Генетическая система бактерий

Генетическая система бактерий имеет как минимум четыре особенности, присущие только этим организмам.

1. Хромосомы бактерий (и соответственно плазмид) располагаются свободно в цитоплазме, не отграничены от нее никакими мембранами, но связаны с определенными рецепторами на цитоплазматической мембране. Поскольку длина хромосомы во много раз превышает длину бактериаль ной клетки (длина бактерий в среднем 1,5 3,0 мкм, а длина хромосом около 1 мм (у E.coli)), хромосома особым компактным образом в ней упа кована. Хромосомная ДНК находится в суперспирализованной форме и свернута в виде петель, число которых составляет 12 80 на хромосому. Петли в центре нуклеоида объединяются за счет связывания ДНК с сердцевинной структурой, представленной молекулами РНК (4,5S РНК). Такая упаковка обеспечивает постоянную транскрипцию отдельных оперонов хромосомы и не препятствует ее репликации.

2. Бактерии являются гаплоидными организмами, то есть имеют один набор генов, содержание ДНК у них непостоянно. Но оно может при благоприятных условиях достигать значений, эквивалентных по массе 2, 4, 6 и даже 8 хромосомам. У всех прочих живых существ содержание ДНК постоянное, и оно удваивается (кроме вирусов и плазмид) перед делением.

3. У бактерий в естественных условиях передача генетической ин формации происходит не только по вертикали, то есть от родительской клетки дочерним, но и по горизонтали с помощью различных механизмов: конъюгации, трансдукции, трансформации.

4. У бактерий очень часто помимо хромосомного генома имеется до полнительный плазмидный геном, наделяющий их важными биологиче скими свойствами, нередко специфическим иммунитетом к различным ан тибиотикам и другим химиопрепаратам.

Эубактерии прокариоты, то есть не имеют ни оформленного ядра, ни хромосом, аналогичных таковым эукариотных клеток, поэтому в 40-х гг. XX в. микробиологи считали, что бактерии в генетическом отношении представляют собой неупорядоченную форму жизни. Впервые М. Бейеринк описал у прокариот стабильные, легко распознаваемые и наследуемые изменения, предположил, что бактерии и высшие организмы подчиняются общим генетическим законам. У прокариот весь генетический материал, необходимый для жизнедеятельности, представлен ДНК и локализован в одной хромосоме, то есть бактериальная клетка гаплоидна (рис. 14). В Рис. 14. На тонком срезе покаопределенных условиях в клетках бактерий зан бактериальный нуклеоид в виде компактной массы в ценможет содержаться несколько копий тре клетки хромосомы.

Полуконсервативный механизм репликации ДНК (рис. 15), в результате которого из одной родительской двухцепочной молекулы образуются две дочерние молекулы, содержащие по одной родительской и одной вновь синтезированной комплементарной полинуклеотидной цепи, наилучшим образом обеспечивает идентичность исходной и синтезированных молекул и, следовательно, сохранность видоспецифической наследственной информации в ряду поколений клеток и организмов. Частота ошибок, возникающих в процессе репликации, порядка 10-7.

Реализация наследственной информации в процессе жизн енного цикла (онтогенеза) организма двухступенчатый процесс. Сначала с определенных участков ДНК информация переписывается (транскрибируется) в виде комплементарных нуклеотидных последовательностей молекул иРНК, которая перемещается в цитоплазму, связывается с рибосомами, и в рибосоме с иРНК осуществляется перевод (трансляция) генетической информации в определенную последовательность аминокислотных остатков молекулы белка. Процесс транскрипции находится в клетке под строгим контролем, поэтому имеет место как неодинаковое транскрибирование во времени разных участков ДНК (генов), так и неодинаковая скорость, с которой гены могут транскрибироваться. В результате количество молекул иРНК в клетке, комплементарных разным генам, сильно различается. Хотя в целом механизмы синтеза ДНК и РНК сходны, процесс транскрипции не обладает той степенью точности, которая характерна для репликации ДНК. Однако поскольку иРНК не способна к самовоспроизведению, возникающие при ее синтезе ошибки в последующих клеточных генерациях не воспроизводятся и, следовательно, не могут наследоваться.

Несмотря на то, что механизм трансляции отличается высокой точностью, вероятность ошибки в целом выше, чем в случае синтеза молекул нуклеиновых кислот и РНК. Наиболее уязвимый этап «узнавание» с помощью фермента аминокислоты соответствующей молекулой тРНК. Частота возникновения ошибок на этом этапе около 10 -4 , что и определяет, возможно, уровень точности процесса синтеза белка в целом. Однако, как и в случае синтеза РНК, белки в процессе трансляции, приводящие к синтезу измененной молекулы белка, не воспроизводятся, если они не закодированы исходно в генетическом материале. Только изменения, происходящие в молекулах ДНК, могут сохраняться в ряду поколений, поскольку они воспроизводятся в процессе репликации.

У многих бактерий обнаружены нехромосомные генетические элементы: плазмиды, умеренные фаги, мигрирующие элементы транспозоны и IS-элементы (от англ. insertion sequences вставные последовательности). Таким образом, у прокариот большой объем генетической информации оказывается рассредоточенным в нехромосомных элементах. Это заставляет по-новому подходить к вопросу об организации генетической информации в мире прокариот.

Особенность генетической информации, содержащейся в нехромосомных элементах, ее необязательность для жизнедеятельности бактерий, то есть в ее отсутствии бактериальная клетка жизнеспособна, но, как видно из дальнейшего материала, важная роль нехромосомных генетических элементов заключается в том, что они расширяют возможности существования бактериального вида, обеспечивают обмен генетическим материалом на большие расстояния по горизонтали и играют определенную роль в эволюции прокариот.

Для картирования генов у кишечной палочки Ф. Жакоб и И. Вольман разработали особый метод. Из смешанной культуры двух конъюгирующих линий, маркированных теми или иными генами, через разные промежутки времени после начала конъюгации брали порции этой культуры и помещали в гомогенизатор, в котором с помощью механического встряхивания удается разъединить конъюгирующие бактерии. После этого клетки из культуры рассевали на селективные среды, позволяющие выявлять колонии рекомбинантов. Описанным приемом удалось установить очень интересное явление. Оказалось, что количество наследственного материала, перемещающегося из одной клетки в другую, пропорционально времени конъюгации клеток. Передача всех учитывающихся в группе сцепления маркеров начиналась через 8 мин и заканчивалась позднее, чем через час после начала конъюгации. Поскольку для перемещения разных генов из одной клетки в другую необходимо разное время, то время передачи фрагмента хромосомы «мужских» клеток в «женские» в этом случае может служить мерой расстояния между генами. В этих опытах был обнаружен и другой очень важный факт, а именно, что единственная группа сцепления Escherichia coli представлена в виде замкнутого круга; она состоит из двунитчатой ДНК длиной 1,2--1,4 ммк. Различные линии Hfr начинают передачу генов с разных участков хромосомы и в разной последовательности, но линейный порядок генов остается при этом постоянным. Наблюдаемые изменения в последовательности передачи факторов навели на мысль, что у Е. coli в клетках F+ имеется лишь одна, причем кольцевая, группа сцепления. При возникновении клеток Hfr фактор F в разных линиях садится в различных точках кольцевой хромосомы, раскрытие кольца может произойти справа или слева от него. Место разрыва кольца и определяет направление передачи генов характерной для данной линии последовательности. Передача начинается с раскрытого конца кольцевой хромосомы, а на противоположном конце хромосомы всегда оказывается фактор F. Таким образом, свободный от фактора F конец хромосомы оказывается начальной точкой переноса группы сцепления, обозначаемой как локус О (от слова origin). Гены, вошедшие при конъюгации в F-клетку, включаются в ее хромосому посредством процесса, по-видимому, аналогичного кроссинговеру, так как при делении такой «оплодотворенной» клетки появляются рекомбинанты. Большинство штаммов Hfr передает не все гены группы сцепления, а лишь какой-то фрагмент бактериальной хромосомы. В последнее время были описаны штаммы, способные к передаче всей группы сцепления. Вся бактериальная хромосома переходит при этом в клетку за 111 мин. Предполагается, что репликация ДНК начинается с определенной точки кольцевой хромосомы, распространяется по ней и заканчивается у начала. Пока не закончится полностью репликация всей хромосомы, новый цикл не начинается. Репликация согласуется с ростом клетки. Ф. Жакоб предполагает, что генетический аппарат бактерии состоит из нескольких независимых структур -- групп генов, включенных либо в хромосому бактерии, либо в половой фактор, либо в профаг умеренного фага, содержащих по одной молекуле ДНК разной длины. Каждая из таких целых структурных единиц обладает автономной способностью к репликации. Структурную единицу, способную к автономной репликации, определяемой ростом клетки, предложено называть репликоном. Допускается, что репликоны (например, часть хромосомы и эписомный фактор) прикрепляются к клеточной мембране. Именно этим ббъясняется, что их репликация связана с ростом мембраны, которая в свою очередь связана с ростом и делением клетки. Помимо гибридизации между различными штаммами Е. coli, сейчас осуществлена гибридизация между Е. coli и несколькими штаммами тифозных и дизентирийных бактерий Shigella и Salmonella. Данная область исследований обещает быть интересной, так как при этом вскрываются филогенетические отношения различных групп бактерий и выясняются пути происхождения новых патогенных форм кишечных бактерий. После открытия полового процесса у Е. coli были начаты исследования по гибридизации других бактерий. Получены гибриды между штаммами внутри видов Pseudomonas aeruginosa, Vibrio cholerae, внутри нескольких видов рода Saljjionella и др. Таким образом, у микроорганизмов известны две уникальные особенности «полового» процесса: односторонность передачи генетического материала и ориентированный характер этой передачи. Генетические маркеры у Salmonella typhimurium и Escherichia coli Возможность составления генетической карты для того или иного организма представляет собой высшее достижение генетического анализа для данного объекта. Генетические карты необходимы для изучения генетического, потенциала вида и тонкого анализа наследственности. К настоящему времени на основе использования прерываемой конъюгации, трансдукции и других способов рекомбинации у бактерий, особенно кишечной группы, хорошо разработаны генетические карты. Недавно М. Демерец подвел некоторые итоги по сравнительному изучению генетических карт у кишечных бактерий и представил детальную карту для Salmonella typhimurium. Генетическая карта сальмонеллы включает 133 локуса. При этом место того или иного локуса в кольцевой хромосоме определяется интервалом времени, при котором данный л оку с передается от клетки донора реципиенту при прерываемой конъюгации. Все 133 локуса хромосомы сальмонеллы передаются за 138 мин конъюгации. В случае для кишечной палочки установлено 100 локусов, которые передаются при конъюгации более чем за 100 мин. На карте видны участки, в которых несколько генов оказываются тесно сцепленными и объединяются общей активностью в биосинтезе веществ. Например, участок биосинтеза пиримидина составляет 9 генов, гистидина -- 10 генов, и т. д. Все эти блоки генов чаще всего относятся к одному оперону. Сравнительное изучение генетических карт показывает, что из 133 генов Salmonella typhimurium 59 генов являются общими с Escherichia coli. При этом они имеют одинаковые функции, т. е. Контролируют сходные этапы биосинтеза и расположены на генетических картах в одинаковой последовательности. Таким образом, между двумя родами бактерий обнаруживается высокая гомология генетических структур. Однако внутригенные различия на молекулярном уровне между этими родами довольно высокие. Дальнейший сравнительный анализ генетических карт облегчит понимание не только структуры генотипа, но и раскроет путь к молекулярному анализу эволюции генетической системы.