Межвидовая передача генов устойчивости

Межвидовую передачу генов устойчивости иногда удается зарегистрировать, изучая свойства штаммов, выделяемых из определенных популяции бактерий. Так, в клинических условиях зарегистрирована передача R-фактора от представителей Enterobacteriaceae, у штаммов которых эта плазмида присутствует, к Pseudomonas aeruginosa, штаммы которого ранее никогда ее не имели. В условиях эксперимента ген устойчивости к ампициллину был передан от Е. coli к Mycoplasniacapricolum и функционировал в этой бактерии. Источник генов устойчивости, появляющихся в популяциях бактерий, часто неизвестен, но результаты такого переноса впечатляют. Так, начиная с 1945 г. в Японии для борьбы с дизентерией, вызываемой Shigella, широко стали использовать сульфамид. Но уже через 5 лет были обнаружены многочисленные устойчивые к сульфамиду штаммы, число которых скоро достигло более 90% выделенных. Тогда вместо сульфамида стали применять антибиотики, но уже в 1952 г. от больного был выделен штамм Shigella, одновременно устойчивый к тетрациклину, стрептомицину и сульфаниламиду, а в 1955 г. уже и к хлорамфениколу. Плазмиды с генами устойчивости к лекарственным веществам возникли вне связи с применением лекарств и иногда обнаруживаются у бактерий, выделенных задолго до открытия антибиотиков. Предполагают, что источником генов устойчивости могли стать микроорганизмы —продуценты антибиотиков. Действительно, у продуцентов антибиотиков известны соответствующие плазмиды, однако их гены устойчивы и соответствующие гены бактерии—не продуцентов, как грамположительных, так и грамотрнцательных, обнаруживают мало гомологии. Другая возможность состоит в том, что гены устойчивости могут происходить от бактерий, обитающих в ценозах совместно с продуцентами соответствующих антибиотиков. Значительная доля внутрипопуляционных наследственных изменении вызывается особыми генетическими структурами— перемещающимися элементами, сегментами ДНК, которые могут встраиваться в разные места генома. Это, во первых, IS-элементы, содержащие только гены, необходимые для их перемещения—транспозиции—из одного места генома в другое, не переходя в автономное состояние. IS-элементы различаются размером и составом основании. Разные бактерии содержат различное число IS-элементов. Например, у Shigelladysenteriae в геноме обнаружено около 200 копий IS-подобных последовательностей, у штаммов Е.coil их от 0 до 19. При встраивании IS-элементов впереди какого-либо гена нарушается его регуляция; гены подавляются, активируются или становятся конститутивными. Эти мутации происходят благодаря присутствию в перемещающихся элементах терминаторов и промоторов транскрипции и трансляции. Кроме того, перемещающиеся элементы стимулируют мутации разного рода в близлежащих генах. В процессе транспозиции происходит репликация ДНК переносимого элемента и копия встраивается в новый участок ДНК, исходный элемент остается на своем месте, т.е. в сущности не переносится. Перемещающиеся элементы характеризуются специфичностью при выборе мест интеграции в хромосому. В случае высокой сайт-специфичности перемещающегося элемента его присутствие в геноме бактерии приводит к повышенной нестабильности определенных генов и соответственно к направленности изменчивости популяции. Тп-элементы, или транспозоны, сложные перемещающиеся элементы ограничены с обеих сторон IS-элементами, которые и определяют их способность к транспозициям, но содержат некоторые дополнительные гены, не имеющие отношения к механизму их транспозиций. В состав транспозонов особенно часто входят гены, определяющие устойчивость бактерий к лекарственным препаратам, тяжелым металлам, или гены токсинообразования, но здесь могут быть и другие гены, В некоторых случаях яды, инактивируемые благодаря генам, находящимся в транспозонах, стимулируют перемещения этих транснозопов. Третья группа перемещающихся генетических элементов бактерий—эписомы, т. е. плазмиды, способные к автономному (вне хромосомы) существованию в клетках или встраивающиеся в хромосому обычно благодаря наличию в их структуре IS-элементов или транснозонов. К перемещающимся элементам бактериального генома относятся также умеренные бактериофаги, ДНК которых в клетке ведет себя подобно эписомам. Некоторые бактериофаги, например уже упоминавшийся фаг Mu, по своим свойствам сходны с транспозоном н отличаются только способностью к формированию вирусных частиц. Молекулы ДНК фагов, плазмид, транспозонов и IS-элементов находятся в постоянное взаимодействии. В зависимости от условий среды те или иные процессы оказываются целесообразными и дают бактериям преимущества в борьбе b-лактамазы 1, кодируемые плазмидой Salmonellaparatyphi, выделенной в Англии, и плазмидой из штамма Escherichiacoli, выделенного в Греции, отличались только одной аминокислотной заменой. Вообще b-лактамные антибиотики. Эти ферменты иногда оказываются совершенно сходными у представителей разных родов бактерий, выделенных к тому же в различных географических районах Земли. Например, b-лактамаз— ферментов, расщепляющих пенициллины и другиеbПопуляции являются элементарными единицами микроэволюции, они способны реагировать на изменения среды перестройкой своего генофонда. Однако и здесь популяции бактерий, в сравнении с популяциями эукариот, обнаруживают существенные особенности. У бактерий широко распространена так называемая горизонтальная передача генетических детерминант, при которой некоторые гены могут быть перенесены не только от одних членов популяции данного вида другим, но и представителям разных видов и даже родов. Горизонтальной передаче подвержены главным образом плазмидные гены, определяющие адаптации бактерий к некоторым факторам среды. Это гены устойчивости к токсическим веществам, гены патогенности, гены, определяющие способность к использованию некоторых органических соединений и водорода, и др. Таким образом, генофонд популяции обогащается за счет некоторых генов, имеющихся в популяции других видов. Передача генов у бактерий может происходить путем конъюгации. Процесс конъюгационного переноса является основным механизмом межвидовой передачи генов. Так, плазмиды группы несовместимости Р (Р-1) при конъюгации могут переноситься между разными грамотрицательными бактериями. Это представители семейства Enterobacteriaceae, рода Vibrio. Такие плазмиды иногда способны к мобилизации при конъюгационном переносе и хромосомных генов. При генетической трансформации бактерий происходит проникновение в клетку молекул ДНК. Хромосомные гены бактерий другого вида, находящиеся в составе этой ДНК, обычно не интегрируются и не проявляются, но при трансформации может эффективно переноситься плазмидная ДНК. При трансформации наблюдали передачу плазмид от Bacillussubеillis к Stuphy-lococcиsaureus и Streptococcuspneumoniae. Некоторые плазмиды грамположительных видов могут реплицироваться в клетках грамотрицательных бактерий. Бактериофаги, осуществляющие перенос генов при трансдукции, обычно специфичны, и лишь некоторые из них, например бактериофаг Ми, способны к заражению представителей нескольких родов бактерий. Однако при передаче новому виду плазмид плазмидные гены могут встраиваться в геном бактериофагов, что способствует распространению этих генов в бактериальной популяции. Основные данные о межвидовой передаче генов касаются генов, определяющих устойчивость бактерий к лекарственным препаратам. Эти гены обычно сосредоточены в R-плазмидах. О том, что имела место межвидовая передача этих плазмид, можно судить по высокой степени сходства соответствующих генов у разных бактерий. Так, известно несколько видовбе за существование. Отдельные клетки даже в клональной популяции могут отличаться особенностями структуры генома от основной массы клеток, что дает материал для отбора при изменении условий среды. Таким образом, генетическая структура бактериальных популяций весьма сложна и подвижна. Сложность генетической структуры бактериальных популяций реализуется в изменчивости ее членов. Диссоциация бактерий—это постоянная и потому легко обнаруживаемая изменчивость внешнего вида колоний, причем одновременно с этим изменением изменяется и целый ряд других свойств клеток. Изменчивость такого рода может иметь большое значение для выживания бактерий, а также представляет большой практический интерес, поскольку в процессе диссоциации происходит изменение степени вирулентности патогенных бактерии, интенсивности синтеза биологически активных соединении соответствующими продуцентами и т. п. Диссоциации бактерий—это расщепление однородной популяции на варианты, различающиеся морфологическими, физиологическими и биохимическими свойствами, причем у разных видов и даже у разных штаммов одного вида бактерии их свойства могут быть различны. Обычно выделяют три основных варианта, различающихся прежде всего морфологией колоний:M.(mucoid) —слизистые, S (smooth)—гладкие, R (rough)— шероховатые или складчатые колонии, Могут образовываться также колонии промежуточных типов, а также карликовые колонии. Иногда выделяют и колонии других типов. Диссоциация отличается от случайных мутаций высокой частотой возникновения вариантов и их взаимным переходом— 10-2—10-4. Частота переходов характерна для определенных штаммов, т. е. является характеристикой штамма и довольно стабильно сохраняется в процессе хранения культуры, Диссоциацию наблюдали прежде всего у патогенных бактерии: пневмококков, стафилококков, сальмопелл, дизентерийных бактерии, туберкулезных микобактерий и др. Особое внимание ветеринарных и медицинских микробиологов этот процесс привлекает потому, что с изменением характера колонии связано изменение вирулентности и антигенных свойств микроорганизма. Колонии бактерии кишечной группы, выделенные из естественной среды их обитания, находятся в S-форме. Образуются при лабораторном культивированииR- колонии складчатые, гранулярные. Бактерии дают гранулярный рост в среде, в физиологическом растворе клетки часто подвержены спонтанной агглютинации. Клетки S-варианта после деления сразу отделяются друг от друга, а у R-варианта после деления не расходятся, образуя нити или цепочки, УR-варианта частично редуцирована полисахаридная часть липополисахарида внешней мембраны клеточной стенки, клетки более гидрофобны. У R-варнаптов часто образуются инволюционные клетки, т. е. клетки неправильной формы, нередко гигантские, иногда теряющие подвижность, способность к образованию фимбрий и т. д. S—R-изменчивость ассоциируется с частичной или полной потерей вирулентности. У пневмококков изменчивость колоний от S- к R-форме ассоциируется с потерей капсульного полисахарида, а соответственно—типоспецифического антигена и вирулентности. При выращивании бактерий на искусственных питательных средах R-вариаиты обычно получают селективное преимущество и имеют тенденцию накапливаться в популяциях. Обратный процесс—накопление клеток S-вариантов, можно наблюдать при пассировании бактерий через организм животного. Наиболее универсальным методом селекции является воздействие специфическими к S- или К-вариантам антисыворотками. Для селекции клеток R-формы бактерий обрабатывают антисывороткой против S-клеток, и наоборот. У продуцентов биологически активных соединений активными могут быть те или иные варианты. Так, антибиотик грамицидин С вырабатывают М- илиR-, но не S-формыВ.brevis. В.subtilis вырабатывает а-амилазу, будучи вR- или S-. но не в М-форме, и т. п. Молекулярные механизмы диссоциации бактерий еще не вполне понятны. Многие авторы ведущую роль в диссоциации отводят фаговой конверсии, т. е. считают, что изменчивость бактерий здесь регулируется геномом профага. Состояние бактерии может при этом зависеть как от наличия профага, так и от места его внедрения в хромосому. Может изменяться и состояние генома самого профага. Так, дляMycobacteriumlacticolum было показано, что R-, S- и М-варнанты, видимо, отличаются по характеру встройки профага в геном клетки. При эгом возможные переходы форм вызываются перестройкой профага, присутствующего во всех трех вариантах. При обработке клеток М-варианта веществами, элиминирующими плазмиды, акридиновым оранжевым или бромистым этиднем, половина возникающих клонов S-типа теряла способность к диссоциации и приобретала чувствительность к соответствующему фагу. С большей или меньшей убедительностью значение профага для диссоциации было показано и для ряда других видов бактерии, однако далеко не для всех диссоциирующнх видов. Вероятно, кроме профагов в регуляции этого процесса принимают участие и другие мигрирующие генетические элементы—плазмиды, IS-элементы, транспозоны. Очевидно, что диссоциация бактерий, постоянно идущая в природных популяциях бактерий, создает фенотипическое разнообразие форм на единой генетической основе, что имеет большое приспособительное значение. Выживают и накапливаются варианты, наиболее приспособленные к конкретным условиям окружающей среды. Бактериоцины —это белки, приводящие бактерии того же вида или близкородственных видов к гибели. Бактериоцины бактерий обозначают в соответствии с названиями соответствующих организмов. УЕ.coli—это колицины, уSerratiamarcescens—марцесцилы, УKlebsiellapneumoniae—пневмоцины и т. п. Одна группа килицинов кодируется генами, находящимися в крупных конъюгативных плазмидах. Это высокомолекулярные белки, иногда имеющие форму фаговых отростков. Колицины другой группы кодируются мультикопийными неконъюгативными мелкими плазмидами и представляют собой низкомолекулярные термостабильные белки. Кроме генов, кодирующих синтез колицинов, соответствующие плазмиды содержат гены, определяющие устойчивость к подобному экзогенному и эндогенному колицину в результате изменения поверхностных белков — рецепторов молекул колицина, или синтеза белков, нейтрализующих килицин. Гены колициногенности обычно репрессированы. В популяции бактерии, имеющих плазмиды колициногенности, колицин образуют не более 0,01% клеток—их число значительно возрастает в плотных популяциях. Синтез крупномолекулярных колицинов может быть индуцирован воздействиями, нарушающими структуру ДНК—облучением, обработкой митомицином С н др. Синтез этих колицинов сопровождается гибелью клетки и ее лизисом. Молекулы колицина адсорбируются на поверхности чувствительных, т. е. не содержащих данную плазмиду бактерий. Иногда достаточно одной молекулы адсорбированного на поверхности клетки колицина, чтобы убить клетку. Низкомолекулярные колицины проникают внутрь клетки. Механизмы гибели бактерий под действием колицинов различны. Некоторые колицины нарушают функции цитоплазматической мембраны, другие действуют на ДНК или рибосомы. Около 20% штаммов кишечной наличии, выделенных из природы, имеют плазмиды колициногенности. В определенных популяциях кишечной палочки могут присутствовать колициногенные и неколициногенные клоны. Способность к образованию крупномолекулярных колицинов, видимо, не придает клеткам экологических преимуществ в кишечнике. Содержимое кишечника обладает высокой протеолитической активностью, кроме того, в анаэробных условиях эти колицины мало активны. Низкомолекулярные колицины более устойчивы к протеазам. Их продуценты получают преимущество при развитии в кишечнике, однако полного вытеснения неколициногенных клонов обычно не наблюдается.

Заключение

Бактерии населяют всю биосферу, едва ли можно найти такие ее участки, где была бы жизнь, но не было бактерий. Вместе с тем в условиях, которые мы определяем как экстремальные, нередко обитают только бактерии, например при экстремальных значениях температуры, солености, рН. Огромному разнообразию условий, представляемых биосферой бактериям, соответствует разнообразие их свойств и адаптации. Обладая огромной численностью популяций и выработанными эволюцией механизмами изменчивости и диффузии генетических детерминант, большинство бактериальных видов находится в состоянии постоянного адаптационного движения в соответствии с изменяющимися условиями среды, будь то организмы или элементы неживой природы. В результате успехов молекулярной биологии и молекулярной генетики в последние годы успешно развивается направление исследований, которое можно определить как молекулярную экологию. Как выясняется, несмотря на относительную простоту организации бактериальной клетки и ее незначительный объем, она обладает весьма сложными и совершенными механизмамии молекулярных адаптации, существование которых еще относительно недавно невозможно было даже предположить. Рассматривая экологию бактерий, необходимо иметь в виду, что они являются не только обитателями, но и создателями современной биосферы, а в настоящее время сами являются экологическим фактором практически для всех живых организмов, с которыми они взаимодействуют как косвенно, через процессы круговорота элементов, так и непосредственно, являясь комменсалами, симбионтами или паразитами. Экология микроорганизмов - бурно развивающаяся наука, ее прогресс определяется не только интенсивностью проведения специальных экологических исследований, но успехами во всех других областях микробиологии, а также в соответствующих разделах генетики и молекулярной биологии. Крайняя недостаточность имеющихся к настоящему времени знаний о практически неисчерпаемом разнообразии взаимодействий бактерий со средой и организмами несомненна. Это позволяет с уверенностью утверждать, что в скором будущем предстоят увлекательные открытия в области экологической микробиологии, в том числе патогенных микроорганизмов. Некультивируемые формы патогенных бактерий при переходе во внешнюю среду из организма человека или животного или при резком изменении условий существования в этой среде патогенные бактерии с помощью различных сенсорных и регуляторных механизмов перестраивают работу своего генетического аппарата, что позволяет им сохранять свою жизнеспособность.

Список литературы

http://naukarus.com/geterogennost-kak-adaptivnoe-svoystvo-bakterialnoy-populyatsii

http://epidemiolog.org/epidemiologicheskij-slovar/geterogennost-populyacij-genotipicheskaya-fenotipicheskaya-parazita-i-xozyaina

http://statref.ru/ref_jgepolrnapol.html