4. Механизмы, контролирующие генетическую изоляцию бакте­риального генома.

Несмотря на то, что в прокариотной клетке предрасположенность к мутационным изменениям заложена в химическом строении молекулы ДНК, существуют механизмы контролирующие генетическую обособленность бактериального генома. К таким относятся ненаследственные полезные для организма и способствующие его выживанию в изменившихся условиях. Данные изменения называют модификационные. Действие их происходит на уровне фенотипа и не затрагивает клеточный генотип.

Кроме того, в клетке находятся активные нуклеазы, которые расщепляют как собственные нуклеиновые кислоты, когда они становятся не нужны, так и попавшие в клетку извне.

Защита клетки от чужеродной ДНК осуществляется с помощью рестрикции, благодаря действию ферментов эндонуклеаз, расщепляющих нить ДНК. Они обеспечивают стабильность генома. Эндонуклеазы распознают короткие, длиной 4-6 пар оснований, последовательности и разрывают в этом месте двойную нить чужеродной ДНК. Такие последовательности могут оказаться и в собственной ДНК, и она защищает от саморестрикции модификацией ДНК, например метилированием или введением дополнительного основания.

Наиболее общим механизмом защиты ДНК служит вырезание поврежденного участка и репарация пробела комплементарно сохранившейся нити. Эндонуклеаза гидролизует фосфатные связи на несущей мутацию нити, а затем ДНК – полимераза I восстанавливает пробел. Распознавание поврежденных участков осуществляет SOS-система, вступающая в действие тогда, когда вилка репликации попадает на поврежденное место.

Обмануть систему рестрикции, например при инфекции фагом, удается в том случае, если фаговая ДНК будет сохраняться достаточно долго в хозяине, чтобы подвергнуться модификации. Такой модификационный фаг окажется высоковерулентным. Благодаря наличию системы рестрикции - модификации в клетке приобретение генетической информации извне представляет редкое событие.

Метастабильность фенотипа у бактерий и ее роль в изменчиво­сти и систематике прокариот.

Понятие "метастабильность фенотипа" пока строго не определено. Возможно, однако, что оно имеет некоторые преимущества по срав­нению с другими, так как не только описывает феномен, но и указывает на его биологический смысл: "метастабильность" в буквальном смысле то, что за стабильностью, а в интерпретации со­временной синэргетики - "стабильность путем нестабильности".

Как видно из используемой терминологии, речь идет об изменчивости микроорганизмов и возникающей в результате этого гетерогенности их популяций. Наиболее изучены (и, вероятно, наиболее распространены) эти процессы у бакте­рий, хотя сходные феномены известны и у дрож­жей, и простейших. Говоря точнее, речь идет об изменчивости особого типа. В качестве харак­терных ее черт, как правило, выделяют высокую частоту этого процесса, до 1 события на 100 кле­ток/генерацию, хотя в от­дельных случаях она не превышает частоты спонтанных мутаций. В целом следует при­знать, что этот показатель варьирует.

Более характерна для метастабильности до­статочно высокая частота реверсий к исходному фенотипу, что отличает этот тип изменчивости от обычных спонтанных мутаций. За счет этого и создается динамичная гетерогенность популяции, которая только и может быть основой ее ста­бильности в нестабильной среде. Из ска­занного выше следует очевидный вывод - эта из­менчивость не случайная, как обычные спонтан­ные мутации, а запрограммированная, и это является основной характеристикой феномена метастабильности фенотипа.

Естественно, возникает вопрос: почему "мета­стабильность фенотипа", а не генотипа? Действи­тельно, во всех изученных до сих пор случаях в ос­нове феномена метастабильности находятся ге­нетические процессы, чаще всего разного типа перестройки ДНК, реже - регуляция на эпигене­тическом уровне, реализуемая, например, путем ферментативной модификации ДНК. Нуж­но, однако, учитывать, что понятие "метаста­бильность генотипа" значительно шире. Оно, очевидно, включает процессы генерации генети­ческого разнообразия, результаты которых не запрограммированы, а случайны, например гене­тические перестройки, служащие базой появле­ния адаптивных мутаций, и другие аналогичные процессы в неразмножающихся клетках.

Анализ процессов, которые могут быть отне­сены к феномену метастабильности фенотипа, показывает их чрезвычайное разнообразие.

Стоит отметить, что метастабильность фено­типа не является только прерогативой бактерий, взаимодействующих с иммунной системой выс­ших организмов. Сапрофитам, обитающим в не­стабильной среде, она свойственна в не меньшей степени, хотя намного меньше изучена. Сущест­венно, что метастабильность фенотипа проявля­ется у бактерий, реализующих различную эколо­гическую стратегию (например у псевдомонад и родококков).

В настоящее время уже не вызывает сомнений существование отбора, формирующего вариа­бельность фенотипа вида как механизм адапта­ции к альтернативным условиям. Генетичес­кая запрограммированность метастабильности фенотипа у прокариот является этому еще одним доказательством. Очевидно, что она играет ог­ромную роль как в эволюции, так и в экологии бактерий.

Следует подчеркнуть, что описанный феномен не является чем-то уникальным и свойственным только бактериям, однако осо­бенность метастабильности у прокариот состоит в том, что эта изменчивость, по крайней мере в нескольких хорошо изученных процессах, не ин­дуцируется условиями среды, которая контроли­рует лишь частоту событий и их направленность.

Важной особенностью процессов метаста­бильности является широкое разнообразие гене­тических механизмов, на которых они основаны. Тот факт, что эволюцией использованы даже та­кие, казалось бы, неподходящие для программи­руемой изменчивости механизмы, как делеции и инсерции, а также межорганизменные взаимо­действия в популяции, лишний раз подчеркивает важную роль в эволюции бактерий отбора, фор­мирующего способность к спонтанной экспрес­сии альтернативных фенотипических вариантов в рамках одного генотипа.

Метастабильность - это не только способ взаимодействия организма с возможным и "предвидимым" изменением кон­кретного и частного фактора среды (например синтеза очередного антитела организмом хозяи­на), но и необходимости адаптации к альтерна­тивной экологической нише. Неудивительно, что старая систематика микроорганизмов иногда вос­принимала различия между фенотипическими ва­риантами как различия видового уровня.

Не исключено, что мы имеем дело с механиз­мом взаимодействия организмов с меняющейся средой, альтернативным адаптации и стратегии ответов на внешние сигналы. Можно допустить, что процессы индук­ции синтеза ферментов, физиологических отве­тов на стрессы, других типов регуляции метабо­лизма внешней средой слишком медленны и затратны для реальных природных условий существования одноклеточных организмов, и эволюция позаботилась о формировании ауто­генной опережающей активности, причем такая активность может быть специфической ("целена­правленной") и хаотической, "слепой".

Роль адаптивных мутаций в эволюции и филогении микроор­ганизмов.

Современный этап проблемы адаптивных му­таций у микроорганизмов начинается статьей Кернса с соавт.. Опубликованная в 1988 г. она сразу же вызвала обостренный интерес, так как, ни много - ни мало, опровергала центральную догму синтетической теории эволюции, утверж­дающую, что исходным материалом для естест­венного отбора являются мутации, которые воз­никают с определенной частотой в случайных участках генома, не зависят от действия среды и потому никак не ориентированы на направление действия отбора. Работа Кернса с коллегами не­двусмысленно показала, что это не так. Кроме того, она разрушила еще одну, не менее фунда­ментальную, догму генетики, гласившую, что ос­новным источником мутаций являются ошибки при репликации ДНК.

Естественно, встает вопрос о механизме адап­тивных мутаций. Модель, предложенная Кернсом, никого не удовлетворила как слишком фан­тастическая. Смысл этой модели: мутации возникают не в ДНК (потому что в неразмножающихся клетках репликации быть не должно), а в иРНК в резуль­тате ошибок РНК-полимераз и действия других факторов. При появлении полезной мутации и функционального белка некий клеточный меха­низм отслеживает соответствующую мутантную иРНК и обеспечивает ее обратную транскрип­цию, и транскрипт ДНК интегрируется в геном.

В настоящее время существует несколько моделей адаптивных мутаций.

Так, гипотеза повышенной экспрессии участка генома, находящегося под селективным давлением, как механизма возникновения мутаций, после Кернса с коллегами возникла в более правдопо­добном варианте "мутагенной транскрипции". По мнению автора, мутации происходят все-таки в ДНК, а не в иРНК, потому что при транс­крипции значительная часть ДНК находится в однонитевом состоянии, что делает ее более уязви­мой для мутагенного воздействия. Это и объясня­ет повышенную частоту возникновения мутаций. Модель, однако, не объясняет механизма появле­ния внегенных мутаций.

Другая группа моделей исходит из того, что в нераз­множающихся клетках все-таки имеет место ка­кая-то репликация ДНК. Одна из них базиру­ется на так называемой стабильной репликации ДНК, которая инициируется не с основного сайта начала репликации, как в размножающихся клетках, а с нескольких альтернативных, распо­ложенных в разных участках хромосомы. Кроме того, она зависит от особенного белка RecA, основная функ­ция которого связана с гомологической рекомби­нацией, но который не принимает участия в нор­мальной репликации хромосомы. Предпо­лагают, что в условиях голодания с разных сайтов начинается репликация, но полноценные репликационные вилки образоваться не могут, и вновь синтезированные фрагменты ДНК расщепляют­ся нуклеазами. В этом процессе непрерывных по­пыток синтезировать новую ДНК и ее деграда­ции, естественно, появляется множество мута­ций, из которых закрепляются в дочерних нитях ДНК только дающие возможность возобновить синтез белка и рост, т.е. адаптивные.

Большой попу­лярностью пользуется модель "гипермутабельного состояния". Она основана на предполо­жении, что в голодающих клетках происходят многочисленные двунитевые разрывы ДНК, что стимулирует процессы рекомбинационной репа­рации. В результате в клетке начинается непре­рывный обмен фрагментами ДНК между гомоло­гичными участками, фактически - непрерывная генерация новых генетических структур, резуль­татом которой может быть или гибель клетки, или появление адаптивной мутации с ее последу­ющим закреплением.

Так или иначе, образование адаптивных мута­ций с высокой частотой в неразмножающихся клетках окончательно доказано не только у бак­терий, но и у низших эукариот, дрожжей.