Бактериальные плазмиды

Биологическая значимость конъюгации хорошо видна на примере распространения резистентности бактерий к антибиотикам. Изначально устойчивость к антибиотикам бактерия может получить в результате мутации, что происходит 1 раз на каждые 106 клеточных делений. Однако, однажды изменившись, генетическая информация может быстро распространяться среди сходных бактерий посредством конъюгации, поскольку каждая третья из близкородственных бактерий способна к этому типу генетического переноса.

Необходимым условием конъюгации является наличие в клетке-доноре трансмиссивной плазмиды.

Плазмиды

Генетические элементы, представленные молекулой ДНК, несущие 40 - 50 и более генов, часто обособленные от хромосомы и способные к бесконечно долгому существованию, т. е. поддержанию и воспроизводству в такой форме. Не имеют жизненно важного значения для бактерий, которые могут терять или воспринимать плазмиды без летальных эффектов. Однако они расширяют возможности существования бактериального вида, обеспечивают обмен генетической информации по горизонтали.

Основой плазмид является ДНК. Она может быть линейной и кольцевой. Кольцевая форма возникает вследствие замыкания двух цепей (через ковалентные связи). При полном замыкании образуется суперскрученная форма. Считают, что плазмиды, обычно представленные в клетке 1-2 копиями, находятся под строгим контролем, в том числе хромосомным.

Классификация плазмид

1. Плазмиды могут встраиваться в хромосому бактерий - интегративные плазмиды или находиться в виде отдельной структуры - автономные плазмиды (эписомы).

2. Плазмиды могут распространяться по вертикали (при клеточном делении) и по горизонтали (путем конъюгации).

3. В зависимости от наличия или отсутствия механизма самопереноса выделяют конъюгативные (трансмиссивные, инфекционные) и неконъюгативные плазмиды.

   1. Конъюгативные плазмиды

Это обычно крупные плазмиды, количество их копий в клетке 1-2, т.к. их репликация связана с репликацией бактериальной хромосомы. Обычно осуществляют внутривидовой перенос или перенос между близкородственными видами. Наличие у клетки конъюгативных плазмид сопровождается образованием на ее поверхности специфических пилей. Придают клеткам свойства доноров, т.е. способность вступать в конъюгацию с другими клетками и передавать им плазмиды. При этом реципиенты сами становятся донорами. Одни из них способны переносить только половой фактор (F) и больше ничего. Это F-плазмиды. Другие представляют собой комбинированные структуры, переносящие половой фактор и гены хромосомного происхождения. Это F1-плазмиды

2. Неконъюгативные плазмиды

Обычно характерны для грам (+) кокков, но встречаются также и у некоторых грамотрицательных микроорганизмов, например, у гемофилов и гонококков. Обычно имеют небольшие размеры, в 15-25 раз меньшие, по сравнению с размерами конъюгативных плазмид. Количество копий в клетке до 40. Не придают реципиентным клеткам свойства генетических доноров, не обладают способностью к самопереносу. Их перенос обеспечивается конъюгативными плазмидами или трансдуцирующим бактериофагом

4. Функциональная классификация плазмид основана на свойствах, которыми они наделяют бактерии. Среди них - способность продуцировать экзотоксины и ферменты, устойчивость к лекарственным препаратам, синтез бактериоцинов.

   1. F-плазмиды. Открыты Ледербергом и Татумом в 1946 г. Второе их название F-факторы (от англ. fertility – плодовитость). Название дано в связи с тем, что удвоение ДНК таких плазмид индуцирует деление бактерий, т.е. усиливает их плодовитость, или фертильность. F-плазмида обеспечивает конъюгацию, количество их копий в клетке 1-2. Необходимым условием конъюгации является наличие в клетке-доноре трансмиссивной плазмиды.

R-плазмиды. Детерминируют резистентность к одному или нескольким лекарственным веществам (антибиотики, сульфаниламиды и пр.). Многие из них являются конъюгативными. Обычно конъюгативные R-плазмиды имеют большую молекулярную массу, количество их копий в клетке 1-4. ДНК большинства R-факторов закрытой кольцевой формы. Использование антибиотиков ускоряет селекцию R-бактерий. Начало исследования R-плазмид относится к 1955 г., когда в Японии от больного дизентерией удалось выделить штамм шигелл, обладающий множественной устойчивостью к антибиотикам. R-плазмиды обнаружены у Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus, у многих бактерий кишечной группы. Они вообще широко распространены в природе среди множества различных видов бактерий (как патогенных, так и не патогенных). Плазмидная резистентность связана:

с понижением проницаемости поверхностных структур бактерий для антибиотиков;

со способностью бактерий синтезировать ферменты инактивации антибиотиков. Например, синтез пенициллиназ у E.coli.

2. Col- плазмиды. Детерминируют синтез колицинов (бактериоцинов) - факторов конкуренции близкородственных бактерий (антогонизм).Способность продуцировать бактериоцины лучше выражена у грамотрицательных бактерий.

• В настоящее время известно около 200 различных бактериоцинов. К ним относятся:

• колицины (E.coli),

• церецины (Bacillus cereus),

• пестицины (Yersinia pestis),

• пиоцины (P. aeruginosa),

• стафилоцины (S. aureus),

• пневмоцины (Klebsiella pneumoniae) и другие

Все бактериоцины являются белками, различными по молекулярной массе. Характерно то, что они летальны лишь для бактерий либо того же вида, либо близких видов. Бактериоцины играют определенную роль в формировании бактериальных сообществ. Так в кишечнике бактериоцины E.coli приводят к гибели патогенных бактерий. Их синтез для клеток-продуцентов также летален (гибель наступает при освобождении бактериоцина), однако они устойчивы к бактериоцинам того же типа.

3. Плазмиды патогенности. Контролируют вирулентные свойства многих видов бактерий. Так, у возбудителей чумы, холеры и др. гены вирулентности имеют в основном не хромосомное, а плазмидное происхождение. Многие плазмиды (F-, R-, Col-) включают в себя tox+транспозоны. Часто tox+плазмиды кодируют синтез интактных токсинов, или протоксинов (дифтерийный, ботулинический), которые активируются клеточными протеазами, детерминированными бактериальными хромосомами.

4. Плазмиды Ent, Hly и K. Участвуют в формировании патогенных свойств бактерий, обнаружены в клетках патогенных штаммов E.coli.

• Ent – детерменирует синтез энтеротоксина;

• Hly – гемолиз;

• K – синтез поверхностного K-антигена.

Хотя каждая из этих плазмид существует в виде самостоятельной единицы репликации и переноса, их патогенные способности в клетках и в организме проявляются лишь тогда, когда они существуют в виде комплекса.