3 Конъюгация у грамположительных бактерий

Все рассмотренные выше механизмы конъюгации присущи исключительно грамотрицательным бактериям. Однако и у некоторых грамположительных бактерий также установлена способность к конъюгации, но механизм данного явления в этом случае несколько другой, причем к настоящему времени ещё недостаточно изученный.

В частности, у стафилококков обнаружена конъюгативная передача плазмиды рр01, обуславливающей резистентность бактерий к триметоприму и гентамицину. В этой плазмиде обнаружена область 1га, имеющая размер 14 т.п.н. Установлена точка начала переноса и определен сайт разрезания ДНК. В то же время ничего не известно относительно механизма образования межклеточного контакта. С помощью электронной микроскопии на поверхности клеток стафилококков не обнаружено ни пилей, ни каких - либо иных структур, связанных с конъюгацией.

Процесс конъюгации у энтерококков наиболее изучен для плазмиды рСРЮ, кодирующей устойчивость к тетрациклину. Важной особенностью конъюгационного переноса плазмид у энтерококков является участие в

40

образовании контакта между донорными и реципиентными клетками так называемых плазмидспецифических половых феромонов, которые секретируются не содержащими плазмиды клетками. Данные клетки секретируют одновременно целый ряд (5 и более) плазмидспецифических половых феромонов различных типов. Для обеспечения конъюгационного переноса конкретной плазмиды соответствующий феромон индуцирует синтез клетками-донорами ряда белков, вызывающих агрегацию клеток и активирующих механизм процессинга ДНК при конъюгативном переносе плазмид. Приобретение клеткой плазмиды приводит к прекращению синтеза ею данного специфического феромона.

ЛЕКЦИЯ 7

7. Транспозирующиеся (мигрирующие) элементы прокариот

Вопросы

1. Общая характеристика

2 18-элементы

3 Транспозоны

4 Конъюгагивные транспозоны

5 18-элементы и транспозоны в плазмидах

6 Значение транспозирующихся генетических элементов для эволюции микроорганизмов

1. Общая характеристика

Согласно представлениям, сложившимся в рамках классической (формальной) генетики, геномы различных организмов характеризуются значительной стабильностью и подвержены лишь очень медленным эволю­ционным преобразованиям. Эти представления существенно изменились в связи с открытием транспозирующихся (мигрирующих) генетических элементов (фрагментов ДНК), которые могут перемещаться как в пределах одного генома, так и из одного генома в другой. Способность к транспозиции закодирована в нуклеотидных последовательностях самих мигрирующих фрагментов ДНК и связана с возможностью их включения (интеграции) в различные места (сайты) хромосом и внехромосомных молекул ДНК и

41

выхода («вырезания») из этих сайтов. Такие мобильные структуры были обнаружены в геномах как прокариот, так и эукариот.

Транспозирующиеся элементы первоначально были открыты при обнаружении вставок (инсерций) нового материала в пределах бактериальных оперонов. Такие вставки локализовались внутри гена и предотвращали его транскрипцию и (или) трансляцию. Позднее было установлено, что транспозирующиеся элементы могут непосредственно влиять на геном хозяина, поскольку способны внедрятся не только внутрь генов, но и в близко прилегающие участки, нарушая генную структуру или подчиняя экспрессию этих генов новым регуляторным элементам. Рекомбинация между двумя копиями одного и того же мобильного элемента может приводить к делециям, дупликациям, амплификациям, инверсиям и транспозициям сегментов генома. Мобильные элементы вызывают многие хромосомные мутации и обуславливают их высокую частоту.

У бактерий транспозирующиеся генетические элементы представлены сегментами ДНК двух типов - инсерционными (вставочными) последовательностями или 18-элементами и транспозонами. Те и другие могут перемещаться в границах одной генетической структуры (бактериальной хромосомы, плазмиды) либо из одной структуры в другую например, из хромосомы в плазмиду, из плазмиды в хромосому, из оной плазмиды в другую плазмиду, из плазмиды бактерии одного вида в плазмиду либо хромосому бактерии другого вида и т.д.).

2 18-элементы

Первая группа транспозирующихся генетических элементов получила название инсерционных последовательностей. Каждый тип инсерционной последовательности обозначается префиксом 18, далее следует номер, соответствующий именно этому типу, например, 181, 182, 183 и т.д. 18-элементы были открыты Старлинжером, Сердлером и Шапиро в начале 70-х годов. Они являются нормальными компонентами бактериальной хромосомы и плазмид. В частности, один стандартный штамм кишечной палочки

42

содержит 5-10 копий 181, 4-8 копий 182, 10-12 копий 1810 ряд других. Для обозначения инсерции в определенном сайте используется двоеточие; так, обозначение лямбда:: 181 показывает, что 181-элемент внедрен в геном фага лямбда.

Ген, кодирующий транспозазу-белок, необходимый для перемещения

Рис. 1 18 - элемент кишечной палочки

Строение типичного 18-элемента представлено на рис. 1. 18-элемен-ты - это небольшие участки ДНК, размеры которых обычно варьируют в пределах порядка от 750 до 1550 пар нуклеотидов. На концах (на флангах) этих участков имеются одинаковые либо очень сходные короткие нуклеотидные последовательности (20-40 пар нуклеотидов), расположенные в обратном порядке (инвертированные повторы или 1К-последовательности). Считают, что ^-последовательности играют важную роль в процессах перемещения транспозирующихся элементов. В центральной части все 18-элементы содержат ген, кодирующий синтез белка, названного транспозазой.

В процессе перемещения 18-элементов происходит точное копирование уже встроенного элемента, затем старая копия остается на месте, а вновь синтезированная внедряется в новый сайт. Репликация новой копии происходит с использованием энзимов репликационной машины клетки-хозяина. Процесс транспозиции осуществляется с использованием транспозазы, которая распознает 1К-последовательности, где и инициируется транспозиция.

43

Внедрение 18-элемента в новый локус сопровождается дупликацией (прямой повтор) последовательностей из нескольких нуклеотидов (5-9 п.н.) данного локуса. Число дуплицированных нуклеотидов специфично для каждого 18-элемента.

Разные 18-элементы являются типичными обитателями бактерий и обычно выявляются в количествах, превышающих одну копию на клетку. Наличие идентичных 18-элементов в разных бактериальных структурах (хромосомах, плазмидах) создает основу для их взаимодействия по механизму сайт-специфической рекомбинации, что может приводить к объединению (коинтеграции) таких структур, либо к генетическому обмену между ними. В отличие от генетической рекомбинации общего типа, требующей наличия значительных областей гомологии ДНК у двух взаимодействующих родственных структур, сайт-специфическая рекомбинация основана на том, что соответствующий фермент (транспозаза) узнает небольшие специфические последовательности в двух местах (сайтах) одной, либо разных молекул ДНК, где и происходит процесс рекомбинации. Следовательно, такая рекомбинация может приводить к генетическому обмену между неродственными структурами (хромосомами, плазмидами).

В целом, 18-элементы представляют собой простейший класс транспозонов; их генетические функции связаны только со способностью к транспозиции.