1 из 7

Глава 8

Генетика бактерий 

Генетика бактерий – наука, изучающая закономерности наследственности и изменчивости прокариотических микроорганизмов. Зна-чение генетики бактерий в теории и практике медицины огромно. На модели геномов бактерий было установлено, что материальной основой наследственности является дезоксирибонуклеиновая кислота; была расшифрована её структура, открыт генетический код, установлены зако-номерности наследственности и изменчивости. Данные генетики бактерий позволили установить механизмы передачи патогенных свойств и устойчивости к лекарственным препаратам; они составили теоретическую базу генной инженерии и биотехнологии. 

§ 1. Различия геномов прокариот и эукариот.

Геномы и способы реализации генетической информации прокариот и эукариот имеют существенные различия/ 

Сравнительная характеристика генетических признаков прокариот и эукариот 

Признак	Прокариоты	Эукариоты
Геном	Гаплоидный	Диплоидный
Структура хромосомы	Кольцевая	Линейная
Число генов в геноме	До 4000-5000	5000-100000 и более
Явление доминантности генов	Нет	Есть
Плазмиды	Есть	Отсутствуют у высших эукариот
Митоз	Без образования системы вере-тена деления	С образованием системы веретена деления
Мейоз	Не встречается	Характерен
Транспозоны	Имеются	Отсутствуют
Вставки-последовательности	Имеются	Отсутствуют
Связь механизмов переноса и рекомбинации генов с гаметогенезом и образованием зигот	Отсутствует	Имеется
Передача генетической информации по горизонтали	Характерна	Не характерна
Содержание ДНК в интерфазе	Непостоянно (может увеличи-ваться по массе в 2-8 раз)	Постоянно
Одновременное присутствие в клетке ДНК и РНК	Постоянно	Постоянно
Направление потока генетической информации	ДНК – РНК – белок	ДНК – РНК – белок

§ 2. Организация генетического материала бактериальной клетки.

Генетический материал бактерий представлен нуклеоидом, плазмидами, транспозонами и вставками-последователь-ностями. 

Нуклеоид, или бактериальная хромосома, представляет собой двухнитевую кольцевую ДНК, не отделённую мембраной от цито-плазмы. Нуклеоид фиксирован специальными рецепторами к цитоплазматической мембране вблизи мезосомы – инвагинации мембраны,участвующей в делении клетки. Молекулярная масса ДНК у бактерий сравнительно велика и составляет, в среднем, 1010 Д (5*106 пар основа-ний; геном человека составляет 2,9*109 пар оснований). Молекула хромосомной ДНК находится в суперспирализованной форме и свёрнута в виде петель, число которых составляет 12-80 на хромосому. Петли в центре нуклеоида объединены за счёт молекулы 4,5S-РНК. Такая упаков-ка ДНК не препятствует её репликации и обеспечивает постоянную транскрипцию отдельных оперонов. Нуклеоид является жизненно необ-ходимой генетической структурой, поскольку содержит информацию, нужную для обеспечения конструктивного и энергетического метабо-лизма бактерий. При благоприятных условиях количество копий ДНК в интерфазе может увеличиваться и достигать значений, эквивалент-ных по массе 2, 4, 6 и даже 8 нуклеоидам. Это уникальное свойство бактериального генома позволяет бактериям регулировать метаболизм искорость собственного размножения.  

Нуклеоид состоит из структурно-функциональных фрагментов ДНК – генов, каждый из которых контролирует синтез 1 белка (рис. 1). Гены в нуклеоиде бактерий расположены дискретно – последовательно один за другим. Число генов достигает 400-600 у хламидий, 1000 – у риккетсий, 2500-3000 – у кишечной палочки.  

Структурно-функциональная организация бактериальной ДНК 

Ген-регулятор	Ген-оператор	1-й ген-цистрон	2-й ген-цистрон	3-й ген-цистрон
	Промотор	Энхенсор	Аттенуатор	Терминатор

Гены, несущие информацию о синтезируемых бактерией ферментах или структурных белках, называютсяструктурными генами, или генами-цистронами. Гены-цистроны управляются функциональным геном –геном-оператором, с которым гены-цистроны образуют более сложную структурно-функциональную единицу ДНК – оперон. В пределах гена-оператора находятся следующие элементы: промотор (область, с которой взаимодействует РНК-полимераза),энхенсор (область, усиливающая транскрипцию оперона); аттенуатор(область, ослабляющая работу оперона),терминатор (область, блокирующая работу оперона). В свою очередь, оперон или группа оперонов находят-ся под управлением 1 гена-регулятора. Так образуется более сложная структурно-функциональная единица – регулон.  

Гены, содержащие информацию о том или ином соединении, принято обозначать строчными начальными буквами латинского алфа-вита со знаком «+», соответствующими названию данного соединения. Например, arg+ - аргининовый ген, his+ - гистидиновый ген, lac+ - лак-тозный ген и т.д. Отсутствие данного гена обозначают знаком «-» (arg-, his-). Гены, обусловливающие резистентность к лекарственным препа-ратам, фагам, обозначают буквой r (от англ. resistant –резистентный). Например, резистентность к пенициллину записывают penr, а чувстви-тельность – pens (от англ. sensitive – чувствительный).  

К внехромосомным факторам наследственности у бактерий относятся плазмиды, транспозоны, вставки-последовательности. В отли-чие от нуклеоида, все они не являются жизненно необходимыми для бактерий, поскольку не несут информации о синтезе ферментов, участ-вующих в энергетическом или конструктивном метаболизме. Вместе с тем, внехромосомные факторы наследственности способны наделятьбактерии определёнными селективными преимуществами.  

Плазмиды представляют собой кольцевые суперспирализованные молекулы двухнитевой ДНК, содержащие 1500-400000 пар нук-леоидов. Молекулярная масса бактериальных плазмид составляет 106-108 Д. Плазмиды могут содержать до 90 генов, которые контролируют

2 из 7

саморепликацию плазмид, их самоперенос или мобилизацию на перенос, специфические функции самой плазмиды, а также свойства, при-вносимые в бактериальную клетку. Плазмиды, свободно расположенные в цитоплазме, называются автономными. Они имеют кольцевую структуру, реплицируются независимо от нуклеоида и могут быть представлены несколькими копиями. Плазмиды, встроенные в нуклеоид, называютсяинтегрированными. Такие плазмиды имеют линейную структуру, реплицируются синхронно с нуклеоидом и представлены 1 копией. Интеграция плазмид происходит только в гомологичные участки бактериальной хромосомы. 

В зависимости от способности передаваться при конъюгации от одной бактерии к другой плазмиды разделяют на конъюгативные и неконъюгативные. Конъюгативные плазмиды способны к самопереносу, то есть не только могут переходить от клетки-донора к клетке-реципиенту, но и отвечают за образование конъюгативных пилей (F-плазмиды). Неконъюгативные плазмиды передаются дочерним бактери-ям при бинарном делении материнской клетки, при трансформации и трансдукции. Неконъюгативные плазмиды неспособны самостоятельноиндуцировать конъюгацию, но могут быть перенесены при конъюгации из одной бактерии в другую в случае интеграции с конъюгативнымиплазмидами.  

Плазмиды осуществляют 2 функции – регуляторную и кодирующую. Первая заключается в компенсации нарушений структуры ДНК нуклеоида посредством встраивания в повреждённый участок и восстановления его функций. Кодирующая функция плазмид состоит во вне-сении в бактериальную клетку новой генетической информации, что проявляется появлением у бактерий нового признака (например, устой-чивости к антибиотикам). 

Классификация плазмид основана на том, что родственные плазмиды неспособны стабильно сосуществовать в одной клетке, одна из них подвергается элиминации. Несовместимые плазмиды объединяют в одну inc-группу (от англ. incompatibility– несовместимость). Inc-группа соответствует биологическому виду. Например, плазмиды энтеробактерий разделены на 39 inc-групп (incB, incC, incD и т.д.). Плазми-ды, относящиеся к одной и той же inc-группе, имеют сходную молекулярную массу, высокую степень гомологии ДНК, наделяют клетку по-добными морфологическими и серологическими свойствами.  

По функциональной направленности выделяют: конъюгативные (F-), резистентности (R-), бактериоциногенные (Col-), патогенности (Ent-, Hly-), биодеградативные и криптические плазмиды.  

F-плазмиды (от англ. fertility – плодовитость) содержат гены, контролирующие образование конъюгативных пилей (F-пилей), необхо-димых при конъюгации бактерий-доноров (F+) с бактериями-реципиентами (F-). Перенос генетического материала у F-плазмиды детермини-рует tra-оперон (от англ.transfer – перенос). F-плазмиды могут находиться как в автономном, так и в интегрированном состоянии. Автоном-ные F-плазмиды реплицируются независимо от нуклеоида и способны передаваться клеткам-реципиентам при конъюгации. Интегративное состояние F-плазмиды обратимо.  

R-плазмиды (от англ. resistance – устойчивость) содержат гены, обеспечивающие бактериям устойчивость к лекарственным препара-там. R-плазмиды относятся к конъюгативным плазмидам, поскольку, наряду с генами резистентности, содержат все гены, ответственные заперенос факторов устойчивости из клетки в клетку. За устойчивость к какому-либо антибиотику отвечает r-ген, в состав которого могут вхо-дить вставки-последовательности и транспозоны. Многие r-гены являются транспозонами. Tra-оперон R-плазмид обеспечивает их конъюга-тивность.  

Бактериоциногенные плазмидысодержат гены, кодирующие белки бактериоцины, которые вызывают гибель бактерий того же вида или близких видов. Первые бактериоцины – колицины были обнаружены уEscherichia coli (отсюда Col-плазмиды). Подобные бактериоцины выявлены у бактерии чумы (пестицины), стафилококков (стафилоцины), холерных вибрионов (вибриоцины). Бактериоцины способствуютвыживанию бактерий, их продуцирующих, подавляя жизнедеятельность конкурентных микроорганизмов. Бактериоциногенные плазмиды относительно крупные (молекулярная масса 25-150*106 Д), присутствуют в бактериальной клетке в количестве 1-2 копий, преимущественно в автономном состоянии; конъюгативны (имеют tra-оперон). Широко распространены среди грамотрицательных бактерий.  

Плазмиды патогенности контролируют токсинообразование и вирулентные свойства бактерий. К ним относятся Ent-плазмиды (обусловливают синтез энтеротоксинов), Hly-плазмиды (кодирует синтез гемолизинов), CFA-плазмиды (контролируют адгезию, колониза-цию и некоторые антигены), а также F-, R- и Col-плазмиды, содержащие tox-гены, отвечающие за токсинообразование.  

Биодеградативные плазмиды содержат гены, кодирующие сахаролитические, протеолитические и другие ферменты, позволяющие разрушать органические и неорганические соединения, в том числе содержащие тяжёлые металлы. Наличие плазмид биодеградации у пато-генных или условно-патогенных для человека бактерий придаёт им преимущество перед представителями аутохтонной микрофлоры. Например, кишечная палочка, содержащая плазмиду биодеградации с геном уреазы, способна ферментировать мочевину и выживать в моче-половом тракте. 

Криптические (скрытые) плазмиды не содержат генов, которые можно было бы выявить по их фенотипическому проявлению.  

Плазмиды – это наипростейшие организмы, лишённые оболочки, собственных систем синтеза белка и мобилизации энергии ипредставляющие собой класс абсолютных внутриклеточных паразитов, наделяющих своих бактерий-хозяев полезными для них свойствами. Плазмиды, как и вирусы, неспособны к росту и бинарному делению, они размножаются путём воспроизведения себя из соб-ственного генома. Специфические признаки плазмид, отличающие их от вирусов, представлены в табл. 2. 

Сравнительная характеристика плазмид и вирусов 

Признак	Плазмиды	Вирусы
Тип генома	Только двухнитевая ДНК (в автономном со-стоянии – кольцевая, в интегрированном – ли-нейная)	Только РНК или ДНК. Более 10 вариантов РНК- и ДНК-геномов (линейные, кольцевые, одно-,двухнитевые, цельные, фрагментированные)
Наличие белковой оболочки	Отсутствует	Имеется
Синтез белков в процессе размно-жения	Отсутствует	Имеется
Среда обитания	Только бактерии	Бактерии, растения, животные
Наличие генов переноса или моби-лизации на перенос из клетки вклетку	Имеются	Отсутствуют
Генетический контроль числа копийгеном на хромосому клетки-хозяина	Имеется	Отсутствует

3 из 7

Генетический контроль равномер-ности распределения в дочернихклетках-хозяевах	Имеется	Отсутствует
Генетический контроль стабильногосохранения в клетке-хозяине	Имеется	Отсутствует
Последствия инфицирования кле-ток	Функции бактериального генома не подавля-ются, контролируемое размножение, отсут-ствие гибели клеток; наделение бактерий свой-ствами, обеспечивающими их размножение внеблагоприятных условиях	Подавление функционирования клеточного ге-нома, бесконтрольное размножение, гибель клет-ки; персистирование, наделение умеренными фа-гами клеток дополнительными свойствами.

Траспозоны или Тn-элементы (от англ.transposition – транспозиция, изменение своего местоположения) представляют собой линей-ные фрагменты ДНК, состоящие из 2000-25000 пар нуклеотидов (рис. 2).  

В состав транспозона входят: (1) транспозируемые структурные и/или функциональные гены; (2) 2 вставки-последовательности (Is-элементы); (3) прямые повторяющиесяпоследовательности (ограничивающие транспозоны). Транс-позоны находятся на нуклеоиде и плазмидах, способны пере-мещаться по их ДНК, переходить с нуклеоида на плазмиду и, наоборот, с плазмиды на плазмиду или умеренный фаг, а так-же интегрировать в них. Для интеграции транспозонов не тре-буется гомологии ДНК, вследствие чего Тn-элементы могут встраиваться в ДНК почти случайно, приобретая удивитель-ное сходство с провирусами. Транспозоны, находящиеся всвободном состоянии (несвязанном с ДНК плазмид и нуклео-ида), являются кольцевыми структурами, неспособными к саморепликации. Транспозоны реплицируются только в составе бактериальной хромосомы или плазмиды. Распространение транспозонов по вертикали происходит при бинарном делении бактериальной клетки, распро-странение по горизонтали осуществляется при рекомбинациях. Транспозоны несут 2 функции: кодирующую и регуляторную. Кодирующая функция состоит в несении генов устойчивости к антибиотикам, синтеза токсинов, ферментов метаболизма и др. Регуляторная функция транспозонов заключается в способности влиять на функциональную активность генов нуклеоида и плазмид (активировать или блокировать гены). При интеграции транспозонов в ДНК бактерий они вызывают в ней дупликации, при перемещении – делеции и инверсии. Наличие утранспозонов специфических концевых последовательностей позволяет обнаружить Tn-элементы в клетках растений, беспозвоночных и по-звоночных животных, в том числе и у человека.  

Вставки-последовательности или Is-элементы (от англ. insertion – вставка иsequence – последовательность) представляют собой линейные фрагменты ДНК, содержащие 800-1500 пар нуклеоидов. Структурная организация Is-элементов представлена на рис. 3. 

Вставки-последовательности в свободном состоянии не обнаруживаются. Is-элементы локализуются на нуклеоиде, плазмидах, умеренных фагах, входят в состав транспозонов. Is-элементы - простейший тип мигрирующих элементов, пере-мещающихся как единое целое вдоль ДНК репликонов (нук-леоид, плазмида). Самостоятельно реплицироваться не могут. Вставки-последовательности не содержат генов, кодирующих фенотипические признаки, что затрудняет выявление Is-элементов. В их состав входят гены, обеспечивающие транс-позицию, контролирующие её частоту и сайт-специфическую рекомбинацию. Механизмы транспозиции реализуются редко – один раз каждые 105-107 генераций. Is-элементы способныинтегрировать в бактериальный геном путём репликативной рекомбинации. При этом происходит удвоение Is-элемента и встраивание 1 копии в ДНК в специфическом месте. Регулирующая функция Is-элементов включает: (1) изменение активности бактериальных генов (активацию или угнетение генов); (2) регуляцию взаимодействия нук-леоида, плазмид, траспозонов и умеренных фагов; (3) индукцию мутаций типа делеций или инверсий (при перемещении) и дупликаций (приинтеграции в нуклеоид).