Генотипическая (наследуемая) изменчивость

микроорганизм бактерия изменчивость генетический

Ген - единица наследственности, которая представляет собой участок молекулы геномной нуклеиновой кислоты (ДНК - или РНК - содержащих вирусов). Полный набор генов, которым обладает клетка, называется генотипом. Гены подразделяются на структурные, несущие информацию о конкретных белках, вырабатываемых клеткой, и гены-регуляторы, регулирующие работу структурных генов. Например, клетка вырабатывает те белки, которые необходимы ей в данных условиях, однако при изменении условий гены-регуляторы изменяют свойства клетки, приспосабливая их к новым условиям. Геномная (содержит полный набор генов) нуклеиновая кислота способна не только хранить, но и передавать генетическую информацию. ДНК находится главным образом в нуклеоиде (ядре) микробной клетки, причем чаще виде двойной спирали, состоит из двух нуклеотидов, которые в определенном порядке чередуются и несут генетическую информацию. Единицей информации является кодон, представляющий собой три нуклеотида (триплет), кодирующий одну аминокислоту. Установлено также, что определенное чередование триплетов, →кодирующих аминокислоты в белке, заложено в генах прокариот и эукариот. Наряду с триплетами - экзонами (принимающими участие в синтезе белка) имеются и триплеты - интроны, которые не принимают участия в синтезе белка. Такое явление получило название линейной мозаичности генов. Прерывистая структура генов (экзоны, разделенные интронами - промежуточной, нетранслируемой ДНК) установлена американскими учеными Р.Дж. Робертсом и Ф.А. Шарпом, за что они были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине за 1993 г.

Фридрих Мишер, швейцарский врач, еще в конце 1868г. Выделил из лейкоцитов, содержащихся в гное, ранее неизвестное вещество, которое назвал нуклеином. В 1889г. Немецкий химик Рихард Альтман нуклеин Мишера назвал нуклеиновой кислотой. Лишь много лет спустя (1953) была построена ее модель. В состав ДНК входят четыре азотистых основания: два пуриновых - аденин и гуанин и два пиримидиновых - тимин и цитозин, сахар дезоксирибоза и остаток фосфорной кислоты. Две цепи молекулы ДНК закручены вокруг воображаемой оси, но в противоположных направлениях. Расстояние между витками равно 3,4 нм, на нем укладывается 10 нуклеотидов. В зависимости от количества воды и ионной силы окружающей среды конфигурация двойной спирали может меняться. Полинуклеотидные цепи соединены водородными связями, расположенными в нутрии спирали, т.е между азотистыми основаниями, несущими информацию необходимую для биосинтеза белка. Двойная спираль может принимать разную форму. Спираль ДНК бывает закручена вправо (В - форма), так и влево (Z - форма), причем последняя имеет зигзагообразный остов и 12 пар оснований в витке. Левая спираль впервые (1979) обнаружена А. Ричем и его коллегами (Массачусетский технологический институт, США).

Передача наследственной информации от ДНК (нуклеотида, хромосомы) на рибосомы, где происходит синтез белка, осуществляется информационной или матричной рибонуклеиновой кислотой (иРНК или мРНК). Она является зеркальным изображением соответствующего участка ДНК, в котором тимин заменен урацилом. В микробных клетках иРНК существует недолго, после чего распадается на нуклеотиды. Перенос активированных аминокислот от ДНК к рибосомам осуществляется транспортной РНК (тРНК), и их соединение - с помощью специальных ферментов. Для каждой аминокислоты существует своя особая тРНК и соответствующий ей фермент. Таких аминокислот известно уже более 20. Установлено (1981), что в белках, синтезированными живыми организмами, содержится еще аминолимонная - 21-я аминокислота. Она найдена в белках нуклеотидных комплексов, выделенных из тимуса коровы и человека, кишечной палочки и других микробов. Через год (1982) появилось новое сообщение найдена 22-я аминокислота - В - карбоксиаспарагиновая. У молекул открытых аминокислот большой отрицательный заряд. Отрицательный заряд несут также РНК, входящие в рибонуклеотидные комплексы рибосом. Полагают, что такие РНК и отрицательно заряженные участки молекул рибосомных белков не связаны между собой.

В рибосомах находится рибосомная РНК (р РНК), где она образует как бы остов, на котором из аминокислот синтезируется белок. Таким путем осуществляется связь между ДНК нуклеотида и рибосомами цитоплазмы. Рибосома состоит из двух субъединиц: большой и малой. Процесс биосинтеза белка проходит в два этапа: первый ДНК → м РНК → белок - трансляцией (переводом).

Х. Темин и Д.Балтимор (1970) установили, что с помощью особых ферментов - ревертаз (обратных транскриптаз) - передача генетической информации может совершаться и в обратном направлении, т.е. с молекулы РНК на ДНК, при этом РНК становится матрицей для синтеза ДНК (ДНК→РНК→белок и РНК→ДНК→белок). Это открытие в 1975 г. Было удостоено Нобелевской премии по физиологии и медицине.

Молекулы ДНК бывают либо линейными, либо замкнутыми в кольцо. Кольцевые молекулы ДНК - содержащих вирусов. Обычно молекулы ДНК двуспиральные и реже односпиральные. Все они макромолекулы, имеют большую молекулярную массу. В ДНК содержится генетическая информация, которая при размножении передается потомству. Молекулы РНК чаще односпиральные и реже двуспиральные. Они, как ДНК, состоят из нуклеотидов. Геномные только те РНК, которые находятся в РНК - содержащих вирусах. Рибосомные, матричные, транспортные и другие РНК выполняют иные функции. Размеры РНК разные: более крупные - геномные и очень мелкие - транспортные. У РНК вместо тимина содержится урацил, а дезоксирибоза заменена рибозой.

Генотипическая изменчивость может возникать в результате мутаций и генетических рекомбинаций. Мутации (от лат. mutatio - изменять) - это передаваемые по наследству структурные изменения генов, появляются в результате нарушения последовательности оснований ДНК, а также нуклеотидов в гене. Такой ген кодирует белок, отличающийся от исходного по свойствам и функциям. Термин введен голландским ученым Хуго де Фризом, 1901.

Крупные мутации (геномные перестройки) сопровождаются выпадением или изменением относительно крупных участков генома - такие мутации, как правило, необратимы.

Мелкие (точковые) мутации связаны с выпадением или добавлением отдельных оснований ДНК. При этом изменяется лишь небольшое число признаков. Такие измененные бактерии могут полностью возвращаться в исходное состояние (ревертировать).

Бактерии с измененными признаками называются мутантами. Факторы, вызывающие образование мутантов, носят название мутагенов.

Спонтанные (самопроизвольные) мутации возникают под влиянием неконтролируемых факторов, т.е. без вмешательства экспериментатора. Они характеризуются изменением какого - нибудь одного признака и обычно стабильны.

Индуцированные (направленные), или мутагенные мутации появляются в результате обработки микроорганизмов специальными мутагенами (химическими, физическими и биологическими). К физическим относят различного рода излучения: ультрафиолетовые, рентгеновские, радиоактивные. Они вызывают повреждение генетического аппарата, изменение признаков, свойств микробов; к химическим - сильнодействующие вещества: отравляющие (иприт), лекарственные (йод, пероксид водорода), кислоты (азотистая) и др. примером биологических мутагенов может быть ДНК. Так, при введении эмбриона дрозофилы некоторых видов онковирусы взрослые особи приобретают новые признаки: на голове возникают необычные вирусы или углубления, иногда исчезают глаза. Отрезок вирусной ДНК, который встраивается в одну из хромосом дрозофилы, вызывает дифференцирование клеток, и, как результат, появляются морфологические и другие изменения.

В результате бактериальных мутаций могут отмечаться: а) изменение морфологических свойств; б) изменение культуральных свойств; в) возникновение у микроорганизмов устойчивости к лекарственным препаратам; г) потеря способности синтезировать аминокислоты, утилизировать углеводы и другие питательные вещества; д) ослабление болезнетворных свойств и т. д.

Для получения полезных признаков у микроорганизмов применяют самые различные мутагены. Таким методом выделены высокоактивные штаммы продуцентов антибиотиков и других веществ. После облучения пенициллина получены штаммы продуцентов антибиотиков и других веществ. После облучения продуцента пенициллина получены штаммы, которые по своей активности в десятки - сотни раз превосходят исходные. В сочетании с другими факторами и при создании оптимальных условий роста биосинтез повышался: пенициллина в 10 тыс. раз, витамина В2 (рибофлавина) в 20 тыс., витамина В12 (цианкобаламина) в 50 тыс. раз (А. Демейн, Н. Соломон, 1984).

Если мутация приводит к тому, что мутагенные клетки обретают по сравнению с остальными клетками популяций преимущества, то формируется популяция из мутантных клеток и все приобретенные свойства передаются по наследству. Если же мутация не дает клетке преимуществ, то мутантные клетки, как правило, погибают.

Комбинативные изменения появляются в результате трансформации, трансдукции и конъюгации.

Трансформация - это процесс переноса участка генетического материала ДНК, содержащего одну пару нуклеотидов, от клетки - донора к клетки- реципиенту. Впервые это явление установлено в 1928г. Английским микробиологом Ф.Гриффитом. мышам одновременно были введены две культуры пневмококков: непатогенная, лишенная капсулы (R - штамм) и патогенная культура с капсулой (S - штамм), убитая нагревание. Все мыши погибли от пневмонии (воспаления легких).из органов павших животных была выделена капсульная, вирулентная культур пневмококка. Культура убитого нагреванием капсульного пневмококка вызывала в организме трансформацию живых бескапсульных микробов, в результате чего у них появилась способность к образованию капсулы, что и обусловило патогенность.

В 1944г.группа ученых (О. Эйвери, К. Мак-Леод, М. Мак-Карти) поставила опыт Гриффита in vitro: к культуре авирулентного бескапсульного штамма пневмококка добавили ДНК, полученную из вирулентного капсульного штамма пневмококка, авирулентный бескапсульный пневмококк приобрел вирулентные свойства. Было доказано, что носителем вирулентных свойств является ДНК.

В процессе трансформации различают пять стадий: первая - адсорбция трансформирующей ДНК на поверхности микробной клетки; вторая - проникновение ДНК в клетку-реципиент; третья-спаривание внедрившейся ДНК с хромосомными структурами клетки; четвертая-включение участка ДНК клетки-донора в хромосомные структуры клетки- реципиента; пятая-дальнейшее изменение нуклеотида в ходе последующих делений.

Трансформироваться могут устойчивость и чувствительность к антибиотикам, способность к синтезу ферментов и т.д. Трансформация признаков ДНК происходит только при определенных условиях и физиологических состояниях клетки, получивших название «состояние готовности». Оптимальная температура трансформации 29-32°С. Высокая температура (80-100°С), химические вещества (азотистая кислота), ультрафиолетовые излучения, фермент ДНК-аза приостанавливают трансформирующее действие ДНК. Таким образом, нуклеиновые кислоты- носители наследственной информации. Клетки, которые способны воспринять ДНК другой клетки в процессе трансформации, называются компетентными. Состояние компетентности часто совпадает с логарифмической фазой роста.

Трансдукция - это перенос генетической информации (ДНК) от бактерии донора к бактерии реципиенту при участии бактериофага. Установлена в 1952 г. Н. Циндером и Дж. Ледербергом. Трансдуцирующими свойствами обладают в основном умеренные фаги. Размножаясь в бактериальной клетке, фаги включают в состав своей ДНК часть бактериальной ДНК и передают ее реципиенту. Различают три типа трансдукции: общую, специфическую и абортивную.

. Общая трансдукция - это передача различных генов, локализованных на разных участках бактериальной хромосомы. При этом бактерии доноры могут передать реципиенту разнообразные признаки и свойства- способность образовывать новые ферменты, устойчивость к лекарственным препаратам и т. д.

. Специфическая трансдукция - это передача фагом только некоторых специфических генов, локализованных на специальных участках бактериальной хромосомы. В этом случае передаются только определенные признаки и свойства.

. Абортивная трансдукция - перенос фагом какого-то одного фрагмента хромосомы донора. Обычно этот фрагмент не включается в хромосому клетки реципиента, а циркулирует в цитоплазме. При делении клетки реципиента этот фрагмент передается только одной из двух дочерних клеток, а второй клетке достается неизмененная хромосома реципиента.

С помощью трансдуцирующих фагов можно передать от одной клетки другой целый ряд свойств, таких как способность образовывать токсин,споры, жгутики, продуцировать дополнительные ферменты, устойчивость к лекарственным препаратам и т. д.

Конъюгация - это передача генетического материала от одной бактерии к другой при непосредственном контакте клеток. Впервые это явление было обнаружено у кишечной палочки и описано в1946 г. Дж. Ледербергом и Э. Тейтемом (Татумом). Клетки, передающие генетический материал, называются донорами, воспринимающие его - реципиентами. Этот процесс носит односторонний характер - от клетки донора к клетке реципиента.

Бактерии донора обозначаются F+ (мужской тип), а бактерии реципиента - F - (женский тип). При тесном сближении клеток F+ и F- между ними возникает цитоплазматический мостик. Образование мостика контролируется фактором F (от англ.Fertility- плодовитость). Этот фактор содержит гены, ответственные за образование половых ворсинок (sex-pili). Функцию донора могут выполнять только те клетки, которые содержат фактор F. Клетки реципиента лишены этого фактора. При скрещивании фактор Р передается клеткой донора реципиенту. Получив фактор F, женская клетка сама становится донором (F+).

Процесс конъюгации можно прервать механическим способом, например встряхиванием. В этом случае реципиент получает неполную информацию, заключенную в ДНК. Перенос генетической информации путем конъюгации лучше всего изучен у энтеробактерий. Конъюгация, как и другие виды рекомбинации, может осуществляться не только между бактериями одного и того же вида, но и между бактериями разных видов. В этих случаях рекомбинация называется межвидовой.

Плазмиды

 

Плазмиды - это сравнительно небольшие внехромо-сомные молекулы ДНК бактериальной клетки. Они расположены в цитоплазме и имеют кольцевую структуру. В плазмидах содержится несколько генов, функционирующих независимо от генов, содержащихся в хромосомной ДНК. Типичным признаком плазмид служит их способность к самостоятельному воспроизведению (репликации).

Они могут также переходить из одной клетки в другую и включать в себя новые гены из окружающей среды. К числу плазмид относятся:

Профаги, вызывающие у лизогенной клетки ряд изменений, передающихся по наследству, например, способность образовывать токсин.

F-фактор, находящийся в автономном состоянии и принимающий участие в процессе конъюгации.

R-фактор, придающий клетке устойчивость к лекарственным препаратам (впервые R-фактор был выделен из кишечной палочки, затем из шигелл). Исследования показали, что К-фактор может быть удален из клетки, что вообще характерно для плазмид.

К-фактор обладает внутривидовой, межвидовой и даже межродовой трансмиссивностью, что может явиться причиной формирования трудно диагностируемых атипичных штаммов.

Бактериоциногенные факторы (col-факторы), которые впервые были обнаружены в культуре кишечной палочки (E.coli), в связи с чем названы колицинами. В дальнейшем они были выявлены и у других бактерий: холерного вибриона - вибриоцины, стафилококков - стафилоцины и др.

Соl-фактор - это маленькая автономная плазмида, которая детерминирует синтез белковых веществ, способных вызывать гибель бактерий собственного вида или близкородственного. Бактериоцины адсорбируются на поверхности чувствительных клеток и вызывают нарушения метаболизма, что приводит клетку к гибели.

В естественных условиях только единичные клетки в популяции (1 на 1000) спонтанно продуцируют колицин. Однако при некоторых воздействиях на культуру (обработка бактерий УФ-лучами) количество колицинпродуцйрующих клеток увеличивается.