Генетика микроорганизмов

Вирусы - это мельчайшие живые  организмы, размеры которых варьируют  в пределах примерно от 20 до 300 нм. Вирусы не способны воспроизводить себя вне  клетки хозяина. Они находятся на самой границе между живыми и  неживыми.

Вирусы могут воспроизводить себя только внутри живой клетки, поэтому  они являются облигатными паразитами. Попав внутрь клетки-хозяина, они  инактивируют хозяйскую ДНК и, используя  свою собственную ДНК или РНК, дают клетке команду синтезировать  новые копии вируса. Вирусы передаются из клетки в клетку в виде инертных частиц.

Жизненные циклы большинства  бактерий схожи. А вот в клетку они проникают по-разному, поскольку  в отличие от вирусов животных бактериальным и растительным вирусам  приходиться проникать ещё через  клеточную стенку. Проникновение  в клетку не всегда происходит путём  инъекции, и не всегда белковая оболочка вируса остаётся на внешней поверхности  клетки.

Попав внутрь клетки-хозяина, некоторые фаги не реплицируются. Вместо этого их ДНК включается в ДНК  хозяина. Здесь эта нуклеиновая  кислота может оставаться в течение  нескольких поколений, реплицируясь вместе с собственной ДНК хозяина. Такие  фаги известны под названием умеренных  фагов, а бактерии, в которых они  затаились, называются лизогенными. Это означает, что потенциально бактерия может лизироваться, но лизиса клеток не наблюдается до тех пор, пока фаг не возобновит свою деятельность. Такой неактивный фаг называется профагом или провирусом.

Формирование  вирусных частиц

В настоящее время прояснился лишь начальный этап реализации наследственной информации, заключённой в гене,--синтез белка и его регуляция. Выяснено образование некоторых морфологических структур.

Информация о первичной  структуре белков записана в генах, представляющих собой определённую последовательность нуклеотидов. Структуры  высшего порядка определяются первичной  структурой. В основе образования  этих структур лежит принцип минимума энергии. Полипептидная цепочка  приобретает энергетически наиболее выгодную конфигурацию.

Но каким образом происходит сборка белковых и других молекул  в более сложные надмолекулярные  структуры, например, таких как вирусные частицы? Нужна ли для этого дополнительная информация, кроме информации, заключенной  в первичной структуре белка, являющегося структурным материалом для этих образований?

Лучше всего изучено формирование неклеточных структур - вирусов, а  среди них особенно вируса табачной мозаики (ВТМ)

Морфогенез 1-го порядка

Вирус табачной мозаики имеет  форму палочки и состоит из РНК, окружённой одинаковыми по своему строению белковыми глобулами, которых  насчитывается около 2000.

ВТМ--единственный вирус, который удалось разделить на составные части - РНК и белок - и вновь собрать в пробирке. Если белковую часть ВТМ осадить в центрифуге, а затем поместить в раствор с определёнными физико-химическими свойствами, то белковые молекулы укладываются в палочки, длина которых в отсутствие РНК произвольна.

Упаковку молекул белка  в виде палочек можно рассматривать  как процесс образования четвертичной структуры. Значит, молекулы белка ВТМ  могут самопроизвольно образовывать четвертичную структуру. Разделив частицы  ВТМ на нуклеиновую кислоту и  белок, можно их снова восстановить. В присутствии РНК образуются полноценные вирусы, длина палочек  которых задана стержнем вируса - молекулой  РНК.

Значит, форму вируса определяет тот ген, в котором закодирована последовательность аминокислот в  молекуле ДНК оболочки вируса. Этой информации оказывается достаточно для самосборки белковой оболочки вируса. Если вся информация, определяющая форму какого-либо признака, содержится в одном белке (в одной полипептидной цепочке), а, следовательно, в одном гене, то объединение или самосборку белковых молекул называют морфогенезом или морфопоэзом 1-го порядка

генетическая бактерия клетка вирус

Морфопоэз высших порядков

А как происходит морфогенез у более сложных вирусов? Рассмотрим формирование фага Т4, поражающего бактерию кишечной палочки. Фаг Т4 состоит из головки, в виде многогранника, содержащего компактно уложенную ДНК. Кроме головки фаг имеет хвост, образованный сократимым чехлом и стержнем. Снизу к хвосту прикреплена пластинка, от которой отходят 6 коротких зубцов и 6 длинных нитей

При помощи хвостовых нитей  и зубцов фаг Т4 прикрепляется к оболочке бактерии, хвостовой чехол сокращается, стержень, наподобие иглы шприца, прокалывает оболочку бактерии. Молекула ДНК фага через стержень проникает внутрь бактериальной клетки. После проникновения фаговой ДНК в клетку прекращается синтез бактериальных белков, и под контролем ДНК фага начинают создаваться фаговые белки. Сначала образуются ферменты, необходимые для редупликации фаговой ДНК, затем структурные белки, после чего наступает процесс сборки фага.

После разделения фага Т4 на части не удаётся снова их воссоединить, получить полноценные фаги. Это свидетельствует о том, что морфогенез фага Т4 значительно сильнее, чем вируса табачной мозаики.

Генетика фага Т4 хорошо изучена: составлена генетическая карта, в которой отображена локализация более 70 различных генов, отвечающих за признак фага. На генетичесческой карте гены фага Т4 отображены порядковыми номерами: 1 2 3 … n. Для построения полноценной фаговой головки необходимо примерно 7 генов, действие 5-ти генов известно. Ген 23 отвечает за синтез строительного белка головки. Ген 66 управляет образованием нормальной длины головки. В случае мутации данного гена возникает укороченная головка. Ген 20 участвуют в замыкании головки. Его мутантный аллель вместо нормальной головки производит трубчатую структуру, в которой нет ДНК (полиголовка). Ген 21 в мутантной форме даёт короткую аномальную головку, по- видимому совсем не содержащую ДНК. Мутантный аллель гена 31 приводит к слиянию в растворе в комочки строительного белка головки, в результате чего последняя не образуется.

Таким образом, из одного и  того же строительного белка, в одинаковых физико-химических условиях среды могут  быть образованы головки 3-х видов - нормальная, короткая и полиголовка; строительный белок не определяет полностью форму головки фага. Необходима дополнительная информация, записанная в других генах. Но каковы продукты этих генов, и каким образом они участвуют в морфогенезе головки, пока неизвестно. Полагают, что они образуют ядро, играющего роль «каркаса» при построении головки, которое после стабилизации может исчезать.

Для того чтобы приблизиться к пониманию этого вопроса, рассмотрим условия образования полиголовки фага Т4. Были получены двойные мутанты; одна мутация всегда затрагивает ген 20, а вторая поочерёдно остальные гены головки. Результаты эксперимента показали, что полиголовка не образуется, если испорчены гены 23, 31 и 66. Ген 31 определяет образование продукта, препятствующего слиянию структурного белка головки в бесструктурные комочки, поэтому можно считать, что он создаёт лишь условия для морфогенеза. Но 2 других гена - ген23 и ген 66, несомненно, морфогенетические. Ген 23, как уже говорилось, отвечает за синтез структурного белка головки. Природа продукта гена 66 и его функция пока неизвестны.