Строение генома бактерий

Бактериальный геном состоит из генети­ческих элементов, способных к самостоятель­ной репликации (син. воспроизведение), т. е. репликонов. Репликонами являются бактери­альная хромосома и плазмиды.

Наследственная информация хранится у бактерий в форме последовательности нук-леотидов ДНК, которые определяют после­довательность аминокислот в белке (строение ДНК изложено в разд. 2.1 и показано на рис. 2.1). Каждому белку соответствует свой ген, т. е. дискретный участок на ДНК, отличаю­щийся числом и специфичностью последова­тельности нуклеотидов.

5.1.1. Бактериальная хромосома
Бактериальная хромосома представлена одной

двухцепочечной молекулой ДНК кольцевой фор­мы. Размеры бактериальной хромосомы у различ­ных представителей царства Procaryotae варьируют от 3 х 10^⁸ до 2,5 х 10⁹ Да, что соответствует 3,2 х 10⁶ нуклеотидных пар (н.п.). Например, у Е. coli бак­териальная хромосома содержит 5х10^6 н.п. Для сравнения: размеры ДНК вирусов составляют порядка 10³ н.п., дрожжей — 10⁷ н.п., а суммарная длина хромосомных ДНК человека составляет 3 х 10⁹ н.п. Бактериальная хромосома формиру­ет компактный нуклеоид бактериальной клетки. Бактериальная хромосома имеет гаплоидный на­бор генов. Она кодирует жизненно важные для бактериальной клетки функции.

5.1.2. Плазмиды бактерий

Плазмиды представляют собой двухце-почечные молекулы ДНК размером от 10^³

до 10^⁶ н.п. Они кодируют не основные для жизнедеятельности бактериальной клетки функции, но придающие бактерии преиму­щества при попадании в неблагоприятные условия существования.

Среди фенотипических признаков, сооб­щаемых бактериальной клетке плазмидами. можно выделить следующие:

1) устойчивость к антибиотикам;

2) образование колицинов;

3) продукция факторов патогенности;

4) способность к синтезу антибиотических веществ;

5) расщепление сложных органических ве­ществ;

6) образование ферментов рестрикции и модификации.

Репликацию плазмидной ДНК осуществля­ет тот же набор ферментов, что и репликацию бактериальной хромосомы (см. разд. 3.1.7 и рис. 3.6), однако репликация плазмид проис­ходит независимо от хромосомы.

Некоторые плазмиды находятся под стро­гим контролем. Это означает, что их реплика­ция сопряжена с репликацией хромосомы так. что в каждой бактериальной клетке присутс­твует одна или, по крайней мере, несколько копий плазмид.

Число копий плазмид, находящихся под слабым контролем, может достигать от 10 до 200 на бактериальную клетку.

Для характеристики плазмидных реплико­нов их принято разбивать на группы совмести­мости. Несовместимость плазмид связана с не­способностью двух плазмид стабильно сохра­няться в одной и той же бактериальной клетке. Несовместимость свойственна тем плазмидам. которые обладают высоким сходством репли­конов, поддержание которых в клетке регули­руется одним и тем же механизмом.

Некоторые плазмиды могут обратимо встраиваться в бактериальную хромосому и функционировать в виде единого репликона. Такие плазмиды называются интегративными или эписомами.

Некоторые бактериальные плазмиды спо­собны передаваться из одной клетки в другую.

иногда даже принадлежащую иной таксоно­мической единице. Такие плазмиды назы-заются трансмиссивными (конъюгативными, син.) Трансмиссивность присуща лишь круп­ным плазмидам, имеющим tra-оперон, в ко­торый объединены гены, ответственные за пе-ренос плазмиды. Эти гены кодируют половые пили, которые образуют мостик с клеткой, не содержащей трансмиссивную плазмиду, по которой плазмидная ДНК передается в новую клетку. Этот процесс называется конъюгацией; подробно он будет рассмотрен в разд. 5.4.1.

Мелкие плазмиды, не несущие tra-гены, не могут передаваться сами по себе, но способны к передаче в присутствии трансмиссивных ллазмид, используя их аппарат конъюгации. Такие плазмиды называются мобилизуемыми, а сам процесс — мобилизацией нетрансмис-сивной плазмиды.

Особое значение в медицинской микроби­ологии имеют плазмиды, обеспечивающие устойчивость бактерий к антибиотикам, ко­торые получили название R-плазмид, и плаз­миды, обеспечивающие продукцию факторов патогенности, способствующих развитию ин­фекционного процесса в макроорганизме.

R-плазмиды (resistance — противодействие, англ.) содержат гены, детерминирующие син­тез ферментов, разрушающих антибактери­альные препараты (например, антибиотики).

В результате наличия такой плазмиды бакте­риальная клетка становится устойчивой (резис­тентной) к действию целой группы лекарствен­ных веществ, а иногда и нескольким препаратам. Многие R-плазмиды являются трансмиссивными, распространяясь в популяции бактерий, делая ее недоступной к воздействию антибактериальных препаратов. Бактериальные штаммы, несущие R-плазмиды, очень часто являются этиологическими агентами внутриболъничных инфекций.

Плазмиды, детерминирующие синтез фак­торов патогенности, в настоящее время об­наружены у многих бактерий, являющихся возбудителями инфекционных заболеваний человека. Патогенность возбудителей шигел-лезов, иерсиниозов, чумы, сибирской язвы, иксодового бореллиоза, кишечных эшерихи-озов связана с наличием у них и функциони­рованием плазмид патогенности. Первыми, из этой группы плазмид были определены

Ent-плазмида, определяющая синтез энтеро-токсина, и Hly-плазмида, детерминирующая синтез гемолизина у Е. coli.

Некоторые бактериальные клетки содержат плазмиды, детерминирующие синтез бакте­рицидных по отношению к другим бактериям веществ. Например, некоторые Е. coli вла­деют Col-плазмидой, определяющей синтез колицинов, обладающих микробоцидной ак­тивностью по отношению к колиформным бактериям. Бактериальные клетки, несущие такие плазмиды, обладают преимуществами при заселении экологических ниш.

Плазмиды используются в практической деятельности человека, в частности в генной инженерии, при конструировании специаль­ных рекомбинантных бактериальных штам­мов, вырабатывающих в больших количествах биологически активные вещества (см. гл. 6).

5.1.3. Подвижные генетические элементы

В состав бактериального генома, как в бак­териальную хромосому, так и в плазмиды, входят подвижные генетические элементы. К подвижным генетическим элементам от­носятся вставочные последовательности и транспозоны.

Вставочные (инсерционные) последова­тельности IS-элементы {insertion sequences, англ.)— это участки ДНК, способные как целое перемещаться из одного участка реп-ликона в другой, а также между репликона-ми. IS-элементы имеют размеры -1000 н.п. и содержат лишь те гены, которые необходимы для их собственного перемещения — транс­позиции: ген, кодирующий фермент транспо-зазу, обеспечивающую процесс исключения IS-элемента из ДНК и его интеграцию в но­вый локус, и ген, детерминирующий синтез репрессора, который регулирует весь процесс перемещения.

Отличительной особенностью IS-элемен-тов является наличие на концах вставочной последовательности инвертированных повто­ров. Эти инвертированные повторы узнает фермент транспозаза (рис. 5.1). Транспозаза осуществляет одноцепочечные разрывы це­пей ДНК, расположенных по обе стороны от подвижного элемента. Оригинальная копия IS-элемента остается на прежнем месте, а ее

реплицированный дупликат перемещается на новый участок.

Перемещение подвижных генетических элементов принято называть репликативной или незаконной рекомбинацией. Однако в отличие от бактериальной хромосомы и плаз-мид подвижные генетические элементы не являются самостоятельными репликонами, так как их репликация — составной элемент репликации ДНК репликона, в составе кото­рого они находятся.

Известно несколько разновидностей IS-элементов, которые различаются по раз­мерам и по типам и количеству инвертиро­ванных повторов.

Транспозоны — это сегменты ДНК, облада­ющие теми же свойствами, что и IS-элемен-ты, но имеющие структурные гены, т. е. гены, обеспечивающие синтез молекул, обладаю­щих специфическим биологическим свойс­твом, например токсичностью, или обеспечи­вающих устойчивость к антибиотикам.

Перемещаясь по репликону или между реп­ликонами, подвижные генетические элемен­ты вызывают:

1. Инактивацию генов тех участков ДНК, куда они, переместившись, встраиваются.

2. Образование повреждений генетического материала.

3. Слияние репликонов, т. е. встраивание плазмиды в хромосому.

4. Распространение генов в популяции бак­терий, что может приводить к изменению биологических свойств популяции, смене возбудителей инфекционных заболеваний, а

также способствует эволюционным процес­сам среди микробов.

Изменения бактериального генома, а следо­вательно, и свойств бактерий могут происхо­дить в результате мутаций и рекомбинаций.

Мутации у бактерий

Мутации — это изменения в последо­вательности отдельных нуклеотидов ДНК. которые ведут к таким проявлениям, как из­менения морфологии бактериальной клет­ки, возникновение потребностей в факторах роста, например в аминокислотах, витами­нах, т. е. ауксотрофности; к устойчивости к антибиотикам, изменению чувствительнос­ти к температуре, снижению вирулентноти (аттенуация) и т. д.

По протяженности изменений поврежде­ния ДНК различают мутации точечные, когда повреждения ограничиваются одной парой нуклеотидов, и протяженные или аберрации. В последнем случае могут наблюдаться выпа­дения нескольких пар нуклеотидов, которые называются делецией, добавление нуклеотид-ных пар, т. е. дупликации, перемещения фраг­ментов хромосомы, транслокации и переста­новки нуклеотидных пар — инверсии.

Мутации могут быть спонтанными, т. е. воз­никающими самопроизвольно, без воздейс­твия извне, и индуцированными.

Точечные спонтанные мутации возникают в результате возникновения ошибок при репли­кации ДНК, что связано с таутомерным пере­мещением электронов в азотистых основаниях.

Тимин, например, обычно находится в кетоформе. в которой он способен образовывать водородные связи с аденином. Но если тимин во время спари­вания оснований при репликации ДНК переходит в енольную форму, то он спаривается с гуанином. В ре­зультате в новой молекуле ДНК на месте, где раньше стояла пара А—Т, появляется пара Г—Ц.

Спонтанные хромосомные аберрации возни­кают вследствие перемещения подвижных ге­нетических элементов.

Индуцированные мутации появляются под влиянием внешних факторов, которые на-

зываются мутагенами. Мутагены бывают физическими (УФ-лучи, гамма-радиация), химическими (аналоги пуриновых и пири-мидиновых оснований, азотистая кислота и ее аналоги и другие соединения) и биологиче-кими — транспозоны.

Аналоги пуриновых и пиримидиновых оснований, например 2-аминопурин, 5-бромурацил, включаются в нуклеотиды, а следовательно, и в ДНК, но при этом они значительно чаще в силу таутомерных превраще­ний спариваются с «неправильными» партнерами, в результате вызывая замену пурина другим пурином (А—Г) или пиримидина другим пиримидином (Т—Ц). Замены пурина на пурин, а пиримидина на пирими­дин называются транзициями.

Азотистая кислота и ее аналоги вызывают дезами-нирование азотистых оснований, результатом чего являются ошибки при спаривании и, как следствие, возникновение транзиции. Аденин в результате де-заминирования превращается в гипоксантин, ко­торый спаривается с цитозином, что приводит к возникновению транзиции AT—ГЦ. Гуанин же при дезаминировании превращается в ксантин, который по-прежнему спаривается с цитозином; таким обра­зом, дезаминирование гуанина не сопровождается

му тацией.

Акридин и профлавин внедряются между сосед­ними основаниями цепи ДНК, вдвое увеличивая расстояние между ними. Это пространственное из­менение при репликации может привести как к ут-рате нуклеотида, так и включению дополнительной нуклеотидной пары, что приводит к сдвигу рамки счи­тывания тРНК. Начиная с того места, где произошло зыпадение или включение нуклеотида, информация считывается неправильно.

УФ-облучение затрагивает преимущественно пи-- чидиновые основания, при этом два соседних ос­татка тимина ДНК могут оказаться ковалентно свя-

нными.

На бактериях, подвергнутых УФ-облу-чению, было показано, что повреждения, вызванные облучением в бактериальных ЛНК, могут частично исправляться бла­годаря наличию репарационных систем. У различных бактерий имеется несколько типов репарационных систем. Один тип репарации протекает на свету, он связан с деятельностью фотореактивирующегося фермента, который расщепляет тимино-вый димер. При темновой репарации де-

фектные участки цепи ДНК удаляются, и образовавшаяся брешь достраивается при помощи ДНК-полимеразы на матрице со­хранившейся цепи и соединяется с цепью лигазой (рис. 5.2).

Мутация, приводящая к потере функции, называется прямой мутацией. У мутантов может произойти восстановление исходных свойств, т. е. реверсия (reverse — обратный, англ.) Если происходит восстановление ис­ходного генотипа, то мутация, восстанавли­вающая генотип и фенотип, называется об­ратной или прямой реверсией. Если мутация восстанавливает фенотип, не восстанавли­вая генотип, то такая мутация называется супрессорной. Супрессорные мутации могут возникать как в пределах того самого гена, в котором произошла первичная мутация, так в других генах или могут быть связаны с мута­циями в тРНК.