Генетическая организация плазмид

Генетическая организация плазмид наиболее полно была исследована на примере полового фактора F (фактора переноса), который оказался первой из идентифицированных плазмид и был обнаружен в клетках штамма К-12 кишечной палочки. В настоящее время имеются сведения о локализации в составе плазмиды F более 60 различных генов, в том числе ответственных за её автономную репликацию (гены rер), способность обеспечивать перенос генетического материала в процессе конъюгации бактерий (гены trа), несовместимость с другими плазмидами (гены inс) и другие гены.

Одно из основных свойств плазмиды F заключается в том, что она обеспечивает содержащим её бактериальным клеткам способность быть донором генетического материала (конъюгативность), т.е. возможность вступать в конъюгацию с бесплазмидными (реципиентными) клетками и передавать им свою генетическую информацию. Это свойство указанной плазмиды и других конъюгативных плазмид детерминируется находящейся в их составе генетической областью trа, включающей более 20 генов.

В зависимости от контролируемых ими функций trа-гены классифицируют на несколько групп. Гены одной из этих групп кодируют белки, необходимые для синтеза на поверхности клеток кишечной палочки, содержащих плазмиду, специфических нитевидных структур, получивших название F-пилей, в количестве 1 - 3 на одну клетку. Другие гены trа-области детерминируют синтез белков, обеспечивающего метаболизм самого процесса конъюгации бактерий и переноса ДНК.

Помимо плазмиды F и ряда других плазмид, относимых к категории «чистых» факторов переноса (половых факторов), в клетках бактерий различных видов обнаружены конъюгативные плазмиды, представляющие собой комбинированные (коинтегрированные) структуры, в которых лишь одна часть является фактором переноса, а другая состоит из генов, имеющих хромосомное происхождение. Функции именно последней области генов представляют важнейший практический интерес.

Исключительно широкое распространение в современных популяциях бактерий получили плазмиды лекарственной устойчивости (R-плазмиды), которые детерминируют резистентность этих микроорганизмов к антибиотикам и другим антибактериальным препаратам. Наличие в составе такой плазмиды генов устойчивости к представителям одного либо одновременно к нескольким классам антимикробных соединений значительно затрудняет, а иногда делает невозможным рациональное лечение инфекционных заболеваний человека и животных.

В широком плане к плазмидам резистентности относят также те из них, которые обеспечивают бактериям устойчивость к ионизирующему излучению, солям тяжелых металлов, бактериофагам, бактериоцинам, сыворотке крови и некоторым другим факторам.

В последние годы появляется все больше данных о том, что некоторые плазмиды могут участвовать в контроле патогенных свойств бактерий, оказывая влияние на возникновение и течение инфекционного процесса. Известно, что патогенность представляет собой комплексный (полигенный) признак, основанный на биохимических механизмах, с помощью которых бактерии могут вызывать заболевание. Одним из атрибутов патогенности является способность бактерий прикрепляться к поверхности эукариотических клеток после проникновения в организм. В частности, плазмиды, обеспечивающие синтез антигенов колонизации (например антигена К88 и некоторых других антигенов), функции которых связанны с формированием у кишечных бактерий фимбрий, которые облегчают процесс их специфического прикрепления (адгезию) к эпителиальным клеткам слизистой оболочки кишечника), обнаружены у энтеропатогенных штаммов бактерий кишечной палочки, вызывающих острую диарею у животных и человека.

Другим важнейшим фактором патогенности бактерий является их способность продуцировать токсины. Клетки патогенных штаммов кишечной палочки и некоторых других кишечных бактерий могут синтезировать токсины под генетическим контролем плазмид, называемых Еп1-плазмидами. Такие плазмиды обнаружены у энтеробактерий, выделенных от человека и животных, страдающих диареей.

Установлено, что у возбудителя дифтерии, патогенез которой во многом определен действием дифтерийного токсина, синтез последнего также детерминирован плазмидными генами.

Особую категорию внеклеточных токсических белков представляют собой гемолизины, синтезируемые различными бактериями и способные разрушать мембраны эритроцитов животных и человека. Гемолитическая активность бактерий может контролироваться как хромосомными, так и плазмидными генами (Н1у-плазмиды).

В природе широко распространены штаммы бактерий, обладающие способностью синтезировать особые вещества - бактериоцины, представляющие собой белковые продукты, вызывающие гибель бактерий того же или близких видов. Данный признак также кодируется плазмидами, многие из которых являются конъюгативными.

Работами сотрудников НИИ микробиологии МО РФ при непосредственном участии тогда ещё научного сотрудника Дармова И.В. в 1977 году были впервые обнаружены 3 собственные (криптические) плазмиды у возбудителя чумы и было установлено, что каждая из них содержит гены, детерминирующие синтез основных факторов патогенности чумного микроба. Данная работа была официально признана как открытие.

Позднее выяснилось, что у ряда других бактерий - возбудителей опасных и особо опасных инфекций, например, у возбудителей сибирской язвы, холеры и др., детерминанты вирулентности или токсигенности локализованы на внехромосомных или мобильных элементах (плазмидах, бактериофагах и т.д.), т.е. готовые блоки важнейшей для этих микроорганизмов информации были занесены в их геном извне, из каких-то других организмов. По современным представлениям, подобный путь эволю-ционирования характерен для многих микроорганизмов. В целом, до 75 про­центов факторов вирулентности бактерий детерминируются плазмидными генами.

Имеющиеся многочисленные данные свидетельствуют о возможности эффективного переноса различных конъюгативных плазмид (в частности К, Еп1, Н1у и др.) из клеток-доноров в реципиентные клетки как в рамках одного вида, так и между бактериями разной видовой принадлежности при их совместном культивировании. Следовательно, возможен как внутривидовой, так и межвидовой (и даже межродовой) конъюгационный перенос бактери­альных плазмид и в целом это создает серьезную проблему для ветеринарии и здравоохранения.

Несовместимость плазмид

Плазмиды эгоистичны. Завладев бактериальной клеткой, плазмида старается предотвратить проникновение и размножение в ней любой другой плазмиды того же типа. Для этого используются два независимых механизма: поверхностное исключение и плазмидная несовместимость.

Поверхностное исключение определяет неспособность плазмид внедряться в клетки, уже несущие другую плазмиду того же типа. Эффект проявляется на поверхности бактерии и характеризует систему, использу­емую при переносе плазмид в процессе конъюгации.

Установлено 4 типа систем поверхностного исключения, фенотипическое выражение которых характеризуется двумя основными проявлениями. Первое из них заключается в том, что при формировании конъюгационных пар «донор-реципиент» блокируется фиксация кончика половой ворсинки (пили) на определенном специфическом рецепторе поверхности клетки-реципиента, что делает невозможным конъюгационную передачу плазмидной ДНК. Подобный эффект имеет место при проявлении механизма поверхностного исключения, детерминированного плазмидой К100. Во втором случае поверхностное исключение достигается путем подавления выхода ДНК из клетки бактерии-донора, что особенно характерно для полового фактора кишечной палочки.

При передаче плазмид между клетками бактерий, имеющими различные типы поверхностного исключения, ограничений в этом процессе практически не наблюдается.

В том случае, если в бактериальную клетку, уже несущую плазмидную ДНК, тем или иным способом внедряется дополнительная чужеродная плазмида, могут иметь место два исхода. При одном из них обе плазмиды могут нормально реплицироваться и сегрегировать в дочерние клетки. В другом случае наблюдается подавление репликации одной плазмиды в присутствии другой и в процессе размножения клетки наследуют только одну из двух плазмид либо избирательно, либо случайно. Данное явление получило название «плазмидная несовместимость».

Несовместимость связана с жесткой регуляцией контроля числа копий плазмид. Данный контроль достигается путем синтеза репрессора, определяющего число точек начала репликации. Введение новой точки начала репликации при внедрении в клетку другой, сходной плазмиды имитирует начало репликации резидентной плазмиды; теперь присутствуют две точки начала репликации. В результате любая дальнейшая репликация плазмид предотвращается до тех пор, пока они не разойдутся в разные клетки или одна из плазмид не элиминируется.

Явление несовместимости используют для классификации плазмид. Применяя несовместимость в качестве критерия, многие из известных плазмид были распределены на ряд групп несовместимости. Последние определяются как группы плазмид, члены которых не способны сосуществовать в одной и той же бактериальной клетке. К настоящему времени известно более 20 групп несовместимости, в состав которых входят от одной до нескольких десятков плазмид. Плазмиды различных групп несовместимости детерминируют образование разных типов половых пилей,а несущие их клетки характеризуются разной специфической фагочувствительностью.

В то же время присутствие в бактериальной клетке плазмиды, относящейся к одной группе несовместимости, не влияет на выживаемость плазмиды, принадлежащей к другой группе несовместимости.

ЛЕКЦИЯ4