклеотидів (протяжна делеція), поворот сегмента хромосоми на 180° (інверсія), переміщення ділянки хромосоми з однієї позиції в іншу (транслокація), повторення будь-якого фрагмента ДНК (дуплікація). Такі мутації найчастіше незворотні і призводять до порушення різних функцій бактеріальної клітини.

Ефекти мутацій можуть стосуватися будь-яких ознак мікроорганізмів: морфологічних, культуральних, біохімічних, біологічних та ін.

За фенотиповими наслідками розрізняють мутації нейтральні, умовно-летальні і летальні. Нейтральні мутації фенотипово не про­являються зміною ознак, оскільки вони не впливають на функ­ціональну активність ферментів, що синтезуються. Мутації, що спричинюють зміну, але не призводять до втрати функціональної активності ферменту, називають умовно-летальними. Летальні мутації характеризуються втратою здатності синтезувати життєво важливі для бактеріальної клітини ферменти.

Основним механізмом передачі генів є вертикальний, тобто пе­редача генів від материнської клітини в спадок дочірнім. Але для бактерій важливою формою обміну генетичною інформацією є пере­несення генів по горизонталі, тобто від клітини-донора до клітини-реципієнта. Ці форми передачі спадковості називають генетичними рекомбінаціями.

Генетичні рекомбінації (від лат. ге — префікс, що вказує на повторення або зворотну дію, і combinatio — сполучення) — це об­мін генетичним матеріалом між привнесеною ДНК і хромосомою клітини-реципієнта. Іншими словами, це поява нових поєднань ге­нів, що призводить до появи нових ознак у нащадків. Рекомбінують між собою тільки двониткові ДНК, тому коли переноситься одна нитка ДНК, вона спочатку добудовується другою ниткою за законом компл ементарності.

Передача генів від однієї бактеріальної клітини до іншої відбува­ється по-різному, але найчастіше шляхом трансформації, трансдук­ції та кон'югації.

Трансформація (від лат. transformo — перетворювати) полягає в тому, що клітина-реципієнт поглинає із зовнішнього середовища фрагмент чужорідної ДНК (найчастіше не більше ніж 0,01 довжи­ни бактеріальної хромосоми). Трансформація може бути спонтан­ною та індукованою. При індукованій (штучній) трансформації до культури бактерій, що досліджується, додають очищену ДНК ін­шої культури бактерій, від якої намагаються їй передати генетичні ознаки. Спонтанна трансформація відбувається у природних умовах у разі змішування клітин мікроорганізмів, що генетично відрізня­ються. ДНК мікробів виділяються у навколишнє середовище у разі лізису клітин або внаслідок активного виділення ДНК життєздат­ними клітинами-донорами.

Трансформації піддаються не всі клітини в популяції. Клітини, що здатні поглинати донорську ДНК, називають компетентними. Клітина з рекомбінатною ДНК називається мерозиготою. Під час поділу мерозиготи дочірні клітини наслідують ознаки клітини-донора і клітини-реципієнта. При цьому фрагмент молекули донора включається в хромосому реципієнта і витісняє гомологічну ділян­ку ДНК реципієнта, тобто відбувається заміщення реципієнтного гена на донорський. Ефективність рекомбінацій залежить від ступе­ня гомологічності ДНК донора і реципієнта, тому внутрішньовидо­ва трансформація відбувається частіше, ніж міжвидова. У природ­них умовах цей процес відбувається не дуже часто, тому що у бакте­рій, як і в інших організмів, є система самозахисту геному.

Ефективність генетичної трансформації підвищується за умови оброблення електричним імпульсом суміші бактеріальних клітин і чужорідної ДНК. Цей метод застосовують для отримання рекомбі-нантних штамів бактерій.

Трансдукція (від лат. transductio — переміщення) — це перене­сення генетичного матеріалу від одних бактерій до інших за допо­могою фагів. Трансдукцію можуть здійснювати як вірулентні, так і помірні фаги різних видів бактерій.

Розрізняють три види трансдукції: неспецифічну (загальну), спе­цифічну (локалізовану) й абортивну. У разі неспецифічної транс­дукції в процесі репродукції (в момент збирання фагової часточки) в її головку разом з фаговою ДНК може проникнути будь-який фраг­мент ДНК бактерії-донора (він становить близько 1—2,5 % довжини бактеріального геному). У разі проникнення цього фага в іншу бактеріальну клітину (клітину-реципієнт) разом із фаговою ДНК можуть бути перенесені будь-які гени клітини-донора (наприклад, гени, що контролюють синтез токсинів, гени резистентності до антибіотиків).

Специфічна трансдукція полягає в тому, що фаг переносить тільки певні гени від бактерії-донора до бактерії-реципієнта. Цей вид трансдукції здійснюється лише помірними фагами, які у вигляді профага включаються тільки в певні ділянки хромосоми бактеріальної клітини.

Абортивна трансдукція полягає в тому, що привнесений фагом фрагмент ДНК бактерії-донора не включається в хромосому бакте­рії-реципієнта, а розміщується в її цитоплазмі у вигляді транспозо-на. Він не здатний до реплікації. Під час поділу клітини-реципієнта цей фрагмент передається одній дочірній клітині і врешті-решт втрачається у потомстві.

Фаги трансдукції сприяють обміну генетичною інформацією між бактеріями не тільки одного виду, а й різних видів і навіть родів. Це визначає їх велику роль в еволюції бактерій. Вивчення явища трансдукції дає змогу пояснити випадки фагової (лізогенної) конверсії — зміни метаболізму лізогенної бактеріальної клітини, а отже, і зміни її властивостей. Так, токсигенність багатьох видів бактерій (коринебактерій дифтерії, клостридій ботулізму, стрептококів) зумовлена фаговою конверсією непатогенних штамів, тобто бактерії набувають здатність продукувати екзотоксин у тому випадку, коли в них проникає помірний фаг разом з тюх-геном.

Кон'югація — це процес перенесення генетичного матеріалу через донорські війки під час безпосереднього контакту клітин донора і реципієнта. До кон'югації схильні бактерії, що містять кон'югативні плазміди.

Найбільш типовим представником кон'югативних плазмід є F-плазміда, яка забезпечує донорськими функціями ентеробактерії.

F-плазміда може перебувати в автономному стані або інтегруватися в хромосому клітини і реплікуватися разом із нею.

До позахромосомних факторів спадковості належать плазміди, транспозони, інсерційні послідовності. Всі ці фактори є молекула­ми ДНК, які різняться за молекулярною масою, об'ємом закодова­ної в них інформації, здатністю до автономної реплікації та іншими властивостями. Вони не є життєво необхідними для бактеріальної клітини, тому що не несуть інформації про синтез ферментівВсі відомі плазміди — це суперспіралізован імолекули двониткової ДНК, замкнуті в кільце. Вони містять від 1500 до 400 000 пар нуклеотидів. У бактеріальній клітині вони частіше містяться в цитоплазмі у вільному стані, але можуть інтегрувати в геном клітини-хазяїна. Поширюються плазміди серед бактерій вертикально і горизонтально шляхом трансформації, трансдукції і кон'югації. Залежно від того, якими властивостями наділяють плазміди клітину-хазяїна, їх поділяють на різні категорії.

F-плазміда контролює синтез F-пілей, які беруть участь у кон'югації клітин.

R-плазміди (їх існує велика кількість) визначають стійкість (ре­зистентність) бактерій-хазяїнів до лікарських препаратів. Значне поширення И-плазмід серед патогенних і умовно-патогенних бак­терій різних видів дуже ускладнює хіміотерапію хвороб, які вони спричинюють. Приблизно у 60—90 % грамнегативних бактерій ре­зистентність до лікарських препаратів пов'язана з И-плазмідами. Останні містять г-ген, який контролює у бактерій синтез ферменту, що зумовлює інактивацію або модифікацію лікарського препарату. В одному г-гені може міститися декілька транспозонів, які контро­люють стійкість до різних антибіотиків. Цим пояснюється множин­на стійкість бактерій до лікарських препаратів.

Плазміди патогенності контролюють утворення факторів па­тогенності бактерій: адгезію, колонізацію, утворення біологічно ак­тивних речовин, що спричинюють проникнення бактерій у клітини і тканини макроорганізму, утворення токсинів тощо.

Забезпечуючи обмін генетичного матеріалу у бактерій, плазміди відіграють велику роль в їх еволюції. Безконтрольне використання антибіотиків та інших антибактеріальних препаратів різко змінило природні умови існування бактерій і призвело до збільшення час­тоти виникнення резистентних форм (біологічний засіб самозахис­ту бактерій). У свою чергу, плазміди також зазнають мутацій під дією різних факторів, що зумовило формування атиповості багатьох збудників інфекційних захворювань.

Фактори бактеріоциногенності — це генетичні елементи бак­теріальних клітин, які контролюють синтез специфічних білків — бактеріоцинів, здатних пригнічувати ріст бактеріальних клітин ін­ших штамів цього виду або генетично близьких видів. Бактерії, що містять плазміди бактеріоциногенності, використовують для отри­мання еубіотиків.

Транспозони, як і плазміди, є суперспіралізованими двонитко-вими молекулами ДНК, замкнутими в кільце. Вони містять 1500— 25 000 нуклеотидів, можуть перебувати у цитоплазмі у вільному стані, а також мігрувати у хромосоми бактеріальної клітини.

Транспозони як носії генетичної інформації здатні передавати гени токсигенності, резистентності до лікарських препаратів, фер­ментів метаболізму тощо.

Інсерційні, або вставні, послідовності (від англ. insertion — вставка і seguense — послідовності) — це фрагменти двониткової ДНК, які містять 1000—1500 пар нуклеотидів. На відміну від плаз-мід і транспозонів інсерційні послідовності не виявлені у цитоплазмі у вільному стані. Мутагенна дія їх полягає в тому, що, включаючись у бактеріальну хромосому, вони спричинюють (індукують) мутації, ко­ординують взаємозв'язок транспозонів, плазмід, як між собою, так і з бактеріальною хромосомою; регулюють активність генів хромосоми.

Для вірусів також характерна фенотипова і генотипова мінли­вість.

Фенотипова мінливість зумовлена клітиною хазяїна, в якій відбувається репродукція вірусів. Вона проявляється зміною хіміч­ного складу суперкапсиду (зовнішньої оболонки віріону), пов 'язаною з включенням до її складу ліпідів і вуглеводів клітини-хазяїна.

Генотипова мінливість може проявлятися у вигляді мутацій і ре-комбінацій.

Спонтанні мутації виникають під час реплікації їх нуклеїно­вих кислот і можуть стосуватися різних властивостей вірусів.

Індуковані мутації виникають під впливом тих самих фізичних і хімічних мутагенів, які зумовлюють мутації у бактерій. Одні з них (азотиста кислота, нітрозогуанідин) діють на позаклітинний вірус (віріон), інші (акредин, аналоги азотистих основ) — на внутрішньо­клітинний вірус під час реплікації його нуклеїнової кислоти.

Мутанти вірусів різняться за антигенною структурою, чутливіс­тю до температури та іншими властивостями.

Рекомбінації відбуваються у разі одночасного зараження двома вірусами чутливої до них клітини-хазяїна.

Розвиток молекулярної генетики створив умови для вивчення молекулярно-генетичних механізмів патогенних та імуногенних властивостей мікроорганізмів, причин появи нових варіантів пато­генних і умовно-патогенних мікроорганізмів, селекції патогенних мі­кроорганізмів зі зниженою вірулентністю (ці мікроби часто втрачають здатність спричинювати формування імунітету). А це призводить до формування латентних (прихованих) і хронічних форм інфекцій, по­яви штамів патогенних мікроорганізмів, резистентних до лікарських і дезінфекційних препаратів, появи атипових форм інфекційних хво­роб. Це дало змогу пояснити зміни в патогенетичному і клінічному перебігу інфекційних хвороб, причини поширення внутрішньолікар-няних інфекцій і розробити заходи їх профілактики.

За допомогою генетичних методів отримані культури мікроорга­нізмів, які використовуються у виробництві вакцин, анатоксинів, вітамінів, амінокислот, антибіотиків, продуктивність яких в 200— 1000 разів вища за таку у диких штамів.

Велике наукове і практичне значення має новий розділ генетики — генна інженерія. Методи генної інженерії дають змогу створити штучні гени із нуклеотидних послідовностей, які несуть задану ге­нетичну інформацію, а також розробити способи перенесення генів в інші клітини прокаріотів або еукаріотів. Унаслідок цього мікроор­ганізми стають продуцентами таких речовин, які хімічно отримати дуже важко, а інколи і неможливо. Нині завдяки розвитку генної ін­женерії методом мікробіологічного синтезу виробляють лікувально-профілактичні препарати: інсулін, інтерферони, інтерлейкіни, гор­мони, вітаміни, високоочищені вакцини (так, після введення гена вірусу гепатиту В у дріжджові клітини була отримана рекомбінант-на вакцина). Мінливість мікроорганізмів слід враховувати при іден­тифікації культури атипових форм мікроорганізмів під час прове­дення діагностичних і профілактичних лабораторних досліджень.

Результати досліджень генетики мікроорганізмів були викорис­тані під час вивчення молекулярно-генетичних закономірностей ви­щих організмів