Генетического аппарата у бактерий. Представление о плазмидах, эписомах и
Мигрирующих генетических элементах (инсерционные последовательности,
Транспозоны).
Генетика (от греч. genos — рождение) — это наука, изучающая наследственность и изменчивость. Микроорганизмы обладают способностью изменять свои основные признаки:
морфологические (строение); культуральные (рост на питательных средах); биохимические или ферментативные признаки (добавление определенных веществ в питательную среду может вызвать активацию фермента, который до этого находится в латентном состоянии); биологические свойства — может меняться степень па-тогенности, на этом основаны способы приготовления живых вакцин.
Например, при 12—14-дневном культивировании возбудителя сибирской язвы при t° — 42—43°С микробы потеряли способность вызывать заболевание у животных, но сохранили свои иммуногенные свойства.
БЦЖ (бацилла Кальмета-Герена) снизила болезнетвор-ность бычьего вида микобактерий туберкулеза путем длительных пассажей на картофельной среде с желчью и глицерином при t° 38°C. Пересевы через каждые 14 дней получили ослабленный штамм микобактерий туберкулеза, который назван «вакциной» БЦЖ, используемой для профилактики туберкулеза.
Наследственность — это способность организмов сохранять определенные признаки на протяжении многих поколений.
Изменчивость — это приобретение признаков под влиянием различных факторов, отличающих их от предыдущих поколений.
Генетическая информация в клетках бактерий заключена в ДНК (у некоторых вирусов РНК). Молекула ДНК состоит из двух нитей, каждая из которых спирально закручена относительно другой. При делении клетки спираль удваивается. И вновь образуется двунитчатая молекула ДНК. В состав молекулы ДНК входят 4 азотистых основания — одекаин, гуанин, цитозин, тимин. Порядок расположения в цепи у разных организмов определяет их наследственную информацию, закодированную в ДНК.
ПЛАЗМИДА, внехромосомный самовоспроизводящийся генетич. элемент (фактор наследственности) бактерий и нек-рых др. организмов. Представляет собой кольцевую двухцепочечную молекулу ДНК, закрученную в суперспираль (см. Нуклеиновые кислоты). Размеры П. необычайно широко варьируют-от 2 тыс. до неск. сотен тысяч пар оснований; нек-рые из них содержат 1-3 гена, другие достигают 10-20% размера бактериальной хромосомы.
Нек-рые П., наз. эписомами, обладают способностью существовать в двух состояниях - автономном и интегрированном. В автономном состоянии эписома не является частью бактериальной хромосомы и реплицируется (самовоспроизводится) независимо, хотя и синхронно с ней. В интегрир. состоянии она реплицируется в составе хромосомы. Способность обратимо включаться в состав хромосомы часто сопряжена с наличием в эписомах мигрирующих генетических элементов.
Большинство П. может передаваться от одной бактерии к другой при конъюгации клеток (трансмиссибельные П.). Такие П. способны провоцировать конъюгацию между бактериями и тем самым обеспечивают собственную миграцию от клетки к клетке и распространение среди бактерий. Нетрансмиссибельные П. передаются благодаря конъюга-тивным плазмидам-помощникам. Во мн. случаях для переноса П. между клетками необязательна конъюгация последних. Так, мелкие П. могут передаваться в виде коинте-гратов с бактериофагами (вирусами микробов).
Число копий П. в клетке зависит от их генетич. особенностей. П., находящиеся под "ослабленным контролем", могут реплицироваться до тех пор, пока каждая клетка не будет содержать в среднем от 10 до 200 копий. П., находящиеся под "строгим контролем", реплицируются примерно с той же скоростью, что и хромосома, и содержатся в клетке в виде одной или неск. копий. В обоих случаях благодаря контролируемой репликации число П. в клетке поддерживается постоянным в ряду поколений.
Помимо ряда общих ф-ций, свойственных очень многим П. (таких, как автономная репликация или ф-ция переноса), существует множество спец. ф-ций, детерминируемых той или иной П. У бактерий наиб. изучены три главные группы плазмид: F-П. (факторы фертильности) ответственны за половой процесс, R-П. (факторы резистентности) обеспечивают устойчивость бактериальных клеток к действию антибиотиков (напр., к стрептомицину и тетрациклину) и сульфаниламидным препаратам, в Col-П. (колициногенных факторах) локализованы гены синтеза колицинов (бактерио-цинов) - токсичных белков, к-рые не действуют на производящую их клетку, но убивают др. бактерии.
Обусловленная П. устойчивость бактерий к антибиотикам основана на разных механизмах, но чаще всего-на инактивации последних ферментами (напр., b-лактамазы), кодируемых П., или на избират. изменении проницаемости клеточной оболочки.
Среди П., обеспечивающих устойчивость бактерий к антибиотикам, осн. массу составляют т. наз. факторы множеств, резистентности, несущие сразу неск. соответствующих детерминант. С помощью трансмиссибельных П. детерминанты резистентности легко могут распространяться между видами, способными к конъюгации. На такие П. гены резистентности могут передаваться с помощью транспо-зонов. Кроме детерминант лек. резистентности из числа функцией, элементов П. хорошо изучены гены нек-рых бактериальных токсинов, напр. энтеротоксинов, вырабатываемых возбудителями кишечных инфекций, носителями т. наз. Тох-П. (факторов патогенности энтеробактерий). Показана способность Тох-П. передаваться между бактериями в организме животных и человека. На этих П. могут находиться также детерминанты резистентности к антибиотикам. В этой связи активно развивается новое направление в практич. бактериологии - поиск и создание в-в, избирательно подавляющих репликацию плазмид или экспрессию их генов. Пример таких в-в - клавулановая к-та (ф-ла I) и ее производные - ингибиторы b-лактамазы.
П. не являются неотъемлемой составной частью бактериальной клетки, однако их наличие расширяет ее генетич. возможности. П. позволяют бактериям получать энергию необычными способами, напр. окислением водорода или метана. П. играют важную роль в эволюции бактерий, особенно в их быстрой адаптации к меняющимся факторам среды.
П. с ослабленным контролем репликации широко применяется в качестве векторных молекул в генетической инженерии для решения биотехнол. задач.
МИГРИРУЮЩИЕ ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ(мобильные гены, прыгающие гены), дискретные фрагменты (сегменты) ДНК, способные встраиваться в разные участки генома; их расположение на хромосомах может меняться как в процессе историч. развития мира организмов, так и в пределах жизни одного индивидуума. Найдены практически во всех изученных организмах - от бактерий до человека. Они весьма разнятся по своему нуклеотидному составу и той роли, к-рую они играют в клетке.
У прокариот (бактерии и синезеленые водоросли) выделено неск. осн. групп М.г. э.-IS- и Tn-элементы, эписомы, а также нек-рые бактериофаги, или фаги (вирусы бактерий, способные ее поражать, репродуцироваться в ней и вызывать ее гибель). IS-элементы-простые вставочные (ин-серционные) последовательности (обозначаются - в зависимости от их нуклеотидного состава номерами IS1, IS2 и т.д.); содержат от 700 до 1500 пар нуклеотидов. Эти сегменты ДНК имеют инвертир. повторы на концах, содержащие обычно неск. десятков нуклеотидных пар, и не содержат никаких генов, кроме тех, к-рые необходимы для их перемещения (транспозиции) по геному. Они встречаются в нек-рых плазмидах (внехромосомные носители наследственности) и умеренных фагах (способны существовать в клетке в форме профага). Так, у разных штаммов бактерии Escherichia coli (E. coli) присутствует в геноме 19 копий IS1-элементов. Большинство др. IS-элементов также представлено в хромосомах разных штаммов E. coli мн. копиями: IS2-от 0 до 12,IS3-от 4 до 6, IS4-от 1 до 2, IS5-от 0 до 10.
Транспозиции IS-элементов не сопряжены с их исключением из мест исходной локализации в плазмидах или хромосоме; при транспозиции IS-элемент удваивается и одна его копия остается на прежнем месте, а другая попадает в новый локус (местоположение гена в хромосоме или плазмиде). Таким образом транспозиции этого элемента сопряжены с репликацией (удвоением) его ДНК.
Обычно IS-элементы встраиваются (интегрируют) в разл. места бактериального генома, однако нек-рые участки оказываются более предпочтительными, чем другие. Встраивание и исключение этих элементов происходит с высокой точностью, что свидетельствует об участии в этих процессах ферментов, узнающих инвертир. концевые повторы IS-элементов.
Ферментные системы, обусловливающие транспозиции IS-элементов, по крайней мере, частично кодируются их собств. ДНК. Так, IS1, судя пo длине его нуклеотидной последовательности, может кодировать лишь небольшие полипептиды, к-рые участвуют в его транспозиции, вероятно, в комплексе с клеточными белками.
Значение IS-элементов для эволюции бактерий связано с тем, что эти элементы при своих перемещениях инакти-вируют разл. гены или нарушают их нормальную регуляцию. Помимо прямого влияния на экспрессию гена (раз-вития признака, контролируемого данным геном) вследствие транспозиции инсерционной последовательности непосредственно в кодирующую часть гена или его регулятор-ную зону, эти М. г. э. могут влиять также на транскрипцию (биосинтез информационной РНК на матрице ДНК) окружающих их последовательностей ДНК генома. Это происходит вследствие того, что мн. IS-элементы содержат промоторные (инициирующие транскрипцию) и термина-торные (прекращающие транскрипцию) участки ДНК. Транспозиции IS-элементов могут вызывать слияние двух не связанных ранее генов или оперонов (совокупность связанных между собой генов и прилегающих к ним регуляторных участков) с образованием новых функцион. единиц, а также индуцировать все виды хромосомных перестроек (см. Мутации). Соединение разнородных репликонов (элементарная генетич. структура, способная к самокопированию) имеет большое биол. значение, т. к. объединяет ранее разобщенные генетич. детерминанты, подчас принадлежащие разным видам организмов.
Tn-элементы (сложные перемещающиеся элементы, или транспозоны) принципиально отличаются от IS-элементов только тем, что содержат дополнит. структурные гены, не имеющие отношения к ф-ции транспозиции. Известно много транспозонов, в состав к-рых входят гены устойчивости к антибиотикам, тяжелым металлам и др. ядам. При этом один и тот же транспозон иногда несет целый набор Детерминант резистентности (т. наз. V-детерминанты). Такие транспозоны наиб. широко распространены, т.к. представляют ценность для селекции бактерий. Существуют транспозоны, содержащие гены, к-рые кодируют токсины, а также свойственные данному организму ферменты. Как правило, Tn-элементы несут на концах целые или частично измененные IS-элементы, к-рые сообщают им способность перемещаться по геному и вызывать в нем те же изменения, что и своб. IS-элементы. При этом 2 концевые IS-подобные терминальные последовательности в зависимости от типа транспозона могут иметь прямую или инвертир. последовательность нуклеотидов. Разные транспозоны часто содержат одинаковые терминальные последовательности нуклеотидов.
Транспозоны вместе с плазмидами и фагами (в к-рые они легко интегрируются) способны осуществлять обмен разл. заключенных в них генов между весьма отдаленными видами бактерий, поэтому они играют чрезвычайно важную роль в эволюции бактерий, включая адаптацию их к лек. в-вам и продуцирования ими новых токсинов.
Транспозиция Tn-элементов осуществляется по такому же механизму, как и IS-элементов, и также включает стадию трансляции. Большинство транспозонов не выбирает для своего включения строго определенные последовательности в ДНК. Однако обычно они предпочитают нек-рые районы хромосом и даже специфич. участки, причем разные Тn-эле-менты различаются по специфичности выбора мест интеграции.
Частота и характер перемещений IS- и Тn-элементов варьируют в весьма широких пределах и зависят прежде всего от св-в самих элементов. Напр., ТnЗ плазмиды перемещаются чаще в др. плазмиды, чем в хромосому. На транспозиции влияют не только генетич., но и разл. внеш. факторы, напр. УФ облучение. По-видимому, яды, инактивация к-рых обусловлена генами транспозонов, могут индуцировать синтез ферментов, необходимых для транспозиции этих транспозонов.
Др. группу М.г. э. бактерий составляют эписомы-сложные плазмиды, способные к интеграции в хромосому. Эписомы, как правило, содержат IS- или Tn-элементы, и в большинстве случаев именно благодаря им они могут включаться в состав хромосомы. Так, в половой F-эписоме E. coli (мол. м. 6.107) имеется одна копия IS2, две копии IS3 и одна копия Тn1000.
К М.г.э. прокариот относят также умеренные фаги. l-Фаги (лямбдоидные фаги) обычно встраиваются в одно место хромосомы, но при определенных условиях могут располагаться и в др. участках генома. m-Фаги способны включаться в любые места бактериальной хромосомы, а также в ДНК мн. др. фагов и плазмид. Интеграция лямбдо-идных фагов обеспечивается ферментной системой, состоящей из клеточных белков и белков, кодируемых геномом фага.
m-Фаг во мн. отношениях сходен с IS- и Tn-элементами и отличается от них только тем, что может формировать вирусные частицы. Предполагают, что IS- и Тn-элементы произошли из фага типа ц в результате утери большинства его генов.
Умеренные фаги способны вносить существ. изменения в структуру и функционирование бактериального генома благодаря двум процессам - интеграции фаговой ДНК в хромосому бактерии и трансдукции (переносу фагом бактериальных генов из одних клеток в другие). Трансдуцирую-щие фаги образуются в результате неточного исключения из хромосомы интегрир. фаговой ДНК. При этом часть собственной ДНК фага утрачивается, и вместо нее в фаговый геном включается участок бактериальной ДНК, достигающий иногда значит. размеров. Интегрир. фаги могут мутировать и терять способность к исключению из хромосомы, становясь вследствие этого ее неотъемлемой частью. В этом случае гены фага начинают определять ф-ции клетки, т.е. становятся ее собств. генами.
У эукариот (все организмы, за исключением бактерий и синезеленых водорослей) также широко распространены М.г. э., к-рые аналогичны М.г. э. прокариот по общему плану строения, способу транспозиции и генетич. эффекту. Элементы, подобные IS и транспозонам, найдены у мн. эукариот (грибы, растения, млекопитающие и др.). Разл. эписомоподобные факторы обнаружены в ядре и цитоплазме дрожжей. Умеренным фагам бактерий соответствуют онкогенные вирусы, в частности РНК-содержащие вирусы (ретровирусы) позвоночных.
В геномах низших эукариот обнаружены М.г.э. разных типов, среди к-рых лучше всего изучена т. наз. последовательность Tyl дрожжей. Этот элемент представлен в геноме 4-35 копиями, локализация к-рых отличается у разных штаммов. Tyl содержит 5,6 тыс. пар нуклеотидов и ограничен прямыми повторами, содержащими ок. 300 пар нуклеотидов (т. наз. 5-последовательности). Копии Tyl не полностью идентичны друг другу и составляют таким образом гетерог. семейство. В том случае, если две копии Tyl заключают между собой клеточные гены, они перемещают их по генoму, т. е. образуют истинные транспозоны. Включение Tyl-подобных элементов в регуляторные зоны генов может вызывать не только инактивацию локусов, но и изменения механизма их регуляции, что, по-видимому, связано с присутствием в нуклеотидной последовательности Tyl специфич. участков узнавания регуляторных белков.
Важным отличием М. г. э. эукариот от таковых у бактерий является их способность при включении в тот или иной локус изменять св-ва ферментов (продуктов генов-мишеней), а не только прерывать их синтез.
В геноме дрозофилы, а также др. животных, включая млекопитающих, обнаружен целый ряд семейств подвижных генетич. элементов, к-рые, как предполагают, подобно транспозонам бактерий, меняют свою локализацию, не покидая хромосом. Примером могут служить FB-элементы, или палиндромы-сегменты ДНК, ограниченные длинными инвертер. повторами; протяженность последних варьирует в широких пределах-от 0,2 тыс. до 1,3 тыс. пар нуклеотидов. Участок, заключенный между инвертир. повторами и условно называемый петлей, не является обязательной составной частью FB-элемента. Возможно, что в нек-рых случаях он соответствует участку генома, захваченному этим элементом при транспозиции.
Наиб. изучена мол. организация т.наз. мобильных дис-пергир. генов (МДГ) дрозофилы, построенных также по типу транспозонов. Известно неск. семейств МДГ. Все они имеют много общих св-в; это множественные видоспеци-фичные активно транскрибируемые гены, локализация к-рых на хромосомах варьирует не только у разных линий дрозофилы, но даже у разных особей одной линии. Все они содержат 5-7 тыс. пар нуклеотидев и повторяются в геноме от 10 до 200 раз. Отличит. особенность МДГ-присутствие на их концах повторяющихся нуклеотидных последовательностей (250-500 пар), имеющих прямую ориентацию. Считается, что МДГ способны перемещаться в результате синтеза РНК-копии и последующей ее обратной транскрипции в ДНК, к-рая замыкается в кольцо, после чего снова интегрируется в клеточный геном.
Мобильными элементами генома эукариот являются также проретровирусы (интегрированные в геном ретровирусы), транспозиция к-рых, вероятно, осуществляется по такому же механизму, как и у МДГ. Не исключено, что последние и проретровирусы являются генетич. элементами одной природы.
Роль МДГ в экспрессии прилежащих к ним генов, в мутагенезе и в общей эволюции эукариотич. генома м. б. весьма значительной. МДГ-подобные элементы могут включаться в геном вирусов, а с ними, вероятно, переноситься между организмами одного или разных видов.
Обычно транспозиции МДГ происходят чрезвычайно редко. Однако они могут в определенных условиях учащаться. Известны т. наз. транспозиц. взрывы, ведущие к одновременным перемещениям целого ряда разных мобильных элементов.
Поскольку в составе многих МДГ присутствуют промоторы транскрипции, а также особые последовательности-усилители, обладающие способностью повышать эффективность транскрипции с участием др. промоторов, внедрение МДГ может активно влиять на деятельность всего генного окружения. Возможно, активация определенных генов иногда оказывается полезной для организма. В то же время внедрение рядом с протоонкогенами МДГ может вести к онкогенной трансформации клетки. Предполагают, что в опухолевых клетках происходит активация процессов транспозиции нек-рых типов М.г.э., что ускоряет микроэволюцию опухолевых клеток и способствует развитию опухолей.
М. г. э. открыты в 40-х гг. 20 в. Б. Мак-Клинток на основании генетич. анализа нестабильных мутаций у кукурузы. Исследование их мол. природы начато в 60-х гг. в связи с обнаружением нового типа мутационных изменений у бактерий (т.наз. вставочных мутаций) и идентификацией носителей этих мутаций. Структурно-функцион. исследования М. г. э. эукариот на мол. уровне ведутся с кон. 70-х гг. с использованием методов клонирования (получение наследственно однородных поколений особи или клетки путем бесполого размножения) и генетич. инженерии.