11. Хромосомные и внехромосомные носители генетической информации бактерий.

Плазмида бактерий — фрагменты ДНК размером 10³ — 10⁶ п.н., несущие генетическую информацию (40-50 генов), кодирующие не основные для жизнедеятельности бактериальной клетки функции, а адаптационные функции.

Признаки, объединяющие плазмиды в одно царство с вирусами: отсутствие собственных систем мобилизации энергии и синтеза белка; саморепликация генома; абсолютный внутриклеточный паразитизм.

Признаки, выделяющие плазмиды в отдельный класс:

- среда обитания — только бактерии;

- сосуществуют с бактериями, наделяя их дополнительными свойствами;

- геном «голый», не имеет оболочки;

- репликация не требует синтеза структурных белков и процессов самосборки;

- могут встраиваться в хромосому бактерий (интегративные плазмиды) или находиться в виде отдельной замкнутой молекулы ДНК, способной к автономной репликации — автономные плазмиды.

Автономные плазмиды существуют в цитоплазме бактерий и способны самостоятельно репродуцироваться; интегрированные плазмиды репродуцируются одновременно с бактериальной хромосомой.

Иногда продукты плазмидных генов могут способствовать выживанию несущих их бактерий.

Плазмиды могут распространяться по вертикали (при клеточном делении) и по горизонтали (путем конъюгационного переноса). Выделяют конъюгативные и неконъюгативные плазмиды.

Конъюгативные плазмиды обладают способностью передавать свою копию в другие клетки методом конъюгации. Конъюгативные плазмиды содержат в своем геноме гены, ответственные за образование конъюгационного мостика между клетками, по которому может переноситься одна из нитей плазмидной или бактериальной ДНК. Конъюгативные плазмиды крупные, часто выявляются у Грам-палочек, делятся синхронно с нуклеоидом, обычно в клетке 1-2 копии.

Неконъюгативные плазмиды не способны запускать конъюгацию, имеют небольшие размеры, характерны для Грам+ кокков, но встречаются также у некоторых Грам- бактерий. Неконъюгативные плазмиды делятся чаще нуклеоида, могут присутствовать в больших количествах (более 30 на клетку), т. к. только наличие такого количества обеспечивает их распределение в потомстве во время клеточного деления. Неконъюгативные плазмиды могут передаваться при конъюгации одновременно с конъюгативными (при наличии в бактерии одновременно конъюгативных и неконъюгативных плазмид).

Плазмиды выполняют регуляторные и кодирующие функции.

Регуляторные плазмиды компенсируют нарушения функций ДНК нуклеоида или дефектов метаболизма бактериальной клетки путём встраивания в поврежденный геном и его восстановления.

Кодирующие плазмиды привносят в бактериальную клетку новую генетическую информацию, кодирующую новые свойства.

F-плазмиды (половой фактор) контролируют синтез F-пилей, способствующих спариванию бактерий-доноров (F⁺) с бактериями-реципиентами (F^-).

R-плазмиды (фактор резистентности) кодируют устойчивость к лекарственным препаратам (антибиотикам, тяжелым металлам).

R-плазмиды могут передаваться бактериям других видов. Передача R-плазмид привела к их широкому распространению среди патогенных и УП бактерий, что чрезвычайно осложнило химиотерапию вызываемых ими заболеваний.

Плазмиды бактериоциногенности кодируют синтез бактериоцинов (колицинов, стафилоцинов, пестицинов) – белковых антибиотикоподобных веществ, обладающих бактерицидным действием в отношении близкородственных видов микроорганизмов.

Плазмиды патогенности контролируют вирулентные свойства микроорганизмов:

- CF плазмиды — контролируют адгезию;

- Hly-плазмиды — определяют синтез гемолизинов;

- Ent-плазмиды — определяют синтез энтеротоксинов;

- Tox-плазмиды — определяют токсинообразование.

D-плазмиды — плазмиды биодеградации, несут информацию об утилизации органических соединений. Они кодируют способность бактерии разрушать тот или иной субстрат.

IS (вставочная) последовательность бактерий, - это простейший тип мигрирующих элементов, их величина не превышает 1500 пар оснований. Они несут только один ген транспозазы, с помощью которой IS-элементы могут встраиваться в различные участки хромосомы. IS-элементы самостоятельно не реплицируются и не кодируют фенотипические признаки. Содержащиеся в них гены обеспечивают только их перемещение из одного участка в другой.

Пути перемещения IS-последовательностей:

- консервативный — покидая один участок, IS-элемент встраивается в другой;

- репликативный — синтезируется копия, которая встраивается в другой участок генома.

Основные функции IS-последовательностей:

1. Регуляторная — участвуют в регуляции активности генов бактериальной клетки.

2. Координирующая — обусловливают взаимодействие внехромосомных факторов наследственности между собой и с бактериальной хромосомой.

3. Индукция мутаций типа делеций или инверсий (при перемещении) и дупликаций (при встраивании в хромосому)

4. Являются генетическими маркерами вида бактерий.

Транспозоны (Tn-элементы) более сложно организованные транспозирующиеся и самоинтегрирующиеся фрагменты ДНК длиной 2000-25 000 пар нуклеотидов. Содержат фрагмент ДНК, несущий специфические гены, и два концевых IS-элемента. Способны менять место своей локализации в молекуле ДНК, а также мигрировать из одной молекулы ДНК в другую. Транспозоны распространяются среди различных видов бактерий, встраиваясь и перемещаясь среди хромосом, плазмид, умеренных фагов.

Состояние транспозонов в бактериальной клетке может быть интегрированное в репликон. Или свободное автономное. При включении в ДНК бактерий транспозоны вызывают дупликации, при выходе из определенного участка ДНК — делеции, при выходе и включении обратно с поворотом фрагмента на 180º — инверсии.

Таким образом, транспозоны, как и IS-последовательности, не способны к самостоятельной репликации и размножаются только в составе бактериальной хромосомы. Отличие транспозонов от IS-последовательностей: содержат в своем составе не только гены транспозиции, но и структурные гены.

Биологическая роль транспозонов:

1. Регуляторная — участвуют в регуляции активности генов. Интеграция транспозонов может привести к экспрессии соседнего «молчащего» гена.

2. Кодирующая — осуществляют горизонтальный перенос генов, несущих информацию о синтезе токсинов, ферментов.

3. Индукция геномных мутаций разного типа.

4. Являются генетическими маркерами вида бактерий.

12. Виды изменчивости. Мутации микроорганизмов, мутагены.

Изменчивость бактерий — способность приобретать новые признаки, закреплять их в потомстве и сохранять. Изменчивость — один из главных факторов эволюции. Свойства микроорганизмов определяются их генотипом (совокупностью генов). Фенотип - результат взаимодействия между бактериальной клеткой и окружающей средой под контролем генотипа.

Ненаследственная (модификационная) изменчивость обусловлена влиянием внутри- и внеклеточных факторов на проявление генотипа. При устранении фактора, вызвавшего модификацию, данные изменения исчезают. Диссоциация микробов - разделение однородной популяции на два или несколько типов. Возникает в условиях, неблагоприятных для исходной популяции (высокая концентрация ионов, неоптимальная температура).

Наследственная (генотипическая) изменчивость - наследуемые изменения, возникающие в результате мутаций или генетических рекомбинаций.

Мутации — скачкообразные стойкие изменения первичной структуры ДНК. Мутации у бактерий носят ненаправленный характер.

Мутации проявляются в фенотипе в виде утраты или изменения признаков: морфологических (жгутиков, пилей, капсулы), биохимических (способности ферментировать углеводы, синтезировать аминокислоты, витамины), возникновения резистентности к лекарственным или дезинфицирующим веществам.

Классификации мутаций по происхождению:

Спонтанные — возникающие самопроизвольно, без преднамеренного экспериментального воздействия, под влиянием природных факторов или в результате физиологических изменений в клетке. Спонтанные мутации проявляются в результате ошибок репликации ДНК и вследствие перемещения подвижных генетических элементов в процессе роста и размножения бактерий.

Индуцированные — возникают под влиянием мутагенов.

Классификация мутагенов по природе: физические (УФ-излучение, температура), химические (различные химические соединения), биологические (вирусы, транспозоны).

В зависимости от места возникновения мутации могут быть генными и хромосомными. Генные мутации возникают в пределах одного гена, хромосомные — в нескольких генах и представляют собой крупные перестройки.

По направленности действия мутации могут быть прямые (потеря или изменение признака) или обратные — восстановление признака.

По фенотипическим последствиям для мутировавшей клетки:

- Нейтральные — безразличны для популяции, фенотипически не проявляются изменениями признаков.

- Условно-летальные — приводят к изменению фермента. В зависимости от условий окружающей среды микроорганизмы могут погибать.

- Летальные — полная утрата способности синтезировать жизненно важный для бактериальной клетки фермент.

- Полезные — изменения молекулярной конституции, обеспечивающие резистентность к неблагоприятным воздействиям.

По протяженности повреждений мутации бывают точечными, когда повреждения ограничиваются одной парой нуклеотидов, и протяженными (аберрации). При аберрациях может наблюдаться выпадение нескольких пар нуклеотидов (делеция), добавление нуклеотидных пар (дупликация) или поворот участка ДНК на 180° (инверсия).

Нонсенс-мутации (бессмысленные мутации) обусловлены включением в кодирующую последовательность терминального кодона, что вызывает преждевременное окончание транскрипции. Эта мутация приводит либо к синтезу очень коротких нефункциональных белков, либо к полному прекращению синтеза белка.

Теоретически мутации могли бы привести к вымиранию бактериальной популяции, однако в любой живой клетке существуют биохимические механизмы, способные полностью или частично восстанавливать исходную структуру ДНК (репарации).