Генетический аппарат бактерий (нуклеоид, плазмиды, транспозоны, IS-элементы). Секвенирование. Генетическая карта. Геномика и протеомика
НАВИГАЦИЯ ПО СТРАНИЦЕ
легко понять и запомнить
Строение генома бактерий
Бактериальный геном состоит из генетических элементов, способных к самостоятельной репликации (воспроизведению), т.е. репликонов. Репликонами являются бактериальная хромосома и плазмиды. Наследственная информация у бактерий хранится в форме последовательности нуклеотидов ДНК, которые определяют последовательность аминокислот в белке.
Бактериальная хромосома
Бактериальная хромосома состоит из одной двухцепочечной молекулы ДНК, которая может быть как кольцевой (E. coli), так и линейной формы (B. burgdorferi). Некоторые бактерии, в частности бруцеллы, V. cholerae имеют по две хромосомы.
Размеры бактериальной хромосомы у различных представителей прокариот варьируют от 3 до 2,5 Да, что соответствует 3,2 нуклеотидных пар (н.п.). Например, у E. coli бактериальная хромосома содержит 5 н.п. Для сравнения: размеры ДНК вирусов составляют порядка н.п., дрожжей — н.п., а суммарная длина хромосомных ДНК человека — н.п.
Бактериальная хромосома обладает гаплоидным набором генов, кодирующих жизненно важные для бактериальной клетки функции. Она формирует компактный нуклеоид бактериальной клетки.
Плазмиды бактерий
Плазмиды представляют собой двухцепочечные молекулы ДНК размером от до н.п. Они кодируют неосновные для жизнедеятельности бактериальной клетки функции, но придающие бактерии преимущества при попадании в неблагоприятные условия существования.
Среди фенотипических признаков, сообщаемых бактериальной клетке плазмидами, можно выделить следующие:
устойчивость к антибиотикам (R-плазмиды);
образование колицинов (Col-плазмиды);
продукция факторов патогенности (Еnt-плазмиды);
способность к передаче генетического материала при конъюгации (F-плазмиды)
расщепление сложных органических веществ (Hly-плазмида, детерминирующая синтез гемолизина у E. coli.);
образование ферментов рестрикции и модификации.
Репликация плазмид происходит независимо от хромосомы.
Некоторые плазмиды могут обратимо встраиваться в бактериальную хромосому и функционировать в виде единого репликона. Такие плазмиды называются интегративными, или эписомами.
Ряд бактериальных плазмид способны передаваться из одной клетки в другую, иногда даже принадлежащую иной таксономической единице. Такие плазмиды называются трансмиссивными (конъюгативными) — F-плазмиды. Трансмиссивность присуща лишь крупным плазмидам, имеющим tra-оперон, в который объединены гены, ответственные за перенос плазмиды. Эти гены кодируют половые пили, которые образуют мостик с клеткой, не содержащей трансмиссивную плазмиду, по которой плазмидная ДНК передается в новую клетку. Этот процесс называется конъюгацией.
Особое значение в медицинской микробиологии имеют плазмиды, обеспечивающие устойчивость бактерий к антибиотикам, получившие название R-плазмид, а также плазмиды, отвечающие за продукцию факторов патогенности, способствующие развитию инфекционного процесса.
R-плазмиды (от англ. resistance — противодействие) содержат гены, детерминирующие синтез ферментов, разрушающих антибактериальные препараты (например, антибиотики).
В результате наличия такой плазмиды бактериальная клетка становится устойчивой (резистентной) к действию целой группы лекарственных веществ, а иногда и к нескольким. Многие R-плазмиды, будучи трансмиссивными и распространяясь в популяции бактерий, делают ее недоступной к воздействию анти бактериальных препаратов. Бактериальные штаммы, несущие R-плазмиды, часто являются этиологическими агентами внутрибольничных инфекций.
Плазмиды используются в практической деятельности человека, в частности в генной инженерии, при конструировании специальных рекомбинантных бактериальных штаммов, вырабатывающих в больших количествах биологически активные вещества.
Подвижные генетические элементы
В состав бактериального генома, как в бактериальную хромосому, так и в плазмиды, входят подвижные генетические элементы, к которым относятся вставочные последовательности и транспозоны.
Вставочные (инсерционные) последовательности, IS-элементы (от англ. insertion sequences) — это участки ДНК, способные как целое перемещаться из одного участка репликона в другой, а также между репликонами. IS-элементы имеют размеры ~1000 н.п. и содержат лишь те гены, которые необходимы для их собственного перемещения — транспозиции.
Is-последовательности не способны реплицироваться самостоятельно.
Транспозоны — это сегменты ДНК, обладающие теми же свойствами, что и IS-элементы, но имеющие структурные гены, т.е. гены, обеспечивающие синтез молекул, обладающих специфическим биологическим свойством, например токсичностью, или обеспечивающих устойчивость к антибиотикам.
Перемещаясь по репликону или между ними, подвижные генетические элементы вызывают:
инактивацию генов тех участков ДНК, куда они, переместившись, встраиваются;
образование повреждений генетического материала;
слияние репликонов, т.е. встраивание плазмиды в хромосому;
распространение генов в популяции бактерий, что может приводить к изменению биологических свойств популяции, смене возбудителей инфекций и эволюционным процессам среди микробов.
Секвенирование. Генетическая карта. Геномика и протеомика.
Секвенирование — метод определения последовательности нуклеотидов.
Генетическая карта — схема расположения структурных генов и регуляторных элементов, а также генетических маркеров в хромосоме.
Структурная геномика — определяет первичную структуру генома, границы генов и их организацию, структуру белков и других биомолекул клетки. Описывает организацию генома и протеома в целом у различных организмов. Использует методы картирования, секвенирования, рентгеноструктурного анализа.
Функциональная геномика — изучает функции каждого гена, белка и других биомолекул клетки, механизмы регуляции их активности на основании изучения синтезируемых с них мРНК, белков.
Протеомика — раздел геномики, изучающий совокупность всех белков клетки, их структуру и взаимодействие друг с другом в зависимости от микроокружения и стадии развития.
Полезные ссылки:
