Плазмиды бактерий. Их функции (регуляторная и кодирующая). Бактериоцины.

Плазмиды – внехромосомные генетические структуры бактерий, представляющие собой замкнутые кольца двунитчатой ДНК. Плазмиды способны автономно копироваться (реплицироваться) и существовать в цитоплазме клетки, поэтому в клетке может быть несколько копий плазмид. Плазмиды могут включаться (интегрировать) в хромосому и реплицироваться вместе с ней.

Различают трансмиссивные и нетрансмиссивные плазмиды.

Трансмиссивные (конъюгативные) плазмиды могут передаваться из одной бактерии в другую. Плазмиды несут гены, не обязательные для клетки хозяина, придают бактериям дополнительные свойства. Часто выявляются у Грам- палочек, делятся синхронно с нуклеоидом. Они переносятся от бактерии к бактерии внутри вида или между представителями близкородственных видов. Например:

R -плазмиды, несущие гены, ответственные за множественную устойчивость к лекарственным препаратам – антибиотикам, сульфаниламидам и др.,

F -плазмиды, или половой фактор бактерий, определяющий их способность к конъюгации и образованию половых пилей

Ent -плазмиды, детерминирующие продукцию энтеротоксина.

Плазмиды могут определять вирулентность бактерий, например возбудителей чумы, столбняка.

Признаки, объединяющие плазмиды в одно царство с вирусами:

· отсутствие собственных систем мобилизации энергии и синтеза белка;

· саморепликация генома;

· абсолютный внутриклеточный паразитизм.

Признаки, выделяющие плазмиды в отдельный класс:

· среда обитания — только бактерии (среди вирусов имеются бактериофаги, вирусы растений, вирусы животных);

· сосуществуют с бактериями, наделяя их дополнительными свойствами (у вирусов эти свойства могут быть только у умеренных фагов при лизогении бактерий, чаще всего вирусы вызывают лизис клеток);

· геном «голый», не имеет оболочки;

· репликация не требует синтеза структурных белков и процессов самосборки;

· могут встраиваться в хромосому бактерий (интегративные плазмиды) или находиться в виде отдельной замкнутой молекулы ДНК, способной к автономной репликации — автономные плазмиды (эписомы).

Интегративные плазмиды содержат специфические инсерционные последовательности (IS–элементы), имеющие в своем составе ген, ответственный за сайт-специфическую рекомбинацию. В интегрированном состоянии плазмиды способны неопределенно долго существовать в составе хромосомы, реплицируясь вместе с ней, как обычные хромосомные гены.

Переход плазмиды в автономное состояние и реализация запи­санной в ней информации часто связаны с воздей­ствиями внешней среды

Плазмиды могут распространяться по вертикали (при клеточном делении) и по горизонтали (путем конъюгационного переноса).

Неконъюгативные (нетрансмиссивные) плазмиды не способны запускать конъюгацию, имеют небольшие размеры, характерны для Грам+ кокков, но встречаются также у некоторых Грам- бактерий (напр., у H. influenzae, N. gonorrhoeae). Неконъюгативные плазмиды могут передаваться при конъюгации одновременно с конъюгативными (при наличии в бактерии одновременно конъюгативных и неконъюгативных плазмид) или при трансдукции.

Функции плазмид:

– регуляторная — компенсирует нарушение функции ДНК нуклеоида (напр., при интеграции плаз­миды в состав поврежденного бактериального генома, неспособного к репликации, его функция восстанавливается за счет плазмидного репликона);

– кодирующая — вносит в бактериальную клетку новую информацию:

· индуцирует деление,

· контролирует синтез факторов патогенности,

· совершенствует защиту бактерий (синтез бактериоцинов, резистентность к антибиотикам);

· обеспечивает выживание в необычных условиях: при действии катионов (висмута, кадмия, ртути, свинца, сурьмы), анионов (арсената, арсенита), мутагенов (акридинов, этидиум-бромида, УФО).

Виды плазмид:

1. F – плазмиды — половой фактор, F–фактор, фактор фертильности,выполняют донорские функции, индуцируют деление.

Они могут находится как в интегрированном состоянии (Hfr–клетки), так и в автономном состоянии (F⁺–клетки). Интегрированные F–плазмиды переносят свою генети­ческую информацию и часть генетической информации хромосомы в реципиентную клетку. Перенос генетического материала детерминируется tra –опероном F–плазмиды (от англ. transfer— перенос), обеспечивающим ее конъюгативность. F–плазмиду можно элиминировать из клетки, обработав последнюю акридиновым оранжевым. В результате этого клетки теряют свойства донора.

2. R-плазмиды — R–фактор, фактор резистентности, детерминируют множественную резистентность к антимикробным препаратам. R–плазмиды имеют более сложное строение, в их состав входит r–оперон, который может содержать более мелкие мигрирующие элементы (IS–последовательности, транспозоны и tra -опероны).

Трансмиссивные R–плазмиды содержат 2 области генов: гены, контролирующие лекарственную резистентность и гены, контролирующие перенос R–плазмид при конъюгации (у Грам- бактерий).

Нетрансмиссивные R–плазмиды передаются при трансформации, при трансдукции (у Г+ бактерий), при конъюгации в случае интеграции с трансмиссивными плазмидами.

3. Плазмидыбактериоциногенности детерминируют синтез бактериоцинов (колицинов, стафилоцинов, вибриоцинов, пестицинов) — белковых антибиотикоподобных веществ, обладающих бактерицидным действием в отношении близкородственных видов микроорганизмов. Они редко интегрируют в нуклеоид.

Бактериоцины являются одним из механизмов межвидовой конкуренции и не действуют на клетки, несущие плазмиды бактериоциногенности такого же типа. Напр., Col–плазмиды участвуют в поддержании эубиоза кишечника.

Механизмы бактерицидного действия бактериоцинов:

· нарушение функции рибосом;

· ферментативное разрушение ДНК (являются нуклеазами);

· нарушение функции ЦПМ.

Способность продуцировать различные типы колицинов используется для типирования бактерий при проведении эпидемиологического анализа вызываемых ими заболеваний:

– колициногенотипипрование — определение типа Col–плазмиды;

– колицинотипипрование — определение типа колицина.

4. Плазмиды вирулентности контролируют вирулентные свойства микроорганизмов, детерминируя синтез факторов патогенности:

– - CF+ плазмиды – контролируют адгезию;

– - Hly – плазмиды — определяют синтез гемолизинов;

– - Ent – плазмиды — определяют синтез энтеротоксинов;

– - Tox – плазмиды — определяют токсинообразование.

Развитие инфекционного процесса, вызванного возбудителями чумы, сибирской язвы, кишечного иерсиниоза, боррелиоза связано с функционированием плазмид вирулентности.

5. D – плазмиды – плазмиды биодеградации, несут информацию об утилизации органических соединений, которые бактерии используют в качестве источников углерода, азота и энергии (в т. ч. различные сахара и необычные аминокислоты, камфору, ксилол, нафталин, толуол). Обеспечивают патогенным бактериям преимущества во время пребывания на объектах окружающей среды и в организме человека (уропатогенные штаммы кишечных палочек содержат плазмиду гидролизации мочевины).