31. Строение генома бактерий. Понятие о генотипе и фенотипе. Виды изменчивости.

Генетическая система бактерий состоит из ядерных и внеядерных структур. Аналог ядра прокариотов значительно отличается от ядра эукариотических клеток. Он представлен нуклеоидом, лишенным оболочки и включающем в себя почти всю ДНК бактерии.

Хотя бактерии являются гаплоидными организмами, т.е. имеют один набор генов, содержание ДНК у них непостоянно, оно может при благоприятных условиях достигать значений, эквивалентных по массе 2, 4, 6 и даже 8 хромосомам.

Бактериальная хромосома состоит из одной двунитевой молекулы ДНК кольцевой формы. Молекула ДНК построена из двух полинуклеотидных цепочек. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара дезоксирибозы и фосфатной группы. Азотистые основания представлены пуринами (аденин, гуанин) и пиримидинами (тимин, цитозин). Каждый нуклеотид обладает полярностью. У него имеются дезоксирибозный 3' -конец и фосфатный 5' -конец. Нуклеотиды соединяются в полинуклеотидную цепочку фосфодиэфирными связями между 5' -концом одного нуклеотида и 3' -концом другого. Соединение между двумя цепочками обеспечивается водородными связями комплементарных азотистых оснований: аденина с тимином, гуанина с цитозином.

Нуклеотидные цепи антипараллельны: на каждом конце линейной молекулы ДНК расположены 5' -конец одной цепи и 3' -конец другой цепи. Наследственная информация у бактерий хранится в форме последовательности нуклеотидов ДНК, которая определяет последовательность аминокислотных остатков в молекуле белка. Каждому белку соответствует свой ген, т.е., дискретный участок на ДНК, отличающийся числом и специфичностью последовательности нуклеотидов. Бактериальная хромосома содержит до 4000 отдельных генов.

Совокупность всех генов называется геномом. Внешнее проявление генома называется фенотипом .

У бактерий очень часто помимо хромосомного генома имеется дополнительный плазмидный геном, наделяющий их важными биологическими свойствами, специфическим (приобретенным) иммунитетом к различным антибиотикам и другим химиопрепаратам.

Большая роль в изменчивости бактерий и других организмов принадлежит так называемым транспонируемым генетическим элементам, т.е. генетическим структурам, способным в интактной форме перемещаться внутри данного генома или переходить от одного генома к другому, например от плазмидного генома к бактериальному и наоборот.

Различают четыре класса транспонируемых элементов:

1) IS-последовательности;

2) транспозоны;

3) эписомы

4) плазмиды.

IS-(инсерционные) последовательности(англ. insertion-вставка) – это короткие фрагменты ДНК, мигрирующие от одной хромосомы к другой, или между хромосомой и плазмидой. Фенотипических признаков не кодируют, самостоятельно не реплицируются.

Функции IS-элементов:

1. Координировать взаимодействие транспозонов, плазмид и умеренных фагов как между собой, так и с хромосомой бактериальной клетки и обеспечивать их рекомбинацию.

2. Вызывать инактивацию гена, в котором произошла интеграция IS-последовательности («выключение гена»), либо, будучи встроенными в определенном положении в бактериальную хромосому, служить промотором (участками ДНК, регулирующих экспрессию подлежащих структурных генов бактерий – реципиентов), который включает транскрипцию соответствующих генов, выполняя регуляторную функцию.

3. Индуцировать мутации типа делеций или инверсий при перемещении и дупликации в 5-9 парах нуклеотидов при включении в бактериальную хромосому.

Транспозоны – это более крупные молекулы ДНК. Так же как IS-последовательности являются мигрирующими генетическими элементами. Представляют собой нуклеотидные последовательности, включающие от 2000 до 20500 пар нуклеотидов, которые несут генетическую информацию, необходимую для транспозиции. При включении в бактериальную ДНК они вызывают в ней дупликации, а при перемещении – делеции и инверсии. Они реплицируются только в составе бактериальной хромосомы. При этом новые копии транспозонов могут мигрировать в некоторые плазмиды и ДНК фагов, которые, проникая в бактериальные клетки, способствуют их распространению в популяции. Т.о. важнейшим свойством транспозонов является их способность к перемещению с одного репликона (хромосомная ДНК) на другой (плазмида) и наоборот. Помимо генов, ответственных за транспози­цию, они содержат и структурный ген, кодирующий тот или иной признак.

Кроме того некоторые транспозоны, так же как плазмиды, выполняют регуляторную и кодирующую функцию. В частности, они могут нести информацию для синтеза бактериальных токсинов, а также ферментов разрушающих или модифицирующих антибиотики.

Эписомы (умеренные лизогенные и дефектные фаги). Встраиваясь в хромосому, эти фаги вызывают лизогению бактерий, которые могут приобретать новые признаки. Собственно эписомы – это вирусы, обладающие, подобно другим транспонируемым элементам, способностью в интактной форме переходить из одного генома в другой.

Различают два вида изменчивости – фенотипическую и генотипическую.

Ненаследственная, фенотипическая изменчивость, или модификация, микроорганизмов возникает как ответ клетки на неблагоприятные условия ее существования. Эта адаптивная реакция на внешние раздражители не сопровождается изменением генотипа и поэтому не передается по наследству

Модификации затрагивают большинство особей в популяции. С течением времени наблюдается реверсия, т. е. возвращение к исходному фенотипу после устранения действия фактора, вызвавшего их образование, поскольку исчезает потребность в сохранении данной модификации.

Могут измениться морфология (удлиняется), культуральные свойства (стафилококки без пигмента при недостатке кислорода) биохимические или ферментативные свойства, вырабатываются адаптивные ферменты Е. coli, фермент лактаза на среде — с лактозой.

Генотипическая изменчивость затрагивает генотип. В основе ее лежат мутации и рекомбинации.

Мутации (от лат. mutatio — изменять) — это передаваемые по наследству структурные изменения генов. При мутациях изменяются участки геномов (т.е. наследственного аппарата).