Структура бактериальной хромосомы

Основной чертой молекулярной организации бактерий является отсутствие в их клетках ядра, отгороженного ядерной мембраной от цитоплазмы. Ядерные структуры бактерий образуют так называемые хроматиновые тельца или нуклеоиды, лишенные оболочки и включающие в себя почти всю ДНК бактерий.

Нуклеоид - это образование, состоящее из ДНК, белков и РНК. Он выглядит как бобовидное тело с хорошо очерченными контурами, занимающее центральную часть бактериальной клетки и имеющее в длину (у кишечной группы бактерий) около 1 мкм.

Нуклеоиды прикреплены к цитоплазматической мембране: имеются фиксированные точки прикрепления, например, точка начала репликации (о riС ) и точка завершения репликации ( tеrС ). Кроме того, по-видимому, есть «скользящие участки», в частности, тот участок, в котором в данный момент идет репликация. После удвоения происходит расхождение дочерних нуклеоидов к полюсам клетки, деление клетки и образование новой клеточной оболочки.

О том, каким образом нуклеоиды расходятся к полюсам клетки, исследователи спорят до сих пор. В последние годы доминирует представление о существовании белкового комплекса, «растаскивающего» нуклеоиды к полюсам клетки. ДНК в бактериальном нуклеоиде находится в ассоциации как минимум с 5 белками. Эти белки похожи по аминокислотному составу и другим свойствам на гистоны эукариот. Они имеют небольшие размеры - 9-28 кДа.

В отличие от вирусов хромосома бактериальной клетки содержит молекулу ДНК лишь одного типа, а именно - кольцевую двухцепочечную ДНК гораздо более значительных размеров (1 - 2 мм длиной). Подобная модель ДНК была впервые предложена Жакобом и Вольманом в 1956 году. С тех пор эта модель считалась общепринятой до появления метода прямого анализа физической структуры хромосом - электрофореза в пуль­сирующем поле. Использование этого метода привело к изменению представлений о бактериальных геномах. Неожиданным для исследователей оказалось открытие линейной хромосомы размером 1 млн.п.н. у возбудителя клещевого спирохетоза.

Вскоре было обнаружено, что линейная и кольцевая хромосомы сосуществуют одновременно у Аgrobacterium tumefaciens, а у грамположительных бактерий рода Streptomyces, обладающих одним из самых больших бактериальных геномов (8000 тыс. н.п.), имеется одна линейная хромосома. Линейные хромосомы у бактерий часто сосуществуют с линейными плазмидами и широко распространены в природе. Состав геномов некоторых бактерий приведен в табл. 1.

Таблица 1. Состав сложных геномов бактерий

Размер генома у различных бактерий колеблется от 580 тыс.н.п. у микоплазм до 9500 тыс.н.п. у миксококков. Для кишечной палочки размер

генома составляет 4600 тыс.н.п. (молекулярная масса около 3∙10⁹ Да, длина молекулы около 1,5 мм). В бактериальных клетках хромосома суперспи-рализована. Так, кольцевая молекула ДНК Е.соlli длиной - 1500 мкм заключена в клетку, имеющую форму палочки диаметром 1 мкм и длиной 2 мкм.

ДНК в нуклеоиде составляет около 80% всей клеточной ДНК (для сравнения: в ядре у эукариот - только 50%). Она свернута в петли, примерно по 40 тпн в каждой петле (рис.1). Основания петель защищены с помощью какого-то неизвестного механизма, что предотвращает передачу вращения ДНК с одной петли на другую. В геноме примерно 100 таких петель, или доменов.

Рис.1 Петлевая организация ДНК у бактерий

Размеры хромосомного генома бактерий обеспечивают им возможность иметь более значительное, чем у вирусов, количество структурных генов для синтеза белков, обеспечивающих все процессы жизнедеятельности этих организмов. Так, например, хромосомная ДНК клеток кишечной палочки содержит 4,2 10⁶ пар нуклеотидов, что достаточно для формирования примерно 4000 генов среднего размера. К настоящему времени у данного вида бактерий идентифицировано более 650 генных локусов.

В последние годы наблюдается значительный прогресс в исследовании первичной структуры бактериальных хромосом. На конец 2008 года была определена полная нуклеотидная последовательность около 200 прокариотических геномов.

Выявленная полная нуклеотидная последовательность бактериальной хромосомы позволяет определить структуры генома, связанные с его функционированием, т.е. с процессами репликации, транскрипции, трансляции, регуляции и т.д.