П одвижные генетические элементы

В состав бактериального генома, как в бак­териальную хромосому, так и в плазмиды, входят подвижные генетические элементы. К подвижным генетическим элементам от­носятся вставочные последовательности и транспозоны.

В ставочные (инсерционные) последова­тельности, IS-элементы (insertion sequences, англ.) – это участки ДНК, способные как целое перемещаться из одного участка репликона в другой, а также между репликонами. IS-элементы имеют размеры ÷1000 н.п. и содержат лишь те гены, которые необходимы для их собственного перемещения – транс­позиции: ген, кодирующий фермент транспозазу, обеспечивающую процесс исключения IS-элемента из ДНК и его интеграцию в но­вый локус, и ген, детерминирующий синтез репрессора, который регулирует весь процесс перемещения.

О тличительной особенностью IS-элементов является наличие на концах вставочной последовательности инвертированных повто­ров. Эти инвертированные повторы узнает фермент транспозаза. Транспозаза осуществляет одноцепочечные разрывы це­пей ДНК, расположенных по обе стороны от подвижного элемента. Оригинальная копия IS-элемента остается на прежнем месте, а ее реплицированный дупликат перемещается на новый участок.

Перемещение подвижных генетических элементов принято называть репликативной или незаконной рекомбинацией. Однако в отличие от бактериальной хромосомы и плаз­мид подвижные генетические элементы не являются самостоятельными репликонами, так как их репликация – составной элемент репликации ДНК репликона, в составе кото­рого они находятся.

Известно несколько разновидностей IS-элементов, которые различаются по раз­мерам и по типам и количеству инвертиро­ванных повторов.

Т ранспозоны – это сегменты ДНК, облада­ющие теми же свойствами, что и IS-элемен­ты, но имеющие структурные гены, т. е. гены, обеспечивающие синтез молекул, обладаю­щих специфическим биологическим свойс­твом, например токсичностью, или обеспечи­вающих устойчивость к антибиотикам.

Перемещаясь по репликону или между реп­ликонами, подвижные генетические элемен­ты вызывают:

• И нактивацию генов тех участков ДНК, куда они, переместившись, встраиваются.

• Образование повреждений генетического материала.

• С лияние репликонов, т. е. встраивание плазмиды в хромосому.

• Распространение генов в популяции бак­терий, что может приводить к изменению биологических свойств популяции, смене возбудителей инфекционных заболеваний, а также способствует эволюционным процессам среди микробов.

Изменчивость бактерий

Различают два вида изменчивости – фенотипическую и генотипическую.

Ф енотипическая изменчивость – модификации

Г енотипу противопоставляют фенотип. Фенотип – это конкретное проявление тех или иных свойств клетки, заложенных в генотипе. При одинаковых генотипах фенотипы зависят от условий среды. Фенотипические ненаследуемые изменения какого-либо признака или нескольких признаков микроорганизма – модификации – не затраги­вают генотип. Они не передаются по наследству и с течением вре­мени затухают, т. е. возвращаются к исходному фенотипу.

Фенотипические ненаследуемые изменения какого-либо признака или нескольких признаков микроорганизма называют мо­дификациями. Они выражаются в изменении формы и размеров микробной клетки, морфологии колоний, биохимических, пато­генных и антигенных признаков. Модификации определяются условиями окружающей среды, а у облигатных внутриклеточных паразитов (вирусы и др.) – клеткой хозяина.

Возникающие изменения признаков при модификации носят фенотипический характер, поскольку они не затрагивают генотипа микроба, хотя и находятся под его контролем, и утрачиваются в первом или последующих поколениях.

Модификации – эволюционно закрепленные адаптивные реакции микроорганизма в ответ на изменение условий окружающей среды. Эти реакции обеспечивают жизнеспособность микроба и исчезают после устранения действия фактора, вызывающего их образование.

М одификации, сохраняющиеся только в первых поколениях, называют кратковременными. К ним относится любое кратковре­менное изменение какого-либо признака, который исчезает при устранении действия вызвавшего его фактора: например, образование нестабильной L-формы бактерии под влиянием пенициллина с последующей реверсией к исходному типу после окончания действия данного антибиотика.

Существуют длительные модификации, которые сохраняются в потомстве в течение многих поколений. Например, стабильные L-формы бактерий могут сохраняться во многих генерациях. В конечном итоге они также утрачиваются и бактерии возвращаются к исходному типу.

Следует, однако, отметить, что стабильные L-формы могут возникать и в результате генотипических изменений. Длительные модификации иногда очень трудно отличить от мутаций, поскольку их фенотип идентичен. Это можно сделать только в том случае, если известен фактор, вызвавший образование данной модификации, или путем генетического анализа. Кратковременные или длительные модификации могут сопровождаться ослаблением вирулентных свойств бактерий. Однако достаточно такую культуру провести в нескольких пассажах через организм чувствительного животного, чтобы полностью восстановить ее вирулентные свойства. При мутации данные свойства не восстанавливаются.

Под влиянием различных факторов внешней среды микробы могут менять свою морфологию. Под влиянием химических веществ (соли металлов, фаг, антибиотики, различные излучения, действие магнитных полей и т.д.) некоторые микробы принимают форму шаров, утолщенных нитей, разветвлений и т.д. Культивирование в обычных условиях приведёт к возврату типичной формы. S и R-формы также являются зачастую проявлением фенотипической изменчивости. Наряду с морфологическими отклонениями у микробов часто наблюдаются изменения культуральных свойств.

Биохимическую основу модификации составляет индуцированный синтез ферментов, заключающийся в индукции и репрессии соответствующих структурных генов, контролируемых регуляторными генами. Так, например, кишечная палочка только в присутствии лактозы синтезирует ферменты, необходимые для её ферментации. Стафилококки только в присутствии пенициллина синтезируют фермент пенициллиназу, расщепляющий данный антибиотик.

Модификация позволяет микробным популяциям быстро адаптироваться к окружающей среде и сохранять на должном уровне свою жизнеспособность.

Г енотипическая изменчивость бактерий

Изменения бактериального генома, а следовательно, и свойств бактерий могут происходить в результате мутаций и рекомбинаций.

Мутации у бактерий

Мутации – это изменения в последовательности отдельных нуклеотидов ДНК, которые ведут к таким проявлениям, как изменения морфологии бактериальной клетки, возникновение потребностей в факторах роста, например в аминокислотах, витаминах, т. е. ауксотрофности; к устойчивости к антибиотикам, изменению чувствительности к температуре, снижению вирулентности (аттенуация) и т. д.

П о протяженности изменений повреждения ДНК различают мутации точечные, когда повреждения ограничиваются одной парой нуклеотидов, и протяженные или аберрации. В последнем случае могут наблюдаться выпадения нескольких пар нуклеотидов, которые называются делецией, добавление нуклеотидных пар, т. е. дупликации, перемещения фрагментов хромосомы, транслокации и перестановки нуклеотидных пар – инверсии.

Мутации могут быть спонтанными, т. е. возникающими самопроизвольно, без воздействия извне, и индуцированными.

Точечные спонтанные мутации возникают результате возникновения ошибок при репликации ДНК, что связано с таутомерным перемещением электронов в азотистых основаниях.

Тимин, например, обычно находится в кетоформе, в которой он способен образовывать водородные связи с аденином. Но если тимин во время связывания оснований при репликации ДНК переходит в фенольную форму, то он спаривается с гуанином, в результате в новой молекуле ДНК на месте, где раньше стояла пара А–Т, появляется пара Г–Ц.

Спонтанные хромосомные аберрации возникают вследствие перемещения подвижных генетических элементов.

Индуцированные мутации появляются влиянием внешних факторов, которые называются мутагенами. Мутагены бывают физическими (УФ-лучи, гамма-радиация), химическими (аналоги пуриновых и пири­товых оснований, азотистая кислота и ее аналоги, и другие соединения) и биологическими – транспозоны.

Н а бактериях, подвергнутых УФ-облучению, было показано, что повреждения, вызванные облучением в бактериальных ДНК, могут частично исправляться благодаря наличию репарационных систем. У различных бактерий имеется несколько типов репарационных систем. Один тип репарации протекает на свету, он связан с деятельностью фотореактивирующегося фермента, который расщепляет тиминовый димер. При темновой репарации дефектные участки цепи ДНК удаляются, и образовавшаяся брешь достраивается при помощи ДНК-полимеразы на матрице со­хранившейся цепи и соединяется с цепью лигазой.

М утация, приводящая к потере функции, называется прямой мутацией. У мутантов может произойти восстановление исходных свойств, т. е. реверсия (reverse – обратный, англ.) Если происходит восстановление ис­ходного генотипа, то мутация, восстанавли­вающая генотип и фенотип, называется об­ратной или прямой реверсией. Если мутация восстанавливает фенотип, не восстанавли­вая генотип, то такая мутация называется супрессорной. Супрессорные мутации могут возникать как в пределах того самого гена, в котором произошла первичная мутация, так в других генах или могут быть связаны с мута­циями в тРНК.

По фенотипическим последствиям мутации подразделяются на нейтральные, условно-летальные и летальные.

Нейтральные мутации фенотипически не проявляются какими-либо изменениями признаков.

Мутации, которые приводят к изменению, но не к утрате функциональной активности фермента, называют условно-летальными. В зависимости от условий окружающей среды микроорганизмы могут сохранять свою жизнеспособность или, наоборот, утрачивают её.

Летальные мутации характеризуются полной утратой способности синтезировать жизненно важный для бактериальной клетки фермент или ферменты. Мутации проявляются в фенотипе в виде утраты или изменения морфологических и биохимических признаков. Например, жгутиков, пилей, капсулы клеточной стенки, утраты синтезировать определенные аминокислоты (ауксоторофы), возникновение устойчивости к лекарственным или дезинфицирующим препаратам.

R - S – диссоциации

С воеобразной формой изменчивости являются R – S-диссоциации бактерий. Уже в 20-е годы стало известно о явлениях, которые называют диссоциацией. При выращивании пневмококков, вызывающих воспаление легких, было обнаружено, что их колонии на питательном агаре изменяют свой облик. Поначалу круглые и блестящие – S-формы (от английского слова smooth – гладкий) они становились через некоторое время шероховатыми и сморщенными по краям – R-формы (от английского слова rough - шероховатый). Клетки из колоний R отличались от клеток из колоний S ещё и тем, что были значительно менее вирулентны, иначе говоря, их способность вызывать заболевание стала значительно слабее. Между этими двумя типами существуют переходные, нестойкие, чаще О-М-формы. В процессе диссоциации изменчивость может затрагивать такие свойства микроба, как ферментативную активность, потребность в определённых аминокислотах, факторах роста и биологических свойств.

Весьма важным обстоятельством является то, что у болезнетворных микробов под влиянием различных факторов изменяется степень их патогенности. Этой изменчивостью впервые воспользовался Л. Пастер. В 1881г. он получил впервые вакцину против сибирской язвы путём длительного выращивания микроба при повышенной температуре 42-43 °С.

Вирусы, как и бактерии, также обладают способностью под действием раз­личных факторов утрачивать полностью или частично свою вирулент­ность, сохраняя при этом свои иммуногенные свойства. Мутации, которые приводят к S-R-диссоциациям, относятся к инсерционным, поскольку они возникают после встраивания плазмид, транспозонов и Is-последовательно­стей, а также умеренных фагов в бактериальную хромо­сому.

Так, у дифтерийных бактерий S-R-диссоциация связана с их лизогенизацией соответствующими бактериофагами. При этом R – формы образуют экзотоксин.

Биологическое значение S-R-диссоциаций состоит в приобретении бактериями определённых селективных преимуществ, обеспечивающих их существование в организме человека или во внешней среде. S – формы более устойчивы к фагоцитозу макрофагами, бактерицидному действию сыворотки крови. R – формы обладают большей устойчивостью к факторам внешней среды. Вместе с тем S – R-диссоциация усложняет бактериологическую диагностику ряда инфекционных заболеваний.