Внехромосомные факторы наследственности.

Внехромосомные факторы наследственности входят в состав многих микроорганизмов, особенно бактерий. Они представлены плазмидами и мигрирующими элементами – Is-последовательностями, транспозонами (Tn), конъюгативными транспозонами (CTn), интегронами (In), генными островами (ГО) и бактериофагами, которые являются молекулами ДНК, отличающиеся друг от друга молекулярной массой, объемом закодированной в них информации, способностью к самостоятельной репликации и другими признаками. Они не являются жизненно важными для бактериальной клетки элементами, поскольку не несут информации о синтезе ферментов, участвующих в пластическом или энергетическом метаболизме, но они могут передавать бактериям определенные селективные преимущества, например резистентность к антибиотикам.

Плазмиды– это автономные кольцевые молекулы двунитевой ДНК с молекулярной массой меньше, чем у нуклеоида (размеры варьируют от 1,5 до 200 mD=10³-10⁶ пар нуклеотидов), способные к саморепликации.

Спонтанная/индуцированная утрата плазмид называется элиминацией.

Особенности:

v саморегулируемая репликация;

v явление поверхностного исключения (не позволяют проникать в клетку, уже содержащую плазмиду, другой родственной ей плазмиде);

v явление несовместимости (две близкородственные плазмиды не могут стабильно сосуществовать в одной клетке);

v контроль числа копий плазмиды на хромосому клетки (реализуется собственными плазмидными генами репликации);

v контроль стабильного сохранения плазмид в клетке;

v контроль равномерного распределения дочерних плазмид в дочерние бактериальные клетки;

v способность к самопереносу у конъюгативных плазмид;

v способность к мобилизации на перенос у неконъюгативных плазмид (способность к передаче только в присутствии трансмиссивных плазмид, используя их аппарат конъюгации);

v способность наделять клетку дополнительными важными для нее биологическими свойствами, способствующими выживанию бактерий.

Функции:

v регуляторная (компенсируют нарушения метаболизма ДНК бактериальной клетки, регулируют саморепликацию, контролируют самоперенос или мобилизацию на самоперенос и другие функции самой плазмиды);

v кодирующая (внесение в бактериальную клетку новой информации, наделяя ее дополнительными свойствами).

Классификация плазмид:

Ø По молекулярной массе:

v крупные (1-2 на клетку);

v мелкие (до 30).

Ø По способности передаваться от одной клетки к другой:

v конъюгативные (трансмиссивные);

v неконъюгативные (мобилизуемые).

Ø По совместимости в одной клетке:

v совместимые;

v несовместимые (близкородственные).

Ø По фенотипическому проявлению признака:

v криптические (скрытые);

v некриптические.

Ø По детерминированному признаку:

v R-плазмиды (от англ. resistance – противодействие, содержат гены – r-гены, ответственные за устойчивость к лекарственным препаратам).

Обусловленная R-плазмидами лекарственная устойчивость связана:

§ с изменением проницаемости поверхностных структур бактериальной клетки для антибиотиков;

§ с синтезом ферментов, разрушающих или модифицирующих антибиотики (β-лактамазы, ацетилирование хлорамфеникола).

v Плазмиды патогенности – Ent и Hly (содержат tox-гены, ответственные за синтез токсинов – энтеротоксинов и гемолизинов соответственно);

v Бактериоциногенные плазмиды (например, Col-плазмида у E. coli содержат гены, ответственные за синтез бактериоцинов).

Бактериоцины – антибиотические вещества белковой природы, синтезируемые бактериями и подавляющие рост и размножение близкородственных микроорганизмов, не лизирую последних. Синтез бактерицинов является для клетки-продуцента летальным, но потенциальные бактерии-продуценты, не продуцирующие их в данный момент, устойчивы к воздействию бактериоцинов. Обозначение бактериоцина определяется видовым название микроорганизма-продуцента:

В отличии от других плазмид, факторы бактериоциногенности реже интегрируются в хромосому, редко элиминируются, многие не обладают конъюгативностью.

v F-плазмида (половой фактор/фактор фертильности, содержит гены, контролирующие конъюгацию).

Варианты F-плазмид:

v Плазмиды биодеградации (несут информацию об утилизации некоторых органических соединений, которые бактерии используют в качестве источников углеводов и энергии, например урологические штаммы E. coli содержат плазмиду гидролизации мочевины).

Мигрирующие генетические элементы– отдельные участки ДНК, способные осуществлять собственный перенос (транспозицию) внутри генома. Их транспозиция связана со способностью кодировать специфический фермент рекомбинации – транспозазу. В настоящее время к мигрирующим элементам относят: Is-элементы, транспозоны (Tn), конъюгативные транспозоны (CTn), интегроны (In), генные острова (ГО) и бактериофаги.

Транспозоны (Tn-элементы) – нуклеотидные посдедовательности, включающие 2000-20500 пар нуклеотидов. Состав – фрагмент ДНК (специфический, несущий гены) и два концевых Is-элемента. Могут находиться в свободном состоянии в виде кольцевой молекулы.

Особенности:

v не способны к самостоятельной репликации (воспроизведению), только в составе хромосом;

v несут генетическую информацию, необходимую для транспозиции (перемещение);

v каждый транспозон содержит гены, привносящие важные для бактерий характеристики (устойчивость к антибиотикам, токсинообразование и т.д.);

v содержат гены, определяющие фенотипические признаки (легче выявить).

Функции:

v способны к перемещению с одного репликона (хромосомная ДНК) на другой (плазмиды, хромосома другой бактерии, бактериофаг) и наоборот: при включении в ДНК вызывают дупликации, а при перемещении – делеции и инверсии;

v регуляторная;

v кодирующая.

Is-элементы(от англ. insertion – вставка, sequenc – последовательность) – вставочные (инсерционные) последовательности,величиной до 1500 (800-1400) пар оснований.

Особенности:

v самостоятельно не реплицируются;

v не кодируют распознаваемых фенотипических признаков;

v содержат гены, обеспечивающие их перемещение из одного участка ДНК в другой (транспозицию).

Функции:

v регуляция активности генов бактериальной клетки;

v индукция мутаций типа делеции (выпадение нуклеотидов) или инверсии (поворот участка ДНК на 180⁰) при перемещении и дупликации (повтор участка ДНК) при встраивании в хромосому;

v координация взаимодействий плазмид, транспозонов и профагов (между собой и бактериальной хромосомой).

Бактериофаги(умеренные и дефектные) – мигрирующие генетические элементы, могут захватывать участки ДНК и переносить от одной бактериальной клетки к другой, вызывая ее лизогенизацию (приобретение новых свойств).