55. Строение бактериального генома. Хромосомные и внехромосомные элементы. Подвижные элементы. Умеренные бактериофаги и их роль в изменчивости генома

Строение генома бактерий

Наследственная информация хранится у бактерий в форме последовательности нуклеотидов ДНК, которые определяют последовательность аминокислот в белке.Каждому белку соответствует свой ген, т.е. дискретный участок на ДНК, отличающийся числом и специфичностью последовательности нуклеотидов. Совокупность всех генов бактерий называется геномом. Размеры генома определяются количеством нуклеотидных пар оснований (н.п.). Геном бактерий имеет гаплоидный набор генов. Бактериальный геном состоит из генетических элементов, способных к самостоятельной репликации (воспроизведению), т.е. репликонов. Репликонами являются бактериальная хромосома и плазмиды.

Репликонами, т.е. ген. элементами, способными к самостоятельной репликации у бактериальных клеток являются хромосома и плазмиды. Особенности генетики бактерий:

1. Гаплоидный организмы;

2. Отсутствие явления доминантности;

3. Высокая скорость мутаций, что является следствием высокой скорости смены поколений;

4. ДНК бактерий не содержит гистонов, их роль выполняют полиамины.

Бактериальная хромосома

Бактериальная хромосома состоит из одной двухцепочечной молекулы ДНК, которая может быть, как кольцевой (E. coli), так и линейной формы (B. burgdorferi). Некоторые бактерии, в частности бруцеллы, V. cholerae имеют по две хромосомы (но они совершенно одинаковые, поэтому организмы все равно считаются гаплоидными). Бактериальная хромосома обладает гаплоидным набором генов. Для того, чтобы во время деления ген.материал равномерно распределялся между дочерними организмами, хромосома в одной точке прикреплена к цитоплазматической мембране.

Плазмиды бактерий

Плазмиды представляют собой двухцепочечные молекулы ДНК, суперспирализованные. Они кодируют неосновные для жизнедеятельности бактериальной клетки функции, но придающие бактерии преимущества при попадании в неблагоприятные условия существования. Среди фенотипических признаков, сообщаемых бактериальной клетке плазмидами, можно выделить следующие:

1. R-устойчивость к антибиотикам;

2. Col-образование колицинов (баткерицины, продуцируемые некоторыми штаммами рода Escherichia) ;

3. продукция факторов патогенности: -Tox, синтез экзотоксинов -Hly, синтез гемолизинов -Ent, синтез энтеротоксинов;

4. способность к синтезу антибиотических веществ; 5. расщепление сложных органических веществ; 6. образование ферментов рестрикции и модификации.

Плазмиды в клетке могут находится в одном из двух альтернативных состояний:

1. Они лежат свободно в цитоплазме и тогда их репликация идет автономно, то есть независимо от репликации хромосом. А так как они значительно меньших размеров, то реплицируются быстрее и в короткое время накапливается большое количество копий плазмид.

2. Если они находятся в интегрированном состоянии, то репликация их синхронна с репликацией хромосомы.

Интегративные плазмиды (=эписомы)

Плазмиды, способные обратимо встраиваться в бактериальную хромосому и функционировать в виде единого репликона.

Трансмиссивные плазмиды (=конъюгативные)

Плазмиды, способны передаваться из одной клетки в другую, иногда даже принадлежащую иной таксономической единице.

Трансмиссивность присуща лишь крупным плазмидам, имеющим traоперон, в который объединены гены, ответственные за перенос плазмиды. Эти гены кодируют половые пили, которые образуют мостик с клеткой, не содержащей трансмиссивную плазмиду, по которой плазмидная ДНК передается в новую клетку. Этот процесс называется конъюгацией.

Мелкие плазмиды, не несущие tra-гены, не могут передаваться сами по себе, но способны к передаче при наличии трансмиссивных плазмид, используя их аппарат конъюгации. Такие плазмиды называются мобилизуемыми, а сам процесс мобилизацией нетрансмиссивной плазмиды.

Подвижные генетические элементы

Это участки ДНК, способные как целое перемещаться из одного участка репликона в другой, а также между репликонами.

IS-элементы

IS-элементы содержат лишь те гены, которые необходимы для их собственного перемещения-транспозиции: ген, кодирующий фермент транспозазу, обеспечивающую процесс исключения IS-элемента из ДНК и его интеграцию в новый локус, и ген, детерминирующий синтез репрессора, который регулирует весь процесс перемещения. (Простыми словами-ген, кодирующий перемещение, и ген, препятствующий этому перемещению, не содержат структурные гены).

Отличительная особенность IS-элементов-наличие на концах вставочной последовательности инвертированных повторов, которые узнает транспозаза, осуществляющая одноцепочечные разрывы цепей ДНК, расположенных по обе стороны от подвижного элемента. Оригинальная копия IS-элемента остается на прежнем месте, а ее реплицированный дупликат перемещается на новый участок. Перемещение подвижных генетических элементов принято называть репликативной или незаконной рекомбинацией. Также они не являются самостоятельными репликонами, так как их репликация-составной элемент репликации ДНК репликона, в составе которого они находятся.

Транспозоны

Это сегменты ДНК, обладающие теми же свойствами, что и IS-элементы, но имеющие структурные гены. Значение Перемещаясь по репликону или между ними, подвижные генетические элементы вызывают:

1) инактивацию генов тех участков ДНК, куда они, переместившись, встраиваются;

2) образование повреждений генетического материала;

3) слияние репликонов, т.е. встраивание плазмиды в хромосому;

4) распространение генов в популяции бактерий, что может приводить к изменению биологических свойств популяции, смене возбудителей инфекций и эволюционным процессам среди микробов.

Умеренные фаги лизируют не все клетки в популяции, с частью из них они вступают в симбиоз, в результате чего ДНК фага встраивается в хромосому бактерии. В таком случае гено­мом фага называют профаг. Профаг, ставший частью хромосо­мы клетки, при ее размножении реплицируется синхронно с геном бактерии, не вызывая ее лизиса, и передается по наслед­ству от клетки к клетке неограниченному числу потомков.

Био­логическое явление симбиоза микробной клетки с умеренным фагом (профагом) называется лизогенией, а культура бакте­рий, содержащая профаг, получила название лизогенной. Это название отражает способность профага самопроизвольно или под действи­ем ряда физических и химических факторов исключаться из хро­мосомы клетки и переходить в цитоплазму, т. е. вести себя как вирулентный фаг, лизирующий бактерии.

Лизогенные культуры по своим основным свойствам не от­личаются от исходных, но они невосприимчивы к повторному заражению гомологичным или близкородственным фагом и, кроме того, приобретают дополнительные свойства, которые находятся под контролем генов профага. Изменение свойств мик­роорганизмов под влиянием профага получило название фаго­вой конверсии. Последняя имеет место у многих видов мик­роорганизмов и касается различных их свойств: культуральных, биохимических, токсигенных, антигенных, чувствительности к антибиотикам и др. Кроме того, переходя из интегрированного состояния в вирулентную форму, умеренный фаг может захва­тить часть хромосомы клетки и при лизисе последней перено­сит эту часть хромосомы в другую клетку. Если микробная клет­ка станет лизогенной, она приобретает новые свойства. Таким образом, умеренные фаги являются мощным фак­тором изменчивости микроорганизмов.