транспозоны не только у бактерий и дрожжей, но и в клетках растений, насекомых, позвоночных животных и человека. При интеграции транспозонов в хромосому клеток животных или человека они приобретают сходство с провирусами.

Состояние транспозонов в бактериальной клетке:

• интегрированное в репликон (реплицируется вместе с ним). При включении в бактериальную ДНК транспозоны вызывают в ней дупликации, а при перемещении — делеции и инверсии;

• свободное автономное (замыкается в кольцо и не реплицируется).

Таким образом, транспозоны, как и IS-последовательности, не способны к самостоятельной репликации и размножаются только в составе бактериальной хромосомы.

Отличие транспозонов от IS-последовательностей: содержат в своем составе не только гены транспозиции, но и структурные гены.

Состав транспозонов:

• один или несколько специфических структурных генов, детерминирующих синтез молекул со специфическими биологическими свойствами: токсинообразование, синтез ферментов (например, гемолизинов, лактазы), резистентность к антибиотикам, устойчивость к солям тяжелых металлов;

• гены транспозиции: два IS-элемента — концевые структуры, отличающие транспозон от других фрагментов ДНК.

По особенностям строения различают (рис. 73):

1. Составные транспозоны — в их состав входят два полных IS-элемента, фланкирующих центральную часть, которая содержит гены резистентности к антибиотикам или гены термолабильного токсина. IS-элементы содержат информацию о способности к транспозиции. У некоторых транспозонов этого типа такая информация сохраняется только в одном из IS-элементов, а во втором гены, кодирующие эту информацию, инактивированы мутациями. На концах IS-эле-ментов имеются короткие инвертированные повторяющиеся последовательности, имеющие важное значение для транспозиции, т. к. именно они узнаются ферментом транспозазой, осуществляющим транспозицию.

2. Транспозоны ТnЗ-семейства — не содержат в своем составе IS-элементы, а ограничены высокогомологичными инвертированными концевыми повторами, состоящими из 35–48 пар нуклеотидов; центральные области этих транспозонов содержат информацию об их транспозиции, а также гены, не связанные с транспозицией (например, кодирующие резистентность к антибиотикам или к ртути).

Пути перемещения транспозонов:

• консервативный — транспозон вырезается из одного участка и перемещается в другой без увеличения количества копий, при этом участок ДНК, откуда вырезается транспозон, утрачивает свою функцию;

• репликативный — синтезированная копия транспозона перемещается в новое место, при этом увеличивается количество копий. Новые копии транспозонов могут мигрировать в плазмиды и ДНК фагов, которые в свою очередь, проникая в бактериальные клетки, способствуют их распространению в популяции.

а

б

Рис. 73. Классы бактериальных транспозонов:

а — инсерционный элемент (IS) (i); составной транспозон (ii) — (Tn10); б — Tn3 и Tn501 — транспозоны семейства Tn3 (стрелки на концах транспозонов — короткие инвертированные последовательности, узнаваемые ферментом траспозазой (ген tpn); tet, amp и mer — гены в составе транспозонов, кодирующие резистентность к тетрациклину, ампициллину и солям ртути

соответственно)

Биологическая роль транспозонов:

1. Регуляторная — участвуют в регуляции активности (инактивации или активации) генов. Обеспечивая перенос генов внутри клетки, способствуют их интеграции в плазмиды и бактериофаги и распространению в популяциях бактерий разных видов, придавая им новые свойства, часто связанные со способностью выживать в неблагоприятных условиях. Интеграция транспозонов может привести к экспрессии соседнего «молчащего» гена.

2. Кодирующая — осуществляют горизонтальный перенос генов, несущих информацию о синтезе токсинов, ферментов. Некоторые транспозоны приобретают новые гены резистентности к антибиотикам, существующие в виде генных циркулярно-замкнутых кассет. Это происходит, когда в составе транспозона содержатся дополнительные генетические структуры — интегроны, отвечающие за сайт-специфическую рекомбинацию. Интегроны содержат ген интегразы, промотор и сайт интеграции. С помощью фермента интегразы захватывают генные кассеты, внедряют их в специфический сайт интегрона и экспрессируют их со своего промотора.

3. Индукция геномных мутаций разного типа.

4. Являются генетическими маркерами вида (рода) бактерий.

Сравнительная характеристика внехромосомных факторов наследственности приведена в табл. 36.

Все внехромосомные факторы наследственности не являются жизненно необходимыми генетическими элементами для бактериальных клеток, т. к. не несут информации о синтезе ферментов, участвующих в пластическом или энергетическом метаболизме. Закодированная в них генетическая информация важна для клеток популяции только в данных конкретных условиях ее существования и может давать бактериям селективные преимущества. Изменение условий существования (попадание бактерий во внешнюю среду или невосприимчивый организм) лишает их этих преимуществ.

Таблица 36

Сравнительная характеристика внехромосомных факторов наследственности

Плазмиды	IS-последовательности	Транспозоны
Величина генома (число пар нуклеотидов)
2000–600 000	1000	2000–25 000
Способность к самостоятельной репликации
присутствует у автономных, отсутствует у эписом	отсутствует, в свободном состоянии не обнаружены	отсутствует, могут находиться в свободном состоянии, способны к перемещению с одного репликона на другой
Встраивание в бактериальную хромосому
В гомологичный участок	В любой участок
Передача бактериям
Трансформацией, трансдукцией, конъюгацией	Трансдукцией, конъюгацией
Функции
1. Регуляторная (компенсация нарушений метаболизма ДНК бактерии-хозяина). 2. Кодирующая (внесение новой информации: об образовании секс-пили, о резистентности к антибиотикам, о выделении бактериоцинов)	1. Регуляторная: включают или выключают транскрипцию генов либо вызывают их инактивацию. 2. Координируют взаимодействие транспозонов, плазмид и умеренных фагов между собой и с бактериальной хромосомой и обеспечивают их рекомбинацию	1. Регуляторная: участвуют в регуляции активности генов. Обеспечивают перенос генов и способность их интеграции в плазмиды и бактериофаги, придавая новые свойства бактериям. 2. Кодирующая: несут информацию о синтезе бактериальных токсинов, ферментов, разрушающих или модифицирующих антибиотики
	3. Индуцируют мутации (делеции, инверсии, дупликации) в бактериальной хромосоме. 4. Являются генетическими маркерами вида (рода) бактерий

Геном (генотип) бактерий (от греч. genos — рождение и typos — отпечаток, образ) — совокупность всех генов бактерий.

До 1956 г. все бактериальные хромосомы считались линейными. В 1956 г. Жакоб и Вольман предложили кольцевую модель бактериальной хромосомы, которая была общепринятой до появления новых методов исследования ДНК. Затем с помощью электрофореза в пульсирующем поле (метод прямого анализа физической структуры хромосом) было показано, что у некоторых бактерий хромосомы являются линейными. В середине 90-х гг., когда были начаты расшифровки полных нуклеотидных последовательностей геномов методом секвенирования, было выявлено, что ряд бактерий имеют сложные геномы, состоящие из двух или нескольких репликонов. Например, геномы V. cholerae и B. melitensis представлены 2 кольцевыми хромосомами, а геномы L. interrogans и B. cereus — 1 кольцевой хромосомой и 1 мегаплазмидой.

Анализ полных нуклеотидных последовательностей геномов бактерий позволил получить информацию об организации геномов бактерий — их размерах, линейности или циркулярности, ГЦ-составе, количестве открытых рамок считывания (ORF), наличии дупликаций и амплификации некоторых из них, выявить родственные и уникальные гены у различных бактерий (табл. 37).

Таблица 37

Характеристики геномов некоторых бактерий

Вид бактерий	Размер генома (количество пар нуклеотидов)	Кодирующие последовательности, %	Содержание ГЦ, %	Количество ORF
C. trachomatis	1042519 + плазмида 7493	?	41,3	894
T. pallidum	1138006	92,9	52,8	1041
H. pylori	1667867	91	39	1552
M. tuberculosis	4411529	91	65,6	4000
E. coli	4639221	88,6	50,8	4288

Оказалось, что многие бактерии, относящиеся к различным таксономическим группам, обладают генами, имеющими общее происхождение. Их распространение осуществлялось путем горизонтального переноса генов — механизма, признанного сейчас одним из основных «двигателей» в эволюции бактерий.

В составе геномов бактерий были обнаружены гены эукариот, а в геноме человека и других эукариот — гены бактерий. Это подтвердило сложившееся после открытия мобильных генетических элементов представление о существовании общего генофонда всего живого мира, обмена генами не только между разными видами и родами бактерий, но и между совершенно неродственными организмами — бактериями и высшими животными и растениями.