Плазмиды – внехромосомные факторы наследственности у бактерий

 

Министерство  Здравоохранения Российской Федерации

Сибирский Государственный  Медицинский Университет

 

 

 

 

 

Кафедра микробиологии

 

 

 

 

Плазмиды –  внехромосомные факторы наследственности у бактерий

 

 

 

Выполнила студентка

группы 3603.

Проверила Жданова О.С.

 

 

 

 

 

 

Томск 2007

 

Для ряда организмов характерно наличие  некоторых свойств, которые подвержены генетическому контролю со стороны не хромосомных генов, а внехромосомных (экстрахромосомных) детерминантов наследственности. Такие детерминанты наследственности· обнаружены у отдельных видов высших животных и растений, водорослей и других организмов. Однако наиболее часто они встречаются у бактерий (Enterobacteriaceae, Baci1lus, Pseudomonas, Staphylococcus и других). В этом случае их называют бактериальными плазмидами. Например, применительно к E.coli можно полагать, что около 50% штаммов бактерий этого вида, выделенных из·природных источников, несут плазмиды в виде внехромосомных репликонов.

Наиболее характерная особенность бактериальных плазмид заключается в том, что они представляют собой генетические элементы, которые в бактериальной клетке физически обособлены от хромосомы и способны·к бесконечно долгому поддержанию и воспроизводству в такой форме. Плазмиды не имеют существенного значения для роста и размножения бактериальной клетки, которая является для них хозяином. Бактерии могут воспринимать или терять плазмиды без летальных эффектов. Неизвестно, каким образом могут вести себя бактериальные плазмиды в клетках высших организмов, хотя показано, что введение одной из плазмид в клетки млекопитающих сопровождается ее деградацией.

В 50-60-е годы плазмиды часто называли эписомами. Под этим названием понимали дополнительные генетические структуры, существующие по отношению к хромосоме альтернативно в автономном или интегрированном состоянии. По мере изучения плазмид становилось все более ясным, что не все из них соответствуют эписомам, поэтому стоит считать оправданной тенденцию называть эписомами только те плазмиды, которые способны занимать хромосомные сайты (например, фаг Р 1). Поскольку эписомная природа той или иной плазмиды основывается на генетических связях между плазмидами и клетками-хозяевами, то это означает, что одна и та же плазмида в одних клетках является действительно эписомой, а в других она продолжает оставаться плазмидой.

Наиболее изученными бактериальными плазмидами являются фактор F и его варианты F^/, факторы лекарственной резистентности бактерий (R-факторы) и бактериоциногении. Кроме них, известны также плазмиды, контролирующие синтез энтеротоксина (Ent) и гемолитическую активность (Нlу), а также контролирующие множественную устойчивость к солям тяжелых металлов, метаболизм и утилизацию камфоры, нафталина и других органических соединений. Менее изучены так называемые криптические плазмиды, для которых пока не установлены свойства, доступные для идентификации таких плазмид. Список разных плазмид, открываемых у бактерий различных систематических групп, увеличивается очень быстро.

 

 

 

КЛАССИФИКАЦИЯ ПЛАЗМИД 

 

На основе способности  передаваться от одних клеток к другим плазмиды классифицируют на конъюгативные (трансмиссивные, инфекциозные) и неконъюгативные (нетрансмиссивные, неинфекциозные) плазмиды.

К конъюгативным плазмидам относятся такие плазмиды, которые, находясь в клетках, придают им свойства доноров, вследствие чего последние приобретают способность вступать в конъюгацию с другими клетками (реципиентами) и передавать им плазмиды. Получив плазмиды, клетки-реципиенты становятся клетками-донорами. Конъюгативные плазмиды являются половыми факторами (фертильности, конъюгационными, или факторами конъюгации) и этим определяют специфические свойства клеток действовать в качестве генетических доноров при скрещиваниях с клетками-реципиентами. Благодаря этому они обеспечивают собственный перенос от одних клеток к другим, т. е. являются самотрансферабельными плазмидами. Однако, помимо собственного переноса, отдельные плазмиды могут определять и генетический перенос хромосомы клетки-донора к клетке-реципиенту, а также перенос другой плазмиды, если последняя также присутствует в клетке, но не обладает свойствами полового фактора.

Некоторые конъюгативные  плазмиды являются «чистым» половым  фактором, тогда как другие представляют собой комбинированные структуры, представленные непосредственно половым фактором и генами, имеющими хромосомное происхождение. Типичным примером таких плазмид являются фактор F и его варианты F^/.

Неконъюгативными  плазмидами называют такие плазмиды, которые не обладают способностью придавать клеткам свойства генетических доноров, вследствие чего они лишены способности передаваться от одних клеток к другим. Их перенос к другим клеткам может быть обеспечен конъюгативными плазмидами или трансдуцирующим фагом. Примером такой плазмиды является колициногенный фактор ColE 1. Известны также криптические плазмиды, которые фенотипически вообще не проявляются.

Наличие конъюгативных  плазмид в клетках сопровождается синтезом на поверхности последних  специфических пилей, обеспечивающих конъюгационные свойства клеток-доноров. Однако отдельные плазмиды не проявляют своих свойств, так как в клетках их функции подвержены репрессии. Исключение составляют лишь плазмиды F. ColV2 и ColV3, которые дефектны по репрессии, но чувствительны к репрессирующему-действию других плазмид. В зависимости от вида плазмиды пили характеризуются специфическими различиями. Поэтому плазмиды, обладающие свойствами половых факторов, могут быть классифицированы по способности репрессировать фактор F, а также детерминировать различия в пилях.

 

В последние годы широкое  распространение получила классификация, основанная на явлении несовместимости различных плазмид при введении их в одну и ту же бактериальную клетку. Классификация плазмид на основе их несовместимости обычно вызывает необходимость предварительного определения структуры плазмиды.

 

ХИМИЧЕСКАЯ  ПРИРОДА И МОЛЕКУЛЯРНАЯ СТРУКТУРА.

 

Плазмиды построены из ДНК. Чтобы определить размеры и количество копий отдельных плазмид в расчете на одну бактериальную клетку, широко используют выделение плазмидной ДНК с помощью центрифугирования в градиентах плотности хлорида цезия и этидия бромида, установление чувствительности ее к разрывам, индуцируемым ионизирующей радиацией, измерение контурной длины молекул с помощью электронной микроскопии и в экспериментах по ДНК - ДНК-гибридизации.

Плазмидные ДНК представлены в бактериальных клетках в виде закрытых и открытых кольцевидных форм. Предполагается также существование ДНК в линейной двухцепочечной форме. Однако еще неясно, какая часть плазмидных ДНК содержится в клетках в форме ковалентно-закрытых «сверхспирализованных» кольцевых молекул и какая часть в форме открытых кольцевых молекул. Даже в условиях строгой стандартизации методов выделения плазмидной ДНК содержание разных молекул в выделяемых препаратах ДНК существенно варьирует. Поэтому до сих пор есть основание предполагать, что относительно низкий процент выявления замкнутых молекул ДНК в случае отдельных плазмид является результатом нарушения их структуры при выделении плазмидной ДНК.

Физиологический смысл кольцевого строения плазмидной ДНК пока неясен. Поскольку кольцевые формы ДНК не обнаружены у фага Т7, то предполагают, что кольцевая структура ДНК необязательна для репликации плазмид, но важна для поддержания последних в клетке или для их конъюгационного переноса.

 

Фактор множественной лекарственной устойчивости - R-фактор впервые был обнаружен японскими исследователями в 1955г. у штамма возбудителя дизентерии, устойчивого сразу к 4 препаратам - сульфаниламиду, стрептомицину, тетрациклину и хлорамфениколу. Такая множественная устойчивость передается от резистентных бактерий к чувствительным при контакте клеток независимо от хромосомы, поэтому был сделан вывод, что данное свойство связано с генетической детерминантой плазмидного характера. В дальнейшем было показано, что R-фактор может передаваться от резистентных шигелл к кишечной палочке и наоборот, а также к представителям рода сальмонелл, т. е. возможна межвидовая передача фактора устойчивости.

R-фактор - типичная плазмида, представляющая собой двунитчатую молекулу ДНК, в которой определены гены, ответственные за саморепликацию и перенос резистентности в реципиентную клетку - фактор переноса устойчивости RTF и отдельные гены, обозначаемые буквой r, детерминирующие устойчивость к конкретному антибиотику.

Плазмида, содержащая RTF, ведет себя как конъгативная. На поверхности таких клеток образуются половые R-пили, участвующие в конъюгации при передаче R-фактора. R-фактор может передаваться при трансдукции (например, у стафилококков) и при обычном делении бактериальной клетки. Последний механизм имеет особое значение, так как при распространении в популяции клеток, несущих R-фактор, находящийся в среде антибиотик выполняет селективную роль и бактерии R+ становятся превалирующими.

Различные R-факторы могут содержать от 4 до 8 генов в разнообразной комбинации, определяющих устойчивость и к лекарственным препаратам, и к некоторые веществам (ртуть, кобальт и др.).

Механизм, определяющий способность R+ бактерий превращать антибиотики в неактивную форму, связан действием на антибиотики особых специфических ферментов, синтез которых детерминируется R-плазмидой.

 

Плазмиды Col детерминируют синтез белковых веществ, называемы колицинами, способных вызывать гибель чувствительных бактерий собственного вида или близкородственных. Этот феномен был впервые изучен на Е. Coli, поэтому и назван колициногенией. Однако многие другие бактерии также могут иметь плазмиды, определяющие синтез веществ, летальных для близких видов. Вещества эти получили название бактериоцинов, а феномен - бактериоциногении.

Col-факторы Е. Coli детерминируют синтез различных типов колицинов, отличающихся рядом химических и физических свойств.

Механизм действия колицинов заключается в следующем: колицины адсорбируются на чувствительных клетках (лишенных Col-фактора) и, не проникая внутрь клетки, вызывают нарушение метаболизма, приводя клетку к гибели.

 

Носительство плазмид - широко распространенное явление в мире микробов, их наличие придает клетке определенные преимущества. Плазмиды играют важную роль в эволюции бактерий, участвуя в процессе естественного отбора.

Возможность введения генетической информации от одного вида бактерий другому виду различными методами привела к созданию нового направления в генетике - генной инженерии. При получении «искусственных» особей широко используется генетический материал плазмид. Так, методом генной инженерии с помощью бактерий получен интерферон. Для этого культуры клеток человеческих лейкоцитов заражают вирусом и в клетках начинает вырабатываться интерферон. Из этих клеток выделяется РНК, на которой с помощью фермента ревертазы синтезируется ДНК, затем отбирается молекула ДНК, в которой закодирована информация о продукции интерферона. Эту молекулу включают в плазмиду кишечной палочки, благодаря чему она приобретает способность вырабатывать человеческий интерферон. Полученный интерферон уже испытан на противовирусную активность. Таким образом, интерферон, полученный с помощью бактерий методом генной инженерии, является фактически первым фармакологическим препаратом, который можно будет получать в большом количестве без существенных затрат.

 

ПРОИСХОЖДЕНИЕ ПЛА3МИД.

 

Происхождение плазмид  неоднократно обсуждалось многими  исследователями. Однако сначала важно  определить насколько сходны между собой различные плазмиды.

Прежде всего общее для всех без исключения плазмид свойство заключается в том, что они являются дополнительными генетическими структурами по отношению к геному бактериальной клетки, представленному ее хромосомными генами. Потеря бактериальными клетками плазмид не отражается на проявлении их биологических свойств. Кроме того, многие плазмиды, находясь в бактериальных клетках, детерминируют способность последних быть донорами генетического материала. Все они, кроме плазмиды F и некоторых других, подвержены генетической репрессии. Несмотря на то, что мутагенез и рекомбинация открыты лишь у отдельных плазмид, вряд ли будет ошибкой полагать, что все плазмиды подвержены мутациям и вовлекаются в генетическую рекомбинацию. В то время как многие из плазмид способны peплицироваться синхронно с хромосомой независимо от того включены ли они в хромосому или находятся в автономном состоянии, отдельные плазмиды реплицируются независимо от хромосомы.

Однако, вопреки сходству многих свойств, сходство по молекулярным особенностям между плазмидами существует лишь в пределах групп совместимости. Поскольку высокая частота гибридизации ДНК плазмид свидетельствует о большом количестве одинаковых последовательностей азотистых оснований, т.е. о гомологии плазмид, предполагают, что плазмиды в пределах одной группы совместимости имеют общее происхождение и несовместимость указывает на филогенетическую связь между плазмидами.

В пользу представлений  о несовместимости как критерии общности некоторых плазмид свидетельствуют данные о генетическом контроле этого явления. Объяснить механизмы несовместимости можно на основе двух гипотез:

1) суперинфицирующая  плазмида проникает в клетку, но не реплицируется из-за подавления ее инициатора репликации вследствие гомологии между двумя структурами (плазмидой «резидентом» и суперинфицирующей плазмидой)

2) суперинфицирующая плазмида не  проникает в клетку, так как  не может прикрепиться к клеточной  мембране из-за того, что соответствующий  сайт уже занят плазмидой-«резидентом».

На происхождение плазмид существует несколько взглядов. Обсуждая природу конъюгативных плазмид, Hayes (1968) пришел к заключению, что они сходны по ряду критериев с вирусами. По мнению этого автора, конъюгативные плазмиды представляют собой вирусы, которые вследствие развития конъюгационной способности стали обладать механизмом, позволяющим им диссеминировать среди бактерий многих видов и родов. В качестве указания на сходство между плазмидами и такими вирусами, как умеренные фаги, обычно используют данные о способности конъюгативных плазмид детерминировать синтез специфических клеточных рецепторов, которые в отдельных случаях сходны с рецепторами для адсорбции фагов. Однако плазмиды все же отличаются от умеренных фагов, в частности от их интегрированных геномов, причем эти различия довольно существенные. Интеграция профага чаше происходит только в определенных сайтах хромосомы, тогда как сайты включения отдельных плазмид более разнообразны. Далее, умеренные фаги в автономном состоянии всегда размножаются быстрее, чем бактерии, и вызывают их лизис, тогда как плазмиды не обладают способностыо лизировать бактерии. Наконец, плазмиды не обладают белок-синтезирующим комплексом, благодаря которому происходит проникновение вирусной ДНК в клетку. Плазмиды не контролируют синтез лишь нескольких белков, необходимых только для того, чтобы клетка, в которую проникла плазмида, стала генетическим донором.