Глава 7 генетика микроорганизмов

С середины 40-х годов нашего века объектом генетических исследований становятся вирусы и бактерии. Много сделали для рождения генетики микроорганизмов С. Лурия, М. Дельбрюк и другие ученые того времени. Они разработали системы для изуче­ния литических взаимодействий бактериофага и клетки, а также методы проведения опытов с микроорганизмами, показали, как проводить учет их признаков и анализ полученных результатов. Преимущество микроорганизмов как генетических объектов за­ключается в простоте их культивирования, коротком периоде ге­нерации, огромной численности потомства. Жизненный цикл бактерий длится меньше часа. Можно вырастить миллиарды бак­терий за короткое время в небольшом объеме питательной среды. Это позволяет регистрировать генетические изменения, происхо­дящие с частотой одно на 1 млн клеток и реже. Кроме того, бактерии имеют гаплоидный набор хромосом и совмещают в себе функции гаметы и особи. Вирусы и бактерии оказались незамени­мым объектом для изучения тонкой структуры гена и его дейст­вия. К классическим объектам генетических исследований среди бактерий относятся кишечная палочка (Escherichia coli), бактерии рода Salmonella, нейроспора, а среди вирусов — бактериофаги, поражающие эти виды бактерий, и вирус табачной мозаики. На основании результатов исследований заражения бактерий бакте­риофагами были сформулированы многие принципы, на которых основана современная молекулярная биология.

СТРОЕНИЕ И РАЗМНОЖЕНИЕ БАКТЕРИЙ

Химический состав клеток бактерий в основном такой же, как и клеток высокоорганизованных организмов. Клетки бактерий окружены оболочкой, внутри которой находятся цитоплазма, ядерный аппарат, рибосомы, ферменты и другие включения. В отличие от клеток эукариот у них отсутствуют митохондрии, аппарат Гольджи и эндоплазматическая сеть. В центральной части цитоплазмы бактерий расположены ядерный аппарат — нуклеоид и плазмиды. Ядро прокариот называется нуклеоидом потому, что оно в отличие от эукариот не изолировано от цито-

91

плазмы мембраной и представлено одной очень длинной молеку­лой ДНК (хромосомой). Хромосома бактерии Е. coli включает около 5-10° пар оснований, имеет относительную молекулярную массу 3-Ю⁹ Д. В хромосоме кишечной палочки ДНК замкнута в кольцо и состоит из дискретно расположенных генов. Длина вытянутой молекулы ДНК в расправленном состоянии достигает 1 мм, что значительно превышает среднюю длину самой бакте­рии. ДНК бактерий по своему строению не отличается от ДНК высших организмов.

Кроме нуклеоида в цитоплазме большинства бактерий содер­жатся так называемые внехромосомные факторы, получившие название плазмид. Плазмиды представляют собой кольцевые моле­кулы ДНК, обладают свойствами репликона — могут реплициро­ваться с помощью ферментов клетки бактерии независимо от основной хромосомы. Плазмида включает последовательность из одного или нескольких генов. У некоторых видов бактерий обна­ружены факторы резистентности к лекарственным веществам — R-факторы. К другому типу плазмид относятся колициногенные факторы. Колициногены включают гены, которые обусловлива­ют синтез особых белковых веществ — колицинов. Колицины даже в низких концентрациях способны убивать бактерий того же вида, не имеющих соответствующего колициногена. Клетки, включающие колициноген, иммунны к соответствующему коли-цину. Плазмиды реплицируются в цитоплазме автономно и пере­даются при делении дочерним клеткам.

При размножении клетки бактерии наиболее ответственным является процесс воспроизведения нуклеоида. В нуклеоиде ДНК суперспирализована и плотно уложена. Электронно-микроскопи­ческое исследование показало, что один конец ДНК прикреплен к клеточной мембране. Связь с клеточной мембраной, по-види­мому, необходима как для процесса репликации ДНК, так и для четкого разделения вновь образовавшихся дочерних молекул ДНК. Репликация ДНК у микроорганизмов происходит так же, как и у высших организмов, — полуконсервативным способом. В репликации участвуют ферменты _гДНК-полимеразы. Непрерыв­ная репликация в направлении 5->3' идет только на одной из комплементарных цепей. Она называется лидирующей. На вто­рой цепи _г (запаздывающей) синтез ДНК идет также в направле­нии 5'->3', но на коротких фрагментах Оказаки. Каждый фраг­мент инициируется коротким полирибонуклеотидом. Эти РНК служат затравкой для дальнейшего роста цепи ДНК. Затем РНК удаляется, брешь заполняется при помощи ДНК-полимеразы и фрагменты Оказаки соединяются при помощи ферментов лигаз.

К моменту завершения цикла репликации ДНК точки при­крепления дочерних ДНК отодвигаются благодаря активному росту участка бактериальной мембраны между ними. В результа-

92

te сложного комплекса процессов образуется межклеточная Перегородка. В период репликации ДНК и образования перего-родки клетка непрерывно растет, идет формирование рибосом и других соединений. На определенной стадии дочерние клетки отделяются друг от друга. Каждая дочерняя клетка имеет такой jbb набор генетической информации, какой был в исходной бак­териальной клетке.

СТРОЕНИЕ И РАЗМНОЖЕНИЕ ВИРУСОВ

Вирусы относятся к микроорганизмам, хотя резко отличаются сиг всех известных клеточных форм жизни. Частицы вирусов Очень малы (от 20 до 450 нм). С помощью электронного микро­скопа обнаружено, что они имеют палочковидную, шарообраз-щую, а в большинстве случаев многогранную форму. Строение частицы вируса намного проще, чем клетки любого организма. Вирусная частица содержит одну из нуклеиновых кислот (ДНК щдй₍ РНК), которая окружена белковой оболочкой (капсидом). Геном вирусов представлен одной из возможных форм нуклеи­новых кислот: двухцепочной или одноцепочной ДНК, одноце-почной или двухцепочной РНК. Молекулярная масса вирусных нуклеиновых кислот колеблется в широких пределах: у ДНК-со-держащих вирусов от 1,5-10⁶ до 1,6-10*, у РНК-содержащих виру­сов от 1,6-Ю⁶ до 9,0-10⁶. Молекулы нуклеиновых кислот могут выть линейными и кольцевыми.

<■■ Вирусы репродуцируются только внутри клетки какого-то орга­низма и используют для этого ее ферментные системы и другие необходимые компоненты. Круг хозяев для определенного вируса может быть ограничен. Вирусы могут инфицировать одноклеточ­ные микроорганизмы — микоплазмы, бактерии и водоросли, а также клетки высших растений и животных.

К настоящему времени с генетической точки зрения лучше всего изучены вирусы, паразитирующие в бактериях. Их называ­ют бактериофагами. Всюду, где размножаются бактерии, обнару­живаются и паразитирующие в них фаги. Они находятся в ки-Щечнике человека и животных, в сточных водах, почве. Разные фаги имеют различную форму частиц. Наиболее изучены фаги, паразитирующие на штамме В Е. coli (колифаги). Колифаги ну­меруются от Т1 до Т7. Фаги Т-четной группы состоят из головки гексагональной формы и хвостового отростка (рис. 22). В голов­ке плотно упакована ДНК, окруженная белковой оболочкой. Хвостовой отросток состоит из полого стержня диаметром около 2,5 нм, окруженного чехлом, способным к сокращению. Один Конец стержня прикреплен к головке, другой — к шестиугольной базальной пластинке, от которой отходят короткие зубцы с Длинными нитями на концах. У Т-четных фагов ДНК включает примерно 200 тыс. пар нуклеотидов, образующих около

93