2 курс / Микробиология 1 кафедра / Доп. материалы / Общая_микробиология_Иллюстрированное_учебное_пособие_Н_В_Литусов
.pdf
281
10. Генетика бактерий
10.1. Наследственный аппарат бактерий
Генетика бактерий - это раздел микробиологии, изучающий наследственность и изменчивость микроорганизмов. Наследственность – это способность бактерий воспроизводить одни и те же свойства из поколения в поколение благодаря передаче генов от родителей потомкам. Изменчивость - это изменение характерных для микроорганизмов свойств под действием физических, химических или биологических факторов. Следовательно, генетика изучает особенности передачи наследственных признаков из поколения в поколение, выясняет механизмы наследования признаков, а также определяет диапазон изменчивости микроорганизмов под влиянием физических факторов, химических агентов и в результате генетического обмена.
В 1944 г. американские биологи О. Эвери, К. Маклауд и М. Маккарти (рисунок 10.1) в опытах на пневмококках показали, что генетический материал бактерий представляет собой ДНК.
А Б В
Рисунок 10.1 – А - Освальд Теодор Эвери (Oswald Theodore Avery, 1877-1955 гг.), Б
- Колин Маклауд (Colin MacLeod, 1909 – 1972 гг.), В - Маклин Маккарти (Maclyn McCarty, 1911-2005 гг.).
В 1953 г. американский биолог Д. Уотсон и британский биолог Ф. Крик (рисунок 10.2) предложили модель строения ДНК и механизм ее репродукции.
Рисунок 10.2 – Джеймс Дьюи Уотсон (James Dewey Watson, 1928) и Фрэнсис Крик
(Francis Crick, 1916-2004 гг.).
282
Информация в геноме бактерий, как и других организмов, закодирована в виде последовательности нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из трех частей: азотистого основания (пуринового или пиримидинового), углевода (пятиуглеродного сахара дезоксирибозы) и остатка фосфорной кислоты (рисунок
10.3).
Остатки фосфорной кислоты Азотистые основания
Дезоксирибоза
Рисунок 10.3 – Схема строения нуклеотида.
В молекуле ДНК имеются 4 вида азотистых оснований: 2 пуриновых основания и 2 пиримидиновых основания. Пуриновые основания - аденин (А) и гуанин (Г), пиримидиновые основания - тимин (Т) и цитозин (Ц). Азотистые основания одной цепи соединены с азотистыми основаниями другой цепи водородными связями. При этом двойная цепь ДНК строится по принципу комплементарности, то есть аденин одной цепи соединен двумя водородными связями с тимином другой цепи, а гуанин одной цепи соединен тремя водородными связями с цитозином противоположной цепи. Так формируются пары А-Т и Г-Ц. Молекула ДНК представляет собой правозакрученную спираль, состоящую из двух полинуклеотидных цепей с антипараллельным ходом. Это означает, что 3'-концу одной цепи соответствует 5'-конец другой цепи и наоборот (рисунок 10.4).
Рисунок 10.4 – Схема строения молекулы ДНК.
Во время размножения бактерий цепи ДНК раскручиваются и разделяются. Образовавшиеся одноцепочечные молекулы служат матрицами, на которых синтезируются новые двуцепочечные молекулы ДНК. В результате этого из одной молекулы образуются идентичные ей две двухцепочечные структуры, которые распределяются по дочерним клеткам (рисунок 10.5).
Рекомендовано к изучению разделом по микробиологии сайта https://meduniver.com/
283
Рисунок 10.5 – Распределение ДНК между дочерними клетками.
Нуклеотиды формируют гены - участки ДНК, занимающие специфическое место в хромосоме и отвечающие за синтез того или иного соединения. Ген является функциональной единицей наследственности. В генах записана информация обо всех свойствах, присущих клетке. Гены объединены в опероны. Ген обозначают строчными буквами латинского алфавита со знаком “+”. Это обозначение соответствует названию соединения, синтез которого данный ген детерминирует. Например, his+ обозначает ген, отвечающий за синтез гистидина (гистидиновый ген). Гены, контролирующие устойчивость к лекарственным или иным препаратам, выделяют надстрочным символом r (resistant – резистентный), а чувствительность – надстрочным знаком s. Например, резистентность к стрептомицину обозначается как strr, а чувствительность к стрептомицину – strs. Схема, отражающая расположение генов на хромосоме, называется генетической картой хромосомы (рисунок 10.6).
Рисунок 10.6 – Генетическая карта хромосомы кишечной палочки.
Совокупность генов называется генотипом. Генотип проявляется внешними признаками. Совокупность внешних признаков организма называется фенотипом. Понятия генотип и фенотип сформулировал в начале ХХ века датский генетик В.
284
Иогансен (рисунок 10.7).
Рисунок 10.7 – Вильгельм Людвиг Иогансен (Wilhelm Ludvig Johannsen, 1857 – 1927 гг.).
Фенотип бактерий обозначается теми же знаками, что и генотип, но заглавными буквами. Например, символы Strr или Strs обозначают наличие устойчивости или чувствительности к стрептомицину. Фенотип зависит не только от наличия соответствующего гена, но и от условий, способствующих его проявлению.
Сохранение информации при росте и размножении клеток происходит следующим образом. Перед делением клетки на каждой цепи ДНК происходит синтез новой цепи, комплементарной родительской. При этом каждая из двух вновь образуемых спиралей содержит родительскую цепь и вновь синтезированную цепь. Одновременно с синтезом новой молекулы ДНК синтезируется и матричная (информационная) РНК (мРНК или иРНК). Она состоит из одной цепи и напоминает цепь ДНК, только вместо тимина содержит урацил. Матричная РНК копирует нуклеотидную последовательность ДНК. Этот процесс называется транскрипцией (переписыванием информации). Порядок триплетов мРНК определяет аминокислотную последовательность белков, синтезируемых в клетке. После транскрипции у микроорганизмов сразу же происходит трансляция – синтез белковой молекулы на рибосомах. У микроорганизмов трансляция совмещена с транкрипцией и происходит ко-транскрипционно.
У бактерий выделяют следующие основные признаки:
-морфологические (размер и форма клеток, наличие жгутиков, спор и
капсул);
-тинкториальные (способность воспринимать различные красители);
-культуральные (характер роста бактерий в жидких и на плотных питательных средах);
-биохимические (способность расщеплять углеводы, белки, липиды и другие сложные соединения);
-антигенные (наличие антигенов, способных индуцировать синтез антител);
-биологические (патогенность, тропность);
-резистентность к лекарственным препаратам, факторам внешней среды,
Рекомендовано к изучению разделом по микробиологии сайта https://meduniver.com/
285
бактериофагам.
Все признаки бактерий проявляются в результате биохимических реакций, которые осуществляются при участии ферментов. В нормальных условиях у бактерий все присущие им ферменты работают, что проявляется характерными для этих бактерий свойствами. Совокупность этих признаков позволяет отличать одни виды бактерий от других. В некоторых случаях ферменты перестают работать. Например, фермент перестает работать при отсутствии условий для его нормальной работы или в случае поломки гена, кодирующего синтез данного фермента. В результате нарушения работы ферментов возникают изменения признаков, характерных для данного вида бактерий, что затрудняет идентификацию микроорганизмов.
Наследственная информация у бактерий закодирована в геноме, который представлен нуклеоидом (бактериальной хромосомой), а у некоторых бактерий дополнительно плазмидами. В состав нуклеоида и плазмид могут входить мобильные элементы генома (подвижные генетические элементы), к которым относятся IS-последовательности и транспозоны. Хромосомные и плазмидные гены, а также мобильные генетические элементы являются функциональными единицами генома. Кроме того, каждая генетическая структура (нуклеоид, плазмида), способная к самостоятельной репликации, составляет единицу репликации или репликон.
Нуклеоид большинства бактерий представлен одной замкнутой кольцевой молекулой ДНК. Нуклеоид и плазмиды фиксированы в определенных точках на цитоплазматической мембране клетки. Структура генома (наследственного аппарата) бактерий представлена на рисунке 10.8.
Плазмида |
Нуклеоид |
Рисунок 10.8 – Геном бактериальной клетки.
Нуклеоид бактерий представляет собой двухцепочечную кольцевую суперспирализованную молекулу ДНК. Длина этой молекулы достигает 1 мм (превышает длину бактериальной клетки в 1000 раз). Диаметр молекулы ДНК составляет около 2 нм. Нуклеоид большинства бактерий имеет молекулярную массу в пределах (1-3)·109 Д. Молекулярная масса нуклеоида микоплазм составляет (0,4- 0,8)·109 Д, а нитчатых цианобактерий - 8,5·109 Д. Нуклеоид бактерий содержит до 3- 5 млн. нуклеотидных пар (н.п.), которые формируют до 4 тысяч генов. Гены бактериальной хромосомы кодируют (определяют) жизненно важные для бактерии
286
функции питания, дыхания, роста и размножения.
Нуклеоид бактерий, несмотря на отсутствие ядерной мембраны, четко отграничен от цитоплазмы и занимает в ней центральную область. Для выявления нуклеоида в фиксированных мазках предложена реакция Фёльгена-Россенбёка. При электронной микроскопии нуклеоид выглядит в виде менее плотных участков в центральной части клетки (рисунок 10.9).
Рисунок 10.9 – Нуклеоид бактериальной клетки при электронной микроскопии.
На рисунке 10.10 представлена фотография молекулы хромосомной ДНК кишечной палочки, полученная с помощью электронной микроскопии.
Рисунок 10.10 – ДНК кишечной палочки.
Кроме нуклеоида у некоторых бактерий в клетке могут присутствовать плазмиды - небольшие автономные (внехромосомные) двухцепочечные кольцевые молекулы ДНК. Плазмиды расположены в цитоплазме клетки и способны к самостоятельной репликации (вне зависимости от репликации хромосомы). По размерам плазмиды составляют 0,1-5% нуклеоида. Плазмиды имеют молекулярную массу порядка 106-108 Д и содержат 103-106 н.п., формирующих 40-50 генов (рисунок 10.11).
Рисунок 10.11 – Электронная микрофотография молекулы плазмидной ДНК.
Рекомендовано к изучению разделом по микробиологии сайта https://meduniver.com/
287
Клетка, содержащая плазмиды, обладает дополнительными (селективными) преимуществами по сравнению с бесплазмидными бактериями. При утрате плазмид основные свойства клетки не изменяются.
Для выявления плазмид применяют следующие способы:
-биофизические способы основаны на выявлении в клетках плазмидной ДНК с помощью градиентного ультрацентрифугирования или электрофореза;
-биологические способы основаны на обнаружении у бактерий дополнительных признаков, не характерных для данного вида микробов.
Количество молекул плазмидной ДНК в клетке характеризуется термином “копийность плазмид”. По количеству молекул одного вида плазмид, присутствующих в одной клетке, плазмиды подразделяются на однокопийные и многокопийные. Мелкие плазмиды присутствуют чаще всего в клетке в большом количестве (10-30 копий на клетку), а крупные плазмиды – в количестве 1-2 копий на клетку. По способности присутствовать в одной клетке одновременно плазмид нескольких видов они подразделяются на совместимые и несовместимые. Выделяют автономные (не связанные с хромосомой бактерии) и интегрированные (встроенные в хромосому клетки) плазмиды. Плазмиды также подразделяют на трансмиссивные или конъюгативные, способные передаваться посредством конъюгации, и нетрансмиссивные.
В соответствии с кодируемыми признаками выделяют следующие группы плазмид:
-F - плазмиды (половые факторы, плазмиды фертильности);
-R - плазмиды (факторы множественной лекарственной устойчивости);
-Tox - плазмиды (плазмиды патогенности или токсигенности), объединяют Ent - плазмиды (контролируют синтез энтеротоксина) и Hly - плазмиды (контролируют синтез гемолизина);
-Col - плазмиды - факторы бактериоциногенности (детерминируют синтез бактериоцинов);
-D-плазмиды – плазмиды биодеградации.
F-плазмиды (англ. fertility – плодовитость) имеют молекулярную массу около 60·106 Д и контролируют синтез F-пилей (половых ворсинок), способствующих непосредственному контакту бактерий-доноров (F+-клеток) с бактериями-реципиентами (F--клетками). Такой контакт играет ведущую роль в передаче генетического материала при конъюгации бактерий (рисунок 10.12).
F+ |
F-фактор |
F+ |
F¯ |
Нуклеоид |
F+ |
|
|
Рисунок 10.12 – Схематическое изображение процесса передачи F-плазмиды.
F-плазмиды могут быть автономными (не связанными с бактериальной хромосомой) и интегрированными (встроенными в бактериальную хромосому). Встроенная в хромосому F-плазмида обеспечивает высокую частоту рекомбинации
288
бактерий, поэтому ее обозначают как Hfr-плазмида (англ. high frequency of recombination - высокая частота рекомбинаций). Перенос ДНК детерминируется traопероном (англ. transfer - перенос) F-плазмиды (рисунок 10.13).
Рисунок 10.13 – Перенос генов посредством Hfr-плазмиды.
R-плазмиды (от resistance - устойчивость) представляет собой двуспиральную молекулу ДНК, содержащую гены, детерминирующие устойчивость
кантибиотикам. R-плазмиды могут передаваться от одних бактерий другим при трансформации, трансдукции и конъюгации. Передача R-плазмид от одних бактерий
кдругим способствует возникновению антибиотикоустойчивых штаммов патогенных и условно-патогенных бактерий, что затрудняет химиотерапию вызываемых ими заболеваний. Схематическое изображение одной из R-плазмид представлено на рисунке 10.14.
Рисунок 10.14 – Схематическое изображение плазмиды pBR322, детерминирующей устойчивость к ампициллину (Ap) и тетрациклину (Tc).
Тох-плазмиды (плазмиды токсигеноости) контролируют свойства
Рекомендовано к изучению разделом по микробиологии сайта https://meduniver.com/
289
патогенности бактерий. Нередко плазмидные tox+-гены кодируют синтез интактных протоксинов (например, дифтерийного или ботулинического токсинов), активируемых клеточными протеазами, образование которых контролируют гены бактериальных хромосом. К плазмидам патогенности относятся такие плазмиды как Ent-плазмиды, кодирующие синтез энтеротоксинов, Hly-плазмиды, детерминирующие синтез гемолизинов.
Col-плазмиды (англ. colicinogeny - колициногенность) детерминируют синтез колицинов (бактериоцинов), которые подавляют рост и размножение чувствительных к ним родственных бактерий. Этот феномен впервые обнаружил в 1925 г. А. Gratia у кишечной палочки и назвал его колициногенией (рисунок 10.15).
Рисунок 10.15 – Проявление феномена колициногении.
Вдальнейшем аналогичные белковоподобные вещества были обнаружены у многих видов бактерий, поэтому их стали называть бактериоцинами, а феномен - бактериоциногенией. Бактериоцины обнаружены у кишечной палочки (колицины), возбудителя чумы (пестицины), холерных вибрионов (вибриоцины), стафилококков (стафилоцины) и других бактерий. Col-факторы Е. coli детерминируют синтез
различных типов колицинов (более 25). Col-плазмиды имеют молекулярную массу 25-150·106 Д. Способность продуцировать различные типы колицинов используется для типирования бактерий с целью эпидемиологического анализа вызываемых ими заболеваний. Такое типирование осуществляется путем определения типа Со1плазмиды (колициногенотипирование) или типа колицина, образуемого патогенными бактериями (колицинотипирование), выделенными от больных, контактирующих с ними лиц, а также из окружающей среды.
D-плазмиды (плазмиды биодеградации) кодируют синтез ферментов деградации различных соединений (мочевины, толуола, камфоры), необходимых бактериям в качестве источников углерода или энергии. Например, кишечные палочки, выявляемые при инфекциях мочеполового тракта, содержат плазмиду биодеградации мочевины.
Скрытые (криптические) плазмиды не содержат генов, которые можно было бы обнаружить по их фенотипическому проявлению. Такие плазмиды выявляются с помощью биофизических методов.
Всостав генома некоторых бактерий (как в состав нуклеоида, так и плазмид) входят подвижные (мигрирующие) генетические элементы – отдельные участки ДНК, способные осуществлять собственный перенос (транспозицию) внутри
290
генома. Транспозиция связана с тем, что подвижные элементы содержат гены, определяющие синтез специфического фермента - транспозазы. К мобильным элементам генома относятся вставочные или инсерционные последовательности, транспозоны, интегроны и островки патогенности.
Вставочные инсерционные последовательности (IS-элементы, англ. insertion - вставка, sequence - последовательность) представляют собой короткие фрагменты ДНК, способные целиком перемещаться как из одного участка репликона в другой участок того же репликона, так и между репликонами (например, между нуклеоидом и плазмидами). Их величина в среднем составляет 800-1400 н.п. IS-элементы не способны реплицироваться самостоятельно. Они не кодируют фенотипических признаков, так как не несут структурных генов, а содержат только гены, ответственные за транспозицию (способность ISпоследовательностей перемещаться по хромосоме и встраиваться в различные ее участки), то есть ген транспозазы и ген репрессора (рисунок 10.16).
Рисунок 10.16 - Схема строения IS-элемента.
IS-элементы одинаковы у разных бактерий и выполняют следующие функции:
-обеспечение рекомбинации транспозонов, плазмид и умеренных фагов с нуклеоидом бактериальной клетки и между собой;
-инактивация генов, расположенных в области интеграции IS-элемента;
-индукция мутаций при встраивании в бактериальную хромосому. Транспозоны (Тn-элементы) - это сегменты ДНК, способные как и IS-
элементы к перемещению внутри репликона и между репликонами. Однако в отличие от IS-элементов транспозоны имеют более крупные размеры, так как содержат структурные гены, определяющие фенотипически проявляющиеся признаки (токсигенность, биохимические свойства, устойчивость к антибиотикам). В связи с этим транспозоны легко выявляются. Они состоят из 2000-25000 пар нуклеотидов, содержат фрагмент ДНК, несущий специфические гены, и два концевых длинных инвертированных повтора, которые могут состоять из ISэлементов (рисунок 10.17).
IS-элемент |
Структурные гены |
IS-элемент |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Инвертированные повторы |
Ген транспозазы |
Рисунок 10.17 - Схема строения транспозона.
Рекомендовано к изучению разделом по микробиологии сайта https://meduniver.com/