Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология
Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии


Генетический аппарат бактерий



Генетический аппарат бактерий представлен хромосомными (нуклеоид) и внехромосомными (плазмиды, инсерционные последовательности, транспозоны) структурами.

I. Нуклеоид:

не имеет ядерной мембраны и не связан с гистонами;

одна непарная суперспирализованная хромосома состоит из двунитевой молекулы ДНК (обычно кольцевой, реже — линейной) размером от 3 × 108 до 2, 9 × 109 Д и содержит до 4600 генов;

один конец бактериальной хромосомы связан с мезосомой;

некоторые бактерии имеют сложные геномы, состоящие из двух или нескольких репликонов.

Структура ДНК и генетический код. Материальной основой наследственности, определяющей генетические свойства всех организмов, является ДНК. Исключение составляют только РНК-содержащие вирусы, у которых генетическая информация закодирована в РНК.

ДНК состоит из последовательности химически связанных нуклеотидов и имеет структуру правильной двойной спирали из закрученных одна вокруг другой двух полинуклеотидных цепей. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара дезоксирибозы и фосфатной группы. Азотистые основания ДНК представлены пуринами А, G (аденин, гуанин) и пиримидинами Т, С (тимин, цитозин). ДНК содержит А, С, G, Т; РНК — А, С, G, U (урацил).

Каждый нуклеотид обладает полярностью. У него имеются дезоксирибозный 3'-конец и фосфатный 5'-конец. Нуклеотиды соединяются в полинуклеотидную цепочку фосфодиэфирными связями между 5'-концом одного нуклеотида и 3'-концом другого. Соединение между двумя цепочками обеспечивается водородными связями комплементарных азотистых оснований: аденина с тимином, гуанина с цитозином. Нуклеотидные цепи антипараллельны: на каждом конце линейной молекулы ДНК расположены 5'-конец одной цепи и 3'-конец другой цепи. Последовательность нуклеотидов ДНК определяет последовательность аминокислотных остатков в молекуле белка.

Каждому белку соответствует свой ген — уникальная структурная единица наследственности. Ген — фрагмент полинуклеотидной цепи молекулы ДНК, отличающийся числом и специфичностью последовательности нуклеотидов и кодирующий синтез одного пептида. В ДНК содержатся структурные и регуляторные гены.

Структурные гены несут информацию о синтезируемых ферментах или структурных белках. Гены, ответственные за синтез вещества, обозначают строчными буквами латинского алфавита, соответствующими названию данного вещества со знаком «+» (his+ — гистидиновый ген, leu+ — лейциновый ген). Гены, контролирующие резистентность к лекарственным препаратам, фагам, обозначают буквой r (resistant — резистентный). Например, резистентность к стрептомицину записывается strr, а чувствительность (sensitive — чувствительный) — strs.

Регуляторные гены регулируют транскрипцию структурных генов.

Хромосома состоит из функциональных единиц — оперонов. Оперон — совокупность промотора, оператора и структурных генов — является функциональной генетической единицей, регулирующей экспрессию одного или группы генов.

Регуляция выражения генетической информации у бактерий. Бактериальная клетка способна запустить или прекратить синтез фермента в зависимости от присутствия соответствующего субстрата. Для этого бактериальные гены объединены в группы так, что все ферменты, необходимые для осуществления биосинтеза, детерминируются генами, сцепленными друг с другом. Вся группа генов может транскрибироваться в одну полицистронную мРНК, которая последовательно транслируется рибосомами с образованием каждого из белков.

Экспрессия генов у прокариот регулируется на уровне транскрипции. Роль сигнальных веществ для запуска транскрипции играют низкомолекулярные соединения, которые являются либо субстратом для фермента, либо продуктом ферментативной деятельности. Индукция и репрессия представляют собой разные стороны одного и того же явления. Малые молекулы, индуцирующие образование ферментов, способных метаболизировать их, называются индукторами. Те же, которые предотвращают образование ферментов, способных синтезировать их, — корепрессорами.

Молекулы-эффекторы не могут вступать в прямое взаимодействие с ДНК, посредником для них служит специальный регуляторный белок. Регуляторный белок, который связывается с ДНК в отсутствии индуктора, называется репрессором.

За синтез регуляторных белков ответственны регуляторные гены. В присутствии белка-репрессора транскрипция блокирована; его удаление обусловливает доступ РНК-полимеразы к генам и запуск транскрипции. Прекращение синтеза фермента при помощи белка-репрессора получило название репрессии. Последняя позволяет бактериальной клетке избежать перевода своих ресурсов на
ненужную в данный момент синтетическую активность. Если индуктор присутствует в клетке в высокой концентрации, то в результате специфического присоединения к регуляторному белку он изменяет его конформацию и способность связываться с ДНК.

Контроль транскрипции достигается взаимодействием регуляторного белка с регуляторным сайтом (оператором), который расположен между структурными генами и промотором (участком, распознаваемым ДНК-зависимой РНК-поли-меразой). Промотор служит местом связывания РНК-полимеразы, и от него начинается транскрипция.

Ген имеет три фундаментальные функции:

1. Непрерывность наследственности. Обеспечивается полуконсервативным механизмом репликации ДНК: каждая из двух цепочек ДНК хромосомы или плазмиды служит матрицей для синтеза комплементарной дочерней цепочки ДНК.

Репликация начинается с расплетения двунитевой структуры ДНК ферментом ДНК-гидролазой. При этом формируются две репликативные вилки, которые двигаются в противоположных направлениях, пока не встретятся. Формирование новой дочерней цепи осуществляется ферментом ДНК-полимеразой,
присоединяющей комплементарные матрице нуклеотиды к свободному 3'-концу растущей цепочки. Для осуществления реакции полимеризации нуклеотидов
на матрице родительской цепочки ДНК-полимеразе требуется затравка, которая называется праймером (англ. primer — запал). Праймер — короткая нуклеотидная цепочка, комплементарная матричной цепочке со свободным 3'-концом.

Две цепи двойной спирали ДНК комплементарны друг другу. На каждой цепи из структурных элементов ДНК (дезоксирибонуклеозидтрифосфатов) синтезируется новая цепь. При этом с каждым из оснований спаривается комплементарное ему основание, так что каждая из двух новых цепей будет комплементарна родительской цепи. Обе новые двойные цепи состоят из одной родительской и одной вновь синтезированной цепи. Такая точная репликация ДНК гарантирует сохранение генетической информации. ДНК бактерий, будучи носителем наследственной информации, сама не служит матрицей для синтеза
полипептидов. Биосинтез белков происходит на рибосомах, которые непосредственно с ДНК не соприкасаются. Передачу записанной в ДНК информации к местам синтеза белка осуществляет одноцепочечная мРНК. По последовательности оснований цепь мРНК комплементарна цепи ДНК и отличается от цепи ДНК тем, что тимин в РНК заменен урацилом.

Транскрипция — синтез мРНК на одной из цепей ДНК, начиная с 5'-конца; механизм этого процесса сходен с механизмом репликации ДНК.

Трансляция — перевод нуклеотидной последовательности мРНК в последовательность аминокислот. Аминокислоты затем собираются в полипептидную цепь, т. е. синтезируется белок (рис. 72).

Последовательность аминокислот определяет пространственную структуру белка — конформацию. По мере продвижения рибосомы вдоль мРНК полипептидная цепь растет, закручивается и свертывается в клубок. В результате возникает структура, обусловливающая специфические свойства и функцию данного белка. К мРНК обычно прикрепляется несколько рибосом, так что на одной и той же матрице одновременно синтезируется несколько полипептидных цепей. На конце мРНК находится кодон, от которого зависит отделение сформированной полипептидной цепи от рибосомы.

 

 

Рис. 72. Биосинтез белка

 

Таким образом, нуклеотидная последовательность ДНК представляет собой закодированную «инструкцию», определяющую структуру специфического белка. Репликация хромосомной (и плазмидной) ДНК обусловливает передачу генетической информации по вертикали — от родительской клетки к дочерней.
Передача генетической информации по горизонтали осуществляется при генетических рекомбинациях.

2. Взаимоотношения между последовательностью нуклеотидов в гене и последовательностью аминокислот в белке устанавливаются с помощью генетического кода из четырех оснований. Код триплетный, поскольку кодон (функциональная единица, кодирующая аминокислоту) состоит из трех оснований. Последовательности кодонов считываются непрерывно, начиная с фиксированной стартовой точки на одном конце гена и заканчивая точкой терминации на другом конце гена. Это значит, что различные части гена не могут читаться независимо.

3. Эволюция организмов происходит благодаря мутациям и генетическим рекомбинациям.

II. Внехромосомные факторы наследственности. Внехромосомные факторы наследственности у бактерий представлены плазмидами, мигрирующими генетическими элементами (транспозонами), инсерционными последовательностями (вставочными, IS-последовательностями). Они не являются жизненно необходимыми генетическими элементами для бактериальных клеток, так как не несут информации о синтезе ферментов, участвующих в пластическом или энергетическом метаболизме. Закодированная в них генетическая информация важна для клеток популяции только в данных конкретных условиях ее существования и может давать бактериям селективные преимущества, например, резистентность к антибиотикам. Изменение условий существования (попадание бактерий во внешнюю среду или невосприимчивый организм) лишает их данных преимуществ.

Плазмиды располагаются в цитоплазме бактерий. Количество их в бактериальной клетке может быть от 1 до 200. Плазмиды представлены кольцевой двухцепочечной ДНК длиной от 2000 до 600 000 пар нуклеотидов, несущих 10–100 генов. Благодаря кольцевой структуре ДНК плазмиды не подвергаются действию экзонуклеаз — ферментов, вызывающих деградацию ДНК. Существуют также линейные плазмиды, резистентность которых к действию экзонуклеаз обеспечивается тем, что концы их нитей защищены белками или соединяются ковалентно.

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 (среди вирусов имеются бактериофаги, вирусы растений, вирусы животных);

сосуществуют с бактериями, наделяя их дополнительными свойствами (у вирусов эти свойства могут быть только у умеренных фагов при лизогении бактерий, чаще всего вирусы вызывают лизис клеток);

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 (эписомы).

Интегративные плазмиды содержат специфические инсерционные последовательности (IS-элементы), имеющие в своем составе ген, ответственный за сайт-специфическую рекомбинацию. В интегрированном состоянии плазмиды способны неопределенно долго существовать в составе хромосомы, реплицируясь вместе с ней, как обычные хромосомные гены.

Плазмиды содержат сайт начала репликации и набор генов, необходимых для ее осуществления. Однако поскольку в процессе репликации ДНК участвует множество белков, в репликации плазмид участвуют и белки клетки хозяина. Поскольку эти белки у разных видов бактерий отличаются друг от друга, то плазмиды могут существовать только в ограниченном числе близкородственных видов бактерий. Однако известны плазмиды, имеющие широкий круг хозяев. Они обладают отличиями в наборе белков, необходимых для их поддержания в различных бактериях.

Переход плазмиды в автономное состояние и реализация записанной в ней информации часто связаны с индуцирующими воздействиями внешней среды.
В некоторых случаях продукты плазмидных генов могут способствовать выживанию несущих их бактерий. Самостоятельная репликация плазмидной ДНК способствует ее сохранению и распространению в потомстве. Встраивание плазмид, так же как и профагов, происходит только в гомологичные участки бактериальной хромосомы, в то время как IS-последовательностей и транспозонов — в любой ее участок.

Плазмиды могут распространяться по вертикали (при клеточном делении) и по горизонтали (путем конъюгационного переноса). В зависимости от наличия или отсутствия механизма самопереноса (его контролируют гены tra-оперона) выделяют конъюгативные и неконъюгативные плазмиды.

Конъюгативные (трансмиссивные) 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. Чаще всего конъюгативными являются F- или R-плазмиды. Конъюгативные плазмиды крупные (25–150 млн Д), часто выявляются у Грам– палочек, делятся синхронно с нуклеоидом, обычно в клетке 1–2 копии. Они переносятся от бактерии к бактерии внутри вида или между представителями близкородственных видов. Среди них есть плазмиды как с узким, так и с широким кругом хозяев. Они играют важную роль в эволюции бактерий, способствуя распространению генов среди бактерий разных видов и родов. Это явление получило название горизонтального переноса генов.

Неконъюгативные (нетрансмиссивные) плазмиды не способны запускать конъюгацию, имеют небольшие размеры, характерны для Грам+ кокков, но встречаются также у некоторых Грам– бактерий (например, у H. influenzae,
N. gonorrhoeae
). 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) или при трансдукции.

Функции плазмид:

Регуляторная — компенсирует нарушение функции ДНК нуклеоида (например, при интеграции плазмиды в состав поврежденного бактериального генома, неспособного к репликации, его функция восстанавливается за счет плазмидного репликона).

Кодирующая — вносит в бактериальную клетку новую информацию:

индуцирует деление;

контролирует синтез факторов патогенности;

совершенствует защиту бактерий (синтез бактериоцинов, резистентность к антибиотикам);

обеспечивает выживание в неблагоприятных условиях: при действии катионов (висмута, кадмия, ртути, свинца, сурьмы), анионов (арсената, арсенита), мутагенов (акридинов, этидиум-бромида, УФО).

Виды плазмид:

F-плазмиды — половой фактор, F-фактор, фактор фертильности (англ. fertility — плодовитость). F-плазмиды выполняют донорские функции, индуцируют деление.

Они могут находится как в интегрированном состоянии (Hfr-клетки — от англ. High frequency of recombinations — высокая частота рекомбинаций), так и в автономном состоянии (F+-клетки). Интегрированные F-плазмиды переносят свою генети­ческую информацию и часть генетической информации хромосомы в реципиентную клетку. Перенос генетического материала детерминируется tra-опероном F-плазмиды (от англ. transfer — перенос), обеспечивающим ее конъюгативность. F-плазмиду можно элиминировать из клетки, обработав последнюю акридиновым оранжевым. В результате этого клетки теряют свойства донора.

R-плазмиды — R-фактор, фактор резистентности (англ. resistance — устойчивость) детерминируют множественную резистентность к антимикробным препаратам. R-плазмиды имеют более сложное строение, в их состав входит
r-оперон, который может содержать более мелкие мигрирующие элементы
(IS-последовательности, транспозоны и tra-опероны).

Конъюгативные R-плазмиды содержат 2 области генов: гены, контролирующие лекарственную резистентность и гены, контролирующие перенос
R-плазмид при конъюгации (у Грам– бактерий).

Неконъюгативные R-плазмиды передаются при трансформации, трансдукции (у Грам+ бактерий), конъюгации в случае интеграции с трансмиссивными плазмидами.

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

Плазмиды бактериоциногенности детерминируют синтез бактериоцинов (колицинов, стафилоцинов, вибриоцинов, пестицинов) — белковых антибиотикоподобных веществ, обладающих бактерицидным действием в отношении близкородственных видов микроорганизмов. Они редко интегрируют в нуклеоид.

Бактериоцины являются одним из механизмов межвидовой конкуренции и не действуют на клетки, несущие плазмиды бактериоциногенности такого же типа. Например, Col-плазмиды участвуют в поддержании эубиоза кишечника.

Механизмы бактерицидного действия бактериоцинов:

нарушение функции рибосом;

ферментативное разрушение ДНК (являются нуклеазами);

нарушение функции ЦПМ.

Известно более 25 типов колицинов (A, B, C, D, E1, E2, К и др.), отличающихся по физико-химическим и антигенным свойствам, а также по способности адсорбироваться на определенных участках поверхности бактериальных клеток.

Способность продуцировать различные типы колицинов используется для типирования бактерий при проведении эпидемиологического анализа вызываемых ими заболеваний:

колициногенотипирование — определение типа Col-плазмиды;

колицинотипирование — определение типа колицина.

4. Плазмиды вирулентности контролируют вирулентные свойства микроорганизмов, детерминируя синтез факторов патогенности:

CF + плазмиды — контролируют адгезию;

плазмиды, контролирующие синтез пенетринов;

Hly-плазмиды — определяют синтез гемолизинов;

Ent-плазмиды — определяют синтез энтеротоксинов;

Tox-плазмиды — определяют токсинообразование.

Развитие инфекционного процесса, вызванного возбудителями чумы, сибирской язвы, кишечного иерсиниоза, боррелиоза связано с функционированием плазмид вирулентности.

5. D-плазмиды — плазмиды биодеградации, несут информацию об утилизации органических соединений, которые бактерии используют в качестве источников углерода, азота и энергии (в т. ч. различные сахара и необычные аминокислоты, камфару, ксилол, нафталин, толуол). Обеспечивают патогенным бактериям селективные преимущества во время пребывания на объектах окружающей среды и в организме человека (уропатогенные штаммы кишечных палочек содержат плазмиду гидролизации мочевины).

Близкородственные плазмиды не способны стабильно сосуществовать, что позволило объединить их по степени родства в Inc-группы (англ. incompatibi-lity — несовместимость). Насчитывается более двух десятков групп несовместимости, объединяющих родственные плазмиды.

Мобильные (мигрирующие) генетические элементы — участки ДНК, способные к транспозиции (случайному переносу) внутри одной клетки как внутри одного генома, так и между ними (плазмидным и хромосомным, плазмидным и фаговым), не способны к самостоятельной репликации, размножаются в составе бактериальной хромосомы или плазмид. Транспозиция обеспечивается транспозазой — ферментом рекомбинации.

Преимущество мобильной организации генов заключается в возможности быстрой адаптации бактерий к условиям внешней среды. Такой механизм изменчивости объясняет формирование новых типов возбудителей инфекционных заболеваний. Ген, детерминирующий синтез фактора патогенности, при попадании в другую бактерию может по-иному взаимодействовать с уже имеющимися факторами патогенности, обусловливая различную степень вирулентности и изменение картины инфекционного процесса.

Инсерционные последовательности. Простейшим типом мобильных элементов являются вставочные, или инсерционные последовательности (IS-эле-менты) (англ. insertion — вставка, sequence — последовательность), несущие только один ген транспозазы, с помощью которой IS-элементы могут встраиваться в различные участки хромосомы. Они являются подвижными фрагментами ДНК размером до 1500 пар нуклеотидов и встречаются в ДНК всех организмов.

Впервые IS-последовательности были открыты у бактерий при обнаружении вставок (инсерций) нового материала в пределах бактериальных оперонов. Такие вставки локализовались внутри гена и предотвращали его транскрипцию. Восстановление активности гена происходило лишь после утраты встроенного материала. При сравнении последовательностей, присутствующих в различных инсерционных мутантах, выявлено несколько типов IS-элементов, хотя определенные черты являлись общими для всех элементов. Каждый из них представляет собой автономную единицу, кодирующую белок (или белки), необходимый для транспозиции (перемещения). Этот белок узнает концы транспозирующегося элемента, которые образованы инвертированными повторяющимися последовательностями разной протяженности. Если две копии одного и того же элемента находятся в хромосоме на относительно небольшом расстоянии друг от друга, они могут транспозироваться в виде одной генетической структуры: два IS-эле-мента и заключенные между ними бактериальные гены.

Отличие IS-последовательностей от транспозонов: не имеют в своем составе структурных генов, а только гены, отвечающие за перемещение (транспозицию) в различные участки ДНК.

Пути перемещения IS-последовательностей:

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

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

Состояние IS-элементов в бактериальной клетке: не обнаружены в свободном состоянии (не способны к автономной репликации).

Биологическая роль IS-элементов:

Регуляторная — участвуют в регуляции активности (инактивации или активации) генов бактериальной клетки, в которых произошла вставка IS-эле-мента.

Координирующая — обусловливают взаимодействие внехромосомных факторов наследственности (плазмид, умеренных фагов, транспозонов) между собой и с бактериальной хромосомой для обеспечения их рекомбинации.

Индукция мутаций при включении IS-элементов в бактериальную хромосому.

Являются генетическими маркерами вида (рода) бактерий.

Транспозоны (Tn-элементы) — более сложно организованные транспозирующиеся и самоинтегрирующиеся фрагменты ДНК длиной 2000–25 000 пар нуклеотидов. 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.

Транспозоны имеют особые концевые структуры нескольких типов, позволяющие  отличать  их  от  других  фрагментов  ДНК.  Это позволило обнаружить


Поделиться:



Последнее изменение этой страницы: 2019-04-09; Просмотров: 632; Нарушение авторского права страницы


lektsia.com 2007 - 2024 год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! (0.047 с.)
Главная | Случайная страница | Обратная связь