2. Горизонтальный транспорт генов у бактерий в природных эко­системах и его роль в эволюции и систематике прокариот

Известны три основных способа, приводящих к ре­комбинации генетического мате­риала прокариот (конъюгация, трансформация и трансдукция), различающихся механизмами передачи хромосомной ДНК.

При конъюгации, для которой необходим непосред­ственный контакт между бакте­риальными клетками, осуще­ствляется направленный пере­нос генетического материала от клетки-донора в клетку-реципи­ент. Участки перенесенной от донора ДНК нахо­дят гомологичные участки в молекуле ДНК реципиента, между которыми происходит генетический обмен. В результа­те часть донорной ДНК встраивается (интегрируется) в геном ре­ципиента, а соответствующая часть реципиентной ДНК из него исключается.

При коньюгации переносчиком (вектором) генетической информации служат плазмиды.

Нехромосомные генетические элементы - плазмиды обнаружены у многих бактерий, принадлежащих к разным таксономическим группам.

Большинство плазмид классифицируют на основании тех бактерий- хозяев, которые привели к обнаружению этих плазмид. В шигеллах и сальмонеллах обнаружено, что генетические детерминанты устойчивости к лекарственным препаратам входят в состав трансмиссибильных плазмид, которые теперь называются R-факторами (от слова устойчивость). Данные плазмиды состоят из двух разных фрагментов ДНК: один из них называется фактор переноса устойчивости и несет гены, ответственные за репликацию и перенос плазмиды; другой фрагмент состоит из одного или нескольких соединенных последовательно детерминантов устойчивости.

Многие штаммы бактерий выделяют белковые токсины, называемые бактериоцинами. Они обладают активностью только в отношении близкородственных штаммов. Токсины этого типа, выделяемые кишечной палочкой, называют колицинами. Показано, что генетические детерминанты ряда колицинов содержатся в плазмидах и никогда не интегрируются с хромосомой. Эти плазмиды называются колициногенными Col-факторами грамположительных бактерий.

Имеют место пенициллиназные плазмиды из Staphilococcus aureus, плазмиды деградации из Pseudomonas, криптические (скрытые) плазмиды и т.д. Плазмиды, которые сообщают свом хозяевам способность к переносу хромосомных маркеров, но не обуславливают никаких других легко различимых признаков, названы F-факторами.

Количество плазмидной ДНК в клетке составляет обычно не более нескольких процентов от клеточного генома, а число плазмид колеблется от 1 до 38. Плаз­миды - это линейные или кольцевые ковалентно замкнутые молекулы ДНК, содержащие от 1500 до 40000 пар нуклеотидов. Отличительная особенность плазмид - способность к автономной репликации, поэтому минимальное количество ДНК, которое может быть названо плазмидой, - это фрагмент, обеспечивающий автономную репликацию плазмид­ной ДНК в клетке как единого целого.

Обычно о присутствии плазмид в бактериальной клетке судят по проявлению определенных признаков, к которым относится устойчивость к отдельным лекарственным препаратам, способность к переносу генов при конъюгации, синтез веществ антибиотической природы, способность использовать некоторые сахара или обеспечивать деградацию ряда веществ. Из перечисленного выше видно, что плазмиды делают возможным существований организмов в более широком диапазоне условий внешней среды, т.е. действуют как факторы адаптации.

Все известные способы передачи генетической информации с помощью плазмид создают огромные возможности для интенсивных генетических обменов между клетками различных бактерий. Плазмидам и другим нехромосомным генетическим элементам принадлежит основная роль в передаче генетической информации «по горизонтали».

Как редкое событие, происходящее с частотой 10^-4—10^-7, плазмиды или отдельные гены, входящие в их состав, могут включаться в бактериальную хромосому. Поскольку ДНК плазмиды и бактериальной клетки не имеют одинаковых нуклеотидных последовательностей, т. е. не являются гомологичными, рекомбинация между ними происходит не по механизму обмена, а по механизму встраивания. Рекомбинации такого типа происходят также с участием транспозонов и IS-элементов при их перемещении (транспозиции) в пределах хромосомы. Встраивание плазмид и мигрирующих элементов помимо того, что приводит к введению в хромосому дополнительного генетического материала, может вызывать мутации.

Трансформация бактерий заключается в переносе ДНК, выделенной из одних клеток, в другие, минуя контакт между ними, т.е. ДНК из окружающей среды проходит через мембрану в клетку. Спо­собность ДНК проникать в клетку-реципиент зависит как от при­роды самой ДНК, так и от физиологического состояния клетки-реципиента. Трансформирующей ДНК могут быть только высоко­молекулярные двухцепочечные фрагменты, при этом проникать в бактериальную клетку может ДНК, выделенная из разных биоло­гических источников, но включаться в геном - только ДНК с определенной степенью гомологичности. После того как экзоген­ный фрагмент ДНК, проникший в клетку, нашел гомологичный фрагмент ДНК клетки-реципиента, между ними происходит ге­нетический обмен аналогично тому, как это имеет место на по­следнем этапе конъюгации.

Трансдукция - способ передачи генетического материала от одной бактериальной клетки в другую с помощью умеренных фагов. Трансдукция оказывается возможной, если в процесс размножения фага одна из частиц случайно захватит фрагмент бактериальной хромосомы, как правило, содержащий очень небольшое число генов. Когда такая фаговая частица заражает бактерию-реципиент, бактериальная ДНК проникает в клетку таким же путем, как фаговая. Между трансдуцированной бактериальной ДНК и гомологичным участком бактериальной хромосомы может произойти обмен, и как следствие его возникают рекомбинанты, несущие небольшую часть генетического материала клетки-доно­ра.

Роль рекомбинации в эвалюции прокариот.

При генетических рекомбинациях новых генов в генофонде, как правило, не появляется. В этом их принципиальное отличие от мутаций. Значение генетических рекомбинаций в том, что в результате этого обеспечивается воз­можность объединения разных генов и создание разных вариантой генных сочетаний в геноме прокариотной клетки. Поскольку отбор действует на всю совокупность признаков организма, генетическая рекомбинация поставляет дополнительный материал действия отбора, ускоряя таким образом процесс эволюции.

Особенность организации генетической информации в мире прокариот - рассредоточение большого ее объема в нехромосомных элементах. Из этого следуют две существенно различающиеся возможности «горизонтального» обмена генетической информацией: первая связана с хромосомной, вторая – нехромосомной ДНК. Из трех основных процессов, приводящих у прокариот к обмену хромосомной ДНК, наиболее совершенным является процесс конъюгации, так как он обеспечивает возможность более полного обмена генетическим материалом двух клеток. Однако эффективность механизмов генетической рекомбинации в этих процессах высока для близкородственных прокариотных организмов. Обмен участками хромосомной ДНК у бактерий в большинстве случаев ограничен пределами одного вида. Возможность «горизонтальной» передачи генетической информации на большие таксономические расстояния peaлизуется при переносе нехромосомных молекул ДНК, способных к автономной репликации.

3. Масштабы генетического обмена у прокариот.

В настоящее время установлено что изменения патогенности у бактерий реа­лизуются на генетическом уровне через мутации и генетические рекомбинации. Полагают, что мутационный механизм эволюционно при этом менее значим, поскольку ассоциируется с медленными и постепенными адаптационными измене­ниями отдельной особи в новых условиях среды обитания. Например, наиболее существенны­ми для изменения болезнетворности условнопатогенных энтеробактерий, ввиду «скачкообразного» характера и кардиналь­ности происходящих превращений микро­организма, рассматривают генетические рекомбинации. Последние определя­ют геномную пластичность Enterobacteriaceae через несколько конкретных меха­низмов, связанных с IS-элементами (inser­tion sequences), транспозонами, интегронами, плазмидами, бактериофагами и, в особенности, с «островами» патогеннос­ти.

Вклад «островов» и «островков» пато­генности в увеличение вирулентности условнопатогенных бактерий и закреплении этих свойств в последующих поколениях связан с рядом особенностей этих генети­ческих элементов:

представляют собой кластеры генов патогенности (регуляторные и структур­ные);

у патогенных штаммов обнаруживаются всегда, у невирулентных — спорадически;

имеют отличающийся от хромосомы бактерии-хозяина («core genome») (G+C) состав;

представляют дискретную генетическую единицу, т.к. фланкированы малыми пря­мыми нуклеотидными повторами («DR-directly repeated»);

ассоциированы с 3'-областью локусов тРНК и/или IS-последовательностями;

содержат критические гены мобилизабельности и могут входить в состав бакте­риофагов, транспозонов и плазмид;

нестабильны.

Относительно недавно «острова» и «ос­тровки» патогенности были обнаружены у традиционно условнопатогенных бактерий. В частности, среди патогенных для человека вариантов E.coli обнаруже­ны «острова» патогенности, детерминиру­ющие ключевые этапы взаимодействия любого патогена с макроорганизмом, включая адгезию, продукцию токсинов, способность противостоять факторам не­специфической резистентности.

Рассмотрение патологии человека в рам­ках медицинской микробиологии свиде­тельствует о серьезных качественных и количественных изменениях в структуре инфекционной заболеваемости, что в значительной степени связывают с изме­нением патогенности бактерий, которую ассоциируют с структурным и регуляторным генам, сгруппированными в молибильные кластеры («островки» и «острова» патогенности). Группы этих генов способны к горизонтальному и верти­кальному перемещению, встраивание их происходит в строго определенные сайты бактериальной ДНК («горячие точки»). Полагают, что данный механизм изменений патогенности играет важную роль в формировании патогенных вариан­тов различных бактерий.

Поскольку гены тРНК и IS-элементы универсальны, то теоретически они опреде­ляют возможность передачи генов патоген­ности не только между штаммами одного вида, но и между штампами различных видов; (2) кластерный характер генов «ос­тровов» патогенности обеспечивает пере­дачу не только структурных генов, но и генов-регуляторов, что, наряду с фланкированностью генами тРНК, предполагает генетическую возможность экспрессии признака; (3) существование универсаль­ных механизмов транспорта биомолекул и его регуляции у бактерий делает теорети­чески возможной экспрессию бактериями одного вида генов, полученных от бакте­рий другого вида.

С «островами» патогенности принято ассоциировать такие механизмы генетической детерминированности у микроорганизмова как адаптация, симбиоз, деградация биополиме­ров, метаболизм, лекарственная устойчивость, секреторная функция.