6. Сравнительные особенности процесса конъюгации у разных типов бактерий.
Описание конъюгации - предыдущий вопрос.
Несмотря на то, что конъюгация у бактерий детально изучена лишь на примере производных авирулентного штамма Е. coli К12, это явление имеет, вероятно, исключительно важное значение в эволюции различных видов бактерий, обеспечивая им широкий спектр комбинативной изменчивости. Генетический обмен в форме конъюгации обнаружен у различных представителей родов Escherichia, Salmonella, Shigella, Vibrio, Pseudomonas, Pasteurella и др. Имеющиеся сведения о возможности скрещиваний доноров Е. coli К12 со штаммами Shigella, Salmonella, Pasteurella, Proteus и др. дают основание предполагать существенную роль межродовой гибридизации в возникновении атипичных форм патогенных бактерий. Большой практический интерес представляют также экспериментальные данные о передаче при внутривидовых, межвидовых и межродовых скрещиваниях различных бактерий конъюгативных плазмид, несущих детерминанты лекарственной устойчивости, бактериоциногенности, гемолитической активности, токсигенности, антигенных свойств и др. Эффективность экспериментальных скрещиваний бактерий в организме различных лабораторных животных позволяет считать, что К. у б. может происходить не только в окружающей среде, но и в организме человека и с.-х. животных.
Феномен конъюгации широко используется в генетике бактерий с целью картирования генов, т. е. определения их локализации на бактериальной хромосоме. На основании результатов прерываемых скрещиваний серии штаммов Hfr, клетки которых переносили реципиентам различные, но перекрывающие друг друга хромосомные сегменты, был сделан вывод о замкнутой (кольцевой) структуре хромосомы Е. coli К12 и составлена ее генетическая карта. Аналогичная карта построена для Hfr-штаммов Salmonella typhimurium, которые были получены при скрещиваниях с Е. coli К12 Hfr. Подобным же образом получены Hfr-штаммы шигелл и условно-патогенных эшерихий. Оригинальные конъюгативные плазмиды, способные обеспечивать эффективный хромосомный перенос, обнаружены у штаммов Vibrio cholerae, Pseudomonas aeruginosa и других патогенных бактерий. В результате таких исследований создаются предпосылки для проведения генетического анализа вирулентных, антигенных и других свойств бактерий.
7. Плазмиды и мигрирующие элементы.
Прокариоты – это организмы, в клетках которых отсутствует оформленное ядро. Функции ядра выполняет нуклеоид (то есть «подобный ядру»); в отличие от ядра, нуклеоид не имеет собственной оболочки.
Основу генома прокариот составляют кольцевые молекулы ДНК: прокариотические хромосомы и плазмиды.
Хромосомная подсистема прокариотического генома. Основу хромосомной подсистемы прокариотического генома составляет прокариотическая (бактериальная) хромосома (генофор), входящая в состав нуклеоида – ядерноподобной структуры. Нуклеоид занимает примерно 30% объема цитоплазмы.
Бактериальная хромосома представляет собой кольцевую двуспиральную правозакрученную молекулу ДНК, которая свернута во вторичную спираль. Вторичная структура хромосомы поддерживается с помощью гистоноподобных (основных) белков и РНК. Точка прикрепления бактериальной хромосомы к мезосоме (складке плазмалеммы) является точкой начала репликации ДНК. Бактериальная хромосома удваивается перед делением клетки. Молекулы ДНК, способные себя воспроизводить путем репликации, называются репликоны. У типичных прокариот в неделящейся клетке имеется одна бактериальная хромосома. Поэтому прокариоты в целом являются гаплоидами (гаплобионтами).
Длина прокариотической хромосомы составляет несколько миллионов нуклеотидных пар (мпн); например, минимальная длина ДНК прокариотической хромосомы E. coli штамма MG1655 составляет 4639221 пн (физическая длина около 1,5 мм).
У типичных прокариот в неделящейся клетке имеется одна бактериальная хромосома. Поэтому прокариоты в целом являются гаплоидами (гаплобионтами).
Плазмиды - небольшие молекулы ДНК, физически отдельные от геномных хромосом и способные реплицироваться автономно. Как правило, плазмиды встречаются у бактерий и представляют собой двухцепочечные кольцевые молекулы, но изредка плазмиды встречаются также у архей и эукариот.
Попадание плазмиды в клетку может осуществляться двумя путями: либо при непосредственном контакте клетки-хозяина с другой клеткой в процессе конъюгации, либо путём трансформации, то есть искусственного введения в клетку плазмиды, которому предшествует изменение экспрессии определённого гена клетки-хозяина (приобретение клеткой компетентности).
Плазмиды придают клеткам целый ряд особых свойств. Некоторые плазмиды являются "факторами резистенции", т.е. факторами, придающими устойчивость к антибиотикам. Примером может служить пенициллиназная плазмида стафилококков, которая трансдуцируется различными бактериофагами. В этой плазмиде содержится ген, кодирующий фермент пенициллиназу, которая разрушает пенициллин и, таким образом, придает устойчивость к пенициллину.
F-плазмида – фактор фертильности, перенос генетического материала при конъюгации (содержит 19 генов). Находясь в интегрированном состоянии (включаясь в хромосому), эти факторы сообщают клетке-хозяину способность передавать хромосомные маркеры. Клетка после интеграции в её ДНК F-плазмиды приобретает свойства Hfr-клетки, то есть способна с высокой частотой направленно передавать свои гены другим клеткам;
R-плазмиды – фактор резистентности, устойчивость к антибиотикам;
Col –плазмиды - содержат гены бактериоцинов — белков, подавляющих жизнедеятельность бактерий других разновидностей. Средство борьбы за существование. Название плазмиды происходит от англ. Colicinogeny — колициногенность, т.е. способность продуцировать колицин. Колицином был назван первый открытый бактериальный токсин, направленный против других бактерий. Он был обнаружен у бактерии E.coli, а потому назван колицином. Позднее подобные по функции вещества были найдены у многих других бактерий. Тогда класс веществ получил более точное название бактериоцинов.
Мигрирующие генетические элементы — отдельные участки ДНК, способные осуществлять собственный перенос (транспозицию) внутри генома. Транспозиция связана со способностью мигрирующих элементов кодировать специфический фермент рекомбинации — транспозазу.
Вставочные (инсерционные) последовательности [IS-элементы (англ. insertion, вставка, + sequence, последовательность)] — простейший тип мигрирующих элементов (рис. 4-15, А); их величина не превышает 1500 пар оснований (в среднем 800-1400). IS-элементы самостоятельно не реплицируются и не кодируют распознаваемых фенотипических признаков. Содержащиеся в них гены обеспечивают только их перемещение из одного участка в другой.
Основные функции IS-последовательностей — регуляция активности генов бактериальной клетки (могут инактивировать гены, в которые включились, или, встраиваясь в хромосому, проявлять эффект промотора, включающего либо выключающего транскрипцию соответствующих генов), индукция мутаций типа делеций или инверсий (при перемещении) и дупликаций (при встраивании в хромосому), координация взаимодействий плазмид, траспозонов и профагов (как между собой, так и бактериальной хромосомой).
Транспозоны (Tn-элементы) состоят из 2000-25 000 пар нуклеотидов, содержат фрагмент ДНК, несущий специфические гены, и два концевых IS-элемента (рис. 4-15, Б). При включении в ДНК бактерий транспозоны вызывают дупликации, при выходе из определённого участка ДНК— делеций, при выходе и включении обратно с поворотом фрагмента на 180 градусов— инверсии. Транспозоны не способны к самостоятельной репликации и размножаются только в составе бактериальной хромосомы.
Каждый транспозон обычно содержит гены, привносящие важные для бактерии характеристики типа множественной устойчивости к антибактериальным агентам. Поскольку транспозоны содержат гены, определяющие фенотипически выраженные признаки (например, устойчивость к антибиотикам), то их легче обнаружить, чем IS-элементы. В общем, для транспозонов характерны те же гены, что и для плазмид (гены устойчивости к антибиотикам, токсинообразования, дополнительных ферментов метаболизма).
Умеренные и дефектные бактериофаги также могут быть факторами изменчивости, напоминая по своим свойствам интегрированные плазмиды. Встраиваясь в бактериальную хромосому в форме профага (провируса), они вызывают лизогенизацию бактерий, которые могут приобретать новые свойства.
Бактериофаги, как мигрирующие генетические элементы. В некоторых ситуациях факторами изменчивости могут быть умеренные, или дефектные, фаги, поскольку они могут встраиваться в хромосому (состояние профага) и выходить из неё, захватывая иногда и гены хромосомы клетки-хозяина. Например, u-бактериофаг сходен с IS-элементами и транспозонами, так как способен включаться практически в любой участок бактериальной хромосомы, привнося свой генетический материал и вызывая мутагенный эффект. Сохраняя все типичные свойства фага, р-бактериофаг можно рассматривать как гигантский транспозон.