 |
2. Строение генетического материла бактерий, вирусов
|
|
|
|
Геном – полная генетическая система клетки (совокупность всей ДНК клетки), определяющая характер онтогенетического развития организма, наследственную передачу в ряду поколений всех его структурных и функциональных признаков. Этот термин был впервые введен Г. Винклером в 1920 г. У бактерий – это геномная ДНК плюс плазмидная ДНК; у эукариот – хромосомальная ДНК и митохондриальная ДНК; у растений и эвгленовых - ДНК пластид; у вирусов – геном может быть представлен как ДНК, так и РНК.
Организация генома бактерий
Генетический аппарат бактерий представлен бактериальной хромосомой, внехромосомными факторами наследственности — плазмидами, а также входящими в их состав мобильными генетическими элементами (рис. 2). Жизненно важная генетическая информация большинства бактерий сосредоточена в располагающейся непосредственно в цитоплазме единственной хромосоме, что позволяет отнести бактерии к гаплоидным организмам.
Бактериальная хромосома, в отличие от хромосом эукариот, представляет собой молекулу ДНК, лишенную оболочки и, чаще всего, замкнутую в кольцо. ДНК бактерий имеет молекулярную массу 2х109 и содержит до 4 тыс. генов, необходимых для поддержания жизнедеятельности бактерии и их размножения. Наряду с бактериальной хромосомой, у некоторых бактерий обнаруживаются внехромосомные генетические элементы - плазмиды, транспозоны и IS (инсерционные или вставочные) последовательности, которые также представлены молекулами ДНК, отличающимися друг от друга молекулярной массой, объемом закодированной информации, способностью к автономной репликации и другим признакам. Внехромосомные генетические элементы не являются элементами, жизненно необходимыми для клетки, т. к. не кодируют информацию о синтезе ферментов, участвующих в энергетическом и пластическом метаболизме. Вместе с тем, они могут придавать бактериям определенные селективные преимущества, такие как резистентность к антибиотикам или факторы патогенности.
|
|
|
Строение бактериальной хромосомы и ее расположение у бактерий разное. Генофор E. сoli представлен одной кольцевой молекулой ДНК (Shigella spp, Salmonella spp, P. aeruginosa, B. subtilis и др. ). Генофор V. сholerae имеет две кольцевые молекулы ДНК(первая - включает гены, контролирующие факторы вирулентности; вторая – выживание в организме человека и во внешней среде) размером 2, 69 и 1, 07 × 106 пар оснований (п. о. ). Генофор бактерий В. burgdorfeti, Streptomyces spp. представлен линейными структурами.
ДНК в хромосоме суперспирализована, ее размер в раскрученном состоянии может достигать 1 м. ДНК состоит из двух комплементарных друг другу цепочек: аденин одной цепочки спарен с тимином другой цепочки, гуанин - с цитозином. Цепи антипараллельны и располагаются во взаимно противоположных направлениях: одна в ориентации 5' → 3', другая - 3' → 5'. На 5' конце ДНК находится фосфатная группа, прикрепленная к 5-му углеродному атому дезоксирибозы. 3' конец заканчивается ОН группой, присоединяющейся к 3-му углеродному атому дезоксирибозы.
В геноме разных видов бактерий содержание нуклеотидов варьируется от 5, 8 × 105 до 13 × 106 п. о., что соответствует приблизительно 103 генов (1 ген на 1000 п. о. ). Это в 100 раз больше, чем у вирусов, и в 1000 раз меньше, чем в среднем у эукариот [2].
Плазмиды – фрагменты ДНК с молекулярной массой 106-108 кД, несущие до 40-50 генов, которые выполняют регуляторные (компенсация метаболических дефектов) и кодирующие информацию о новых дополнительных признаках функции. Они могут быть интегрированы в хромосому соматической клетки или находиться в свободном состоянии в виде замкнутого кольца, при этом плазмиды способны к автономной репликации. Известно около 30 плазмид (устойчивости к антибиотикам, бактериоциногенности, токсинообразования и т. д. ), некоторые из которых могут служить мишенями при молекулярно-генетической диагностике.
|
|
|
Рис. 2. Геном бактерии
1 – хромосомная бактериальная ДНК, 2 – плазмиды
[https: //commons. wikimedia. org/wiki/File: Plasmid_(numbers). svg? uselang=ru]
Транспозоны– мигрирующие генетические элементы, представляющие собой участки ДНК длиной до 25 000 пар нуклеотидов, несущие информацию, необходимую для собственной транспозиции (переноса). В клетке могут находиться в интегрированном состоянии или в виде кольцевой молекулы, не способной к автономной репликации. При репликации транспозонов в составе бактериального генома их новые копии могут мигрировать в ДНК плазмид и фагов, вызывая при этом в геноме делеции и инверсии. Транспозоны могут содержать информацию о синтезе бактериальных токсинов, о ферментах модификации антибиотиков и распространять ее при транспозиции среди микроорганизмов.
Рис. 3. Транспозоны и инсерционные последовательности
[https: //im0-tub-ua. yandex. net/i? id=827ff62fa8da2f1136180e5121f03a32& n=13]
вверху – структура инсерционной последовательности, внизу – структура транспозона
Инсерционные последовательности (IS-элементы) – мигрирующие элементы величиной до 1 500 пар оснований, кодирующие синтез ферментов, необходимых для транспозиции, и в свободном виде не встречающиеся. При перемещении могут вызывать инактивацию (выключение) или активацию (включение) генов, а также мутации типа делеций или инверсий при включении в бактериальную хромосому. Кроме того, IS-элементыкоординируют взаимодействия плазмид, умеренных фагов и транспозонов между собой и с бактериальной хромосомой и обеспечивают их рекомбинацию (рис. 3).
Интегроны - система захвата малых элементов ДНК (генные кассеты) посредством сайтспецифической рекомбинации и их экспрессия. Кассеты имеют размеры от 260 до 1500 п. н., которые содержат преимущественно один ген антибиотикорезистентности и сайт рекомбинации (59 пар оснований, расположенный на З'- конце). Интеграция кассет в интегрон является обратимым процессом. Интегроны могут располагаться на нуклеоиде, на плазмидах (возможно перемещение кассет с одного интегрона на другой в пределах одной бактериальной клетки и по популяции бактерий); один интегрон может захватывать несколько кассет антибиотикорезистентности. Изменения генома и свойств бактерий могут происходить в результате мутаций и рекомбинаций (рис. 4).
|
|
|
Рис. 4. Строение интегрона
[http: //ok-t. ru/img/baza6/glava-5-genetika-mikrobov-1383128809.files/image002.jpg]
Островок патогенности.. У патогенных бактерий участки ДНК не менее 10 000 п. н., которые отличаются от основного генома составом Г - Ц - пар нуклеотидных оснований и на концах имеют прямые повторы последовательностей ДНК или IS-элементы (рис. 5). Островки патогенности ответственны за синтез факторов патогенности (обеспечивают развитие патогенеза в организме хозяина). Некоторые имеют в составе участки, характерные для сайтов интеграции, расположенные вблизи генов тРНК. Островки патогенности могут быть локализованы как на бактериальной хромосоме (Salmonella), так и в составе плазмид (Shigella).
Рис. 5. Островки патогенности у бактерий
[https: //studfile. net/html/2706/274/html_G7h785ZayL. pc5b/htmlconvd-JXaO7060x1.jpg]
Организация генома вирусов
Вирусный генетический материал представлен только одной нуклеиновой кислотой (ДНК или РНК). Каждая из них является геномом. В разных по величине вирионах в геноме насчитывают от нескольких до многих десятков генов. Геномные нуклеиновые кислоты вирусов отличаются большим разнообразием структуры и формы. Геном вируса является гаплоидным, частично диплоидны ДНК − содержащие вирусы, в которых встречаются повторяющиеся нуклеотидные последовательности. Полностью диплоидны ретровирусы, геном которых представлен двумя идентичными молекулами РНК.
Вирусные ДНК по структуре могут быть: цельными одноцепочечными; двухцепочечными; с «разрыв-дефектом» в одной цепи. По форме молекула ДНК может быть: линейной, кольцевой (циркулярно-замкнутой), ковалентно - сцепленной суперспирализованной (например, у паповавирусов). В вирусной ДНК на концах молекулы имеются прямые или инвертированные (развёрнутые на 180°) повторяющиеся нуклеотидные последовательности. Их наличие обеспечивает способность молекулы ДНК замыкаться в кольцо (рис. 6).
|
|
|
Молекулярная масса вирусных ДНК в 10− 100 раз меньше массы ДНК бактерий.
Вирусные РНК различаются в еще большей степени. Молекулы РНК по структуре могут быть: одно- и двухцепочечные (диплоидный геном); цельные (сплошные) и фрагментированные (сегментированные) на 2-3... 8-12 сегментов. Наличие сегментов ведёт к увеличению кодирующей ёмкости генома. По форме РНК различают линейные и кольцевые.
Рис. 6. Структура генома ДНК-вирусов
[https: //pptcloud3. ams3. digitaloceanspaces. com/slides/pics/004/507/161/original/Slide3.jpg? 1515179067]
У РНК-вирусов выявляются различные типы вирусных геномов (рис. 7):
ü одноцепочечная нефрагментированная РНК, обладающая матричной активностью (позитивная, или + РНК) (например, вирус полиомиелита, другие пикорвирусы и т. д. );
ü одноцепочечная нефрагментированная РНК, не обладающая матричной активностью (негативная, или - РНК). Вирион в своем составе имеет фермент РНК-зависимую РНК-полимеразу, называемую транскриптазой. Она синтезирует на вирионной РНК матричную РНК, необходимую для трансляции специфических белков (например, парамиксовирусы, рабдовирусы и др. );
ü одноцепочечная фрагментированная РНК, не обладающая матричной активностью (негативная РНК). Вирион имеет транскриптазу (например, ортомиксовирусы, где вирион включает 8 фрагментов РНК);
ü двухцепочечная фрагментированная РНК; вирион содержит траскриптазу (например, реовирусы, где вирион содержит 10 фрагментов РНК);
ü две идентичные нити позитивной РНК (диплоидный геном), а вирионы имеют веретенообразную транскриптазу (например, ретровирусы);
ü одноцепочечная кольцевая РНК, такой геном имеет только один вирус дельта – гепатита, который является дефектным вирусом и для его размножения необходим вирус-помощник (вирус гепатита В) [3].
Рис. 7. Структура генома РНК-вирусов
[https: //pptcloud3. ams3. digitaloceanspaces. com/slides/pics/004/507/161/original/Slide3.jpg? 1515179067]
|
|
|
