Внехромосомные факторы наследственности

Внехромосомные факторы наследственности входят в состав многих микроорганизмов, особенно бактерий. Они представлены плазмидами, транспозонами и Is-последовательностями (англ. insertion вставка, sequence — последовательность), которые являются молекулами ДНК, отличающимися друг от друга молекулярной массой, объемом закодированной в них информации.

Плазмиды физически либо не связаны с хромосомой (автономное состояние), либо встроены в ее состав (интегрированное состояние). И автономном состоянии они самостоятельно реплицируются. Транспозоны и Is-последовательности во всех случаях связаны с хромосомой и не способны к самостоятельной репликации.

Плазмиды несут две функции — регуляторную и кодирующую. Первая состоит в компенсации нарушений метаболизма ДНК клетки хозяина. Кодирующая функция плазмид состоит во внесении в бактериальную клетку новой информации, о которой судят по приобретенно му признаку, например образованию пилей (F-плазмида), резистентности к антибиотикам (R-плазмида), выделению бактериоцинов (Со1- нлазмида) и т. д.

Встраивание плазмид, так же как и профагов, происходит только в гомологичные участки бактериальной хромосомы, в то время как Is-последовательностей и транспозонов — в любой ее участок.

Плазмиды

F-плазмида, или половой фактор, представляет собой циркуляр, но замкнутую нить ДНК с молекулярной массой 60 ¦ 106. Она контропирует синтез половых ворсинок (sex или F-pili), которые способствуют эффективному спариванию бактерий-доноров с реципиентными клетками при конъюгации. Данная плазмида реплицируется в независимом от хромосомы состоянии и передается при конъюгации в клетки бактерий-реципиентов. Перенос генетического материала (ДНК) детерминируется traопероном F-плазмиды (от англ. transfer — перенос), обеспечивающим ее конъюгативность. F-плазмиду можно удалить (элиминировать) из клетки, обработав последнюю некоторыми веществами, например акридиновым оранжевым, в результате чего клетки теряют свойства донора. Сравнительно легкая элиминация и очень быстрая и эффективная передача F-плазмиды реципиентным клеткам дали основание считать, что она располагается в цитоплазме бактерий вне хромосомы. Однако F-плазмида может встраиваться в бактериальную хромо сому и находиться с ней в интегрированном состоянии.

R-плазмиды. Известно большое количество R-плазмид, определяющих устойчивость бактерий-хозяев к разнообразным лекарствен ным препаратам. R-плазмиды имею т сложное молекулярное строение. В их состав входят: г-ген, который может содержать более мелкие мигрирующие элементы — Is-последовательности, транспозоны и /га-опероны.

R-ген, ответственный за устойчивость бактерий к какому-либо антибиотику, контролирует синтез фермента, вызывающего его инактивацию или модификацию. Значительное число г-генов является транспозонами, которые могут перемещаться от плазмидыносителя в другие репликоны. В одном r-гене может содержаться несколько транспозонов, контролирующих устойчивость к разным антибиотикам. Этим объясняется множественная лекарственная резистентность бактерий. 7га-оперон, обеспечивающий конъюгативность плазмиды, входит в состав R-плазмид грамотрицательных бактерий. Грамположител ные бактерии содержат в основном неконъюгативные плазмиды, которые могут передаваться от одной бактерии к другой путем трансдукции.

Плазмиды патогенности. Данные плазмиды контролируют вирулентные свойства бактерий и токсинообразование.

Бактериоциногенные плазмиды контролируют синтез особого рода антибактериальных веществ — бактериоцинов, способных вызывать гибель бактерий того же вида или близких видов. Бак териоцины обнаружены у кишечных бактерий (колицины), бактерий чумы (пестицины), холерных вибрионов (вибриоцины), стафилококков (стафилоцины) и др.

Колицины энтеробактерий (продуцируемые под контролем колициногенных плазмид) представляют собой вещества белковой природы. Известно более 25 типов колицинов.

Плазмиды биодеградации. Данные плазмиды несут информацию об утилизации некоторых органических соединений, которые бактерии используют в качестве источников углевода и энергии. Плазмиды биодеградации несут информацию об утилизации ряда сахаров (лактоза, сахароза, рафиноза и др.) и образовании протеолитических ферментов.

Транспозоны

Транспозоны представляют собой нуклеотидные последовательности, включающие от 2000 до 20 500 пар нуклеотидов, которые несут генетическую информацию, необходимую для транспозиции. При включении в бактериальную ДНК они вызывают в ней дупликации, а при перемещении — делеции и инверсии. Транспозоны могут находиться в свободном состоянии в виде кольцевой молекулы, не способной к репликации. Она реплицируется только в составе бактериальной хромосомы.

Важнейшим свойством транспозонов является их способность к перемещению с одного репликона (хромосомная ДНК) на другой (плазмида) и наоборот. Кроме того, некоторые транспозоны, так же как и плазмиды, выполняют регуляторную и кодирующую функции. В частности, они могут нести информацию для син теза бактериальных токсинов, а также ферментов разрушающих или модифицирующих антибиотики.

Is-последовательности Is-последовательности (англ. insertion — вставка, sequence — последовательность) представляют собой транспозируемые элементы, которые также называются «вставки последовательностей оснований». Это фрагменты ДНК длиной 1000 пар нуклеотидов и более. В Is-последовательностях содержится информация, необходимая только для их транспозиции, т. е. перемещения в различные участки ДНК.

Вследствие такого рода перемещений Is-последовательности мо гут выполнять ряд функций. 1. Координировать взаимодействие транспозонов, плазмид и уме ренных фагов как между собой, так и с хромосомой бактериальной клетки и обеспечивать их рекомбинацию. 2. Вызывать инактивацию гена, в которой произошла интеграция Is-последовательности («выключение» гена), либо, будучи встроен ными в определенном положении в бактериальную хромосому, служить промотором (участками ДНК, регулирующих экспрессию под лежащих структурных генов бактерий-реципиентов), который вклю чает или выключает транскрипцию соответствующих генов, выполняя регуляторную функцию. 3. Индуцировать мутации типа делеций или инверсий при пере мещении и дупликации в 5−9 парах нуклеотидов при включении в бактериальную хромосому. В свободном состоянии Is-последовательности не обнаружены, что свидетельствует об их неспособности реплицироваться самостоятельно.