Ш.И. Сарбасова атындағы микробиология, вирусология

Микроорганизмдердің генотипін карталау. Тұқымқуалаушылықтың хромосомадан тыс факторлары: плазмидалар, транспозондар, Is-тізбектер. Бактериялар және вирустардың генетикасы.

         Микроорганизмдердің генетикасы тұқымқуалаушылық және өзгергіштік ілімі ретінде құрылысы мен биологиясына сәйкес өзіне тән ерекшеліктері бар. Бактериялардың генетикасы көбірек зерттелген, олардың ерекшелік сипаты бактериалды жасушаның ұсақ өлшемі және көбеюінің жоғары жылдамдығы, мұның нәтижесі популяцияның үлкен санында кысқа уақыт аралығында генетикалық өзгерістерді анықтауға мүмкіндік береді. Бактериалды жасушада гендердің біртекті жиынтығы бар (аллелдер жоқ). Бактерияның хромосомасы ұзындығы 1000 мкм және молекулалык салмағы 1,5-2 10⁹ Д полинуклеотид (ДНҚ-ның екі полинуклеотидтті тізбегі) болып табылады. Ол суперспиралданған және сақинаға тұйыкталған: ЗООО-5000-ға дейін геннен тұрады. Хромосомаға үқсас бактериялардың цитоплазмасында плазмида (хромосомадан тыс түқымқуалаушылық факторлары) деп аталатын ДНҚ-ның ковалентті түйыкталған сақинасы орналасады. Плазмвд салмағы хромосома салмағынан аз. Хромосома мен плазмида автономдық өздігінен көшіруге-репликацияға кабілетті, сондықтан оларды репликондар деп атайды. Микроорганизмдердің қасиеті кез-келген басқа организмдер сияқты олардың генотипімен анықталады, яғни берілген дараның гендер жиынтығы. Микроорганизмдерге қатысты «геном» термині - «генотип» ұғымына синоним болып келеді.

       Фенотип дегеніміз генотип пен қоршаған ортаның өзара байланысының нәтижесі, яғни өмір сүрудің белгіді жағдайындағы генотиптің көрінісі болып табылады. Микроорганизмдердің фенотипі қоршаған ортаға тәуелділігіне қарамастан генотиппен бақыланады, себебі осы жасушаның фенотиптік өзгерістерінің сипаты мен мүмкіндік дәрежесі гендер жиынтығымен анықталады, олардың әрқайсысы ДНҚ молекуласының белгілі белшектерімен екілденген.

      Өзгергіштіктің негізінде коршаған орта факторларына генотип рсакцияларының өзгерісі немесе гендер мен олардың рекомбинацияларының мутациясы нәтижесінде генотиптің езінің өзгерісі жатыр. Осыған байланысты фенотигггік өзгергіштік түқымқуалайтын және тұқымқуаламайтын болып бөлінеді.

      Тұкым қуаламайтын (қоршаған орта, модификациялык) өзгергіштік жасуша ішілік және сыртылық факторлардың генотиптік көрініске әсерімен қамтамасыз етіледі. Модификацияны тудыратын факторларды қалпына келтіргенде бүл өзгерістер жоғалады.

      Тұқым қуалайтын (генотиптік) өзгергіштік мутациялармен байланысты - мутациялық өзгергіштік. Мутацияның негізін ДНҚ-ғы нуклеотидтердің реттілігінің өзгерісі қүрайды, оларды толық немесе жартылай жоғалту, яғни гендердің қүрылымдық қайта кұрылуы жүреді, бұл белгінің өзгерген түрінде фенотиптік өзгеріспен көрінеді. Рекомбинациямен байланысқан   тұкымқуалайтын   езгергіштік рекомбинациялық өзгергіштік деп аталады.

                                    Бактериялардағы рекомбинациялар

       Рекомбинация (ге + лат. сombinatio - байланыс) - ДНҚ молекуласының үзілуі мен қайтадан қалпына келуі нәтижесіндегі жаңа реттіліктің пайда болуы. Бактериялар ДНҚ-ның осындай өзгерістерінің нәтижесінде рекомбинантты штамдар деп аталатын немесе рекомбинанттар пайда болады. Бактериялардағы рекомбинация процесі олардың генетикалық аппаратының ерекшеліктеріне, генетикалық алмасу түрлеріне байланысты бірқатар айырмашылыктарға ие. Осы микробты нысандарда генетикалык материалдардың тасымалдау түрлері ашылған -трансформация, трансдукция, конъюгация, бүлар классикалық генетикаға белгісіз, осылардың кемегімен генетикалық рекомбинациялардың молекулярлы механизмдері зерттеледі,

Генетикалық тасымалдану  процесіне бактерия-рецепиент және бактерия-донор қатысады. Олардың қатысу дәрежесі бірдей емес: рецепиентті жасушаға тек бактерия-донордың экзогенді ДНҚ бөлшегі түседі, бүл рецепиенттің түтас хромосомасымен өзара байланысып, нәтижесінде рекомбинантты түзу арқылы генетикалык материалдың жартылай таралауы (рекомбинация) өтеді. Бактериялардағы рекомбинацияның барлық кезеңдері сәйкесінше ферменнтермен қамтамасыз етіледі: рестриктазалар, лигазалар т.б. Бактерияларда үш түрлі рекомбинацияларды бөледі: жалпы, «заңсыз» және сайт-спецификалық. Жалпы, немесе гомологияльщ, классикалық рекомбинациялар егер өзара байланысатын ДИҚ қүрылымында гомологиялық (грек сөзінен Homologia- сейкестік) бөлшектер болса рекомбинация жүреді. «Заңсыз» деп аталатын рекомбинацияның жүруі үшін өзара байланысатын қүрылымында ДНҚ гомологиясын соншалықты кажет етпейді.

      «Заңсыз» рекомбинацияда ДНҚ-ның кішірек бөлшектері қатысады, олар репликон (плазмидада, хромосомада) немесе репликонның арасында жылжуға, көшуге қабілетті. ДНҚ-ның бүл фрагменттері қозғалғыш генетикальщ элементтер деп аталады: І8-элементтер (ағылшын сөзі іпзегііоп зедиепсек - қойылатын реттілік) және транспозондар. 18-элементтер - ДНҚ-ның спецификалық қозғалғыш элементтері, қүрамында репликондардың гомологиялық емес бөлшектерінің интеграциясына қажетті гендер бар. Транспозондар - ДНҚ-ның күрделі генетикалық күрылымы, олар өз қүрамында І8-элементтер мен қосымша гендерді (мысалы, дәріге түрақтылық гевдер т.б.) қүрайды. Қозғалғыш генетикалық элементтер гендердің инактивациясын (белсенділігінің жойылуы) немесе бұзылуын, репликондардың бірігуін, гендердің бактериялар арасында таралуын тудырады.

     Жалпы рекомбинация түрішілік генетикалық алмасу кезінде аса тиімді, «заңсыз» рекомбинация тек арасында маңызды роль аткарады.

Рекомбинацияның үшінші түріне сайт-спецификальщ (ағылшынша seit орналастыру, бөлімше) деп аталатын рекомбинация жатады, оны атқару үшін ДНҚ-ның катаң белгілі ретгілігі мен арнайы ферменттер болуы кажет. Сайт-спецификалық рекомбинация геномның кішірек белімінде өтеді (нуклеотидтің 10-20 жүбы арасында), мысалы хромосоманың қатаң шектеулі бөліміне (сайт) профагты қосу кезінде.

      ДНҚ берілуінің үш түрі анағұрлым жақсы зерттелінген, олар бір бірінен тасымалдау қабілеті бойынша ажыратылады: трансформация, транслукция, конъюгация.

                                                         Трансформация

      Трансформация (латынша transformatio - айналыс) бактериялардан бос ерітілетін түрде бөлінетін ДНҚ-ы бактерия-рецепиентке берілуімен сипатталады. Трансформация кезінде бактериялардың ДНҚ-лы бір-біріне туыстас болса рекомбинация жүреді. Мұндай жағдайда өзінің және сырттан енген ДНҚ-ның гомологиялық (ұқсас) бөлімдері алмасуы мүмкін. Ең алғаш трансформация құбылысын Ф.Гриффитс (1928) сипаттады. Ол тышқандарға пневмококтьң тірі вирулентсіз капсуласы жоқ S-штамы мен бір мезгілде пневмококтьщ өлтірілген вирулентті капсулалы S-штамын енгізді.  Өлген тышқан канынан пневмококтын өлтірілген S-штамының Юпсуласы бар вирулентті пневмокок бөлінді. Нәтижесінде пневмококтын өлтірілген    S-штамы    тұқымкуалайтын    капсула    түзу    кабілетін пневмокотың R-штамына берді. О.Эвери, К.Мак-Леод және М.Мак-Карти  (1944) мүндай жағдайда ДНҚ-ның трансформациялық агент екендігін дәлелдеді. Трансформация жолымен әртүрлі белгілер берілуі мумкін: капсула түзу, антибиотиктерге тұрақтылык, ферменттер синтезі.

       Бактериалды трансформацияны зерттеу тұқымқуалаушылықтық Материалды субстраты ретінде ДНҚ-нын маңызын анықтауға мүмкіндік берді. Бактериялардың генетикалық трансформациясын зерттеу кезінде бактерияларда ДНҚ-ы экстракциялау, тазалау әдістері және оның талдауларының биохимиялық, биофизикалық әдістері өңделді.

Трансдукция

      Трансдукция (латынша transductio - тасымал, баска жерге апару) -ДНҚ-ның бактерия-донордан бактерия-рецепиентке бактериофагтың қатысумен тасымалдануы. Трансдукцияның екі түрі бар: бейспецификалық (жалпы) - мұндай жағдайда донор ДНҚ-ның кез келген бөлшегін тасымалдау мүмкін, спецификалық - донор ДНҚ-нын арнайы бөлніегі тек рецепиент ДНҚ-ның арнайы бөлшегіне тасмалданады. Бсйспецифкалық трансдукция фагтың басына қосымша фагтың геномына немесе фаг геномының орнына (ақауы бар фагтар) донор ДНҚ-ның тіркслуімен қамтамасыз етіледі. Спецификалық трансдукция фагтың бірнеше    гендерінің  жасуша-донор    хромосомасының    гендерімен алмасуын қамтамасыз етеді. Жасуша-донор хромосомасының бөлшектерін тасымалдайтын фагты ДНҚ жасуша-рецепиенті хромосомасының қатаң арнайы бөлімінде тіркеледі. Нәтижесінде, әкелінген жаңа гендер мен фагтың ДНҚ хромосомамси бірге профаг түріңде ропродукцнялинады, яғни бұл процесс лизогениямен қатар жүреді. Егер фагпен тасмалданатын ДНҚ бөлшегі рецепиенттің хромосомасымен рекомбииацияга түспесе және репликацияланбаса, бірақ одан сәйкес өнімнің синтезі туралы ақпараттар алынады, мұндай трансдукция абортивті деп аталады.

                                                          Конъюгация

       Конъюгация (латын сөзі cojugatio - байланыстыру) ішек таяқшасының мутанттарымен жүмыс жасаған Дж.Ледербергпен және Э.Татуммен (1946) сипатгалған. Бактериялардың конъюгациясы донор-жасушаның («ер») генетикалық материалы (ДНҚ) рецепиент - жасушаға («әйел») жасушалар бір-бірімен жақындасқанда етуі.

Ер жасушасында Ғ - фактор немесе жыныстық фактор (ағылшын  сезі fertility - үрықтық) бар, бүл жыныстық пили немесе Ғ-пили синтезін бақылайды. Ғ-факторы жоқ жасушалар әйелдік болып табылады; Ғ-факторды алғаннан кейін олар «еркек»-тікке айналып өздері донор болып келеді. Ғ-фактор цитоплазмада ДНҚ-ның сақиналы екі тізбекті молекуласы түрінде орналасады, яғни плазмида болып табылады. Ғ-фактордың мояекуласы хромосомадан өте кіші және конъюгация процесін, соның ішінде Ғ-пили синтезін бақылайтын гендерді құрайды. Конъюгация кезінде Ғ-пили «ер» және «әйел» жасушасын байланыстырып ДПҚ-ның конъюгациялық көпір немесе Ғ-пили арқылы өтуін қамтамасыз етеді. Цитоплазмасында Ғ-факторы бар жасушалар Ғ⁺ деп белгіленеді; олар Ғ~ («әйел») деп белгіленген жасушаларға Ғ факторды бере отыра донорлық қасиетін жоғалтпайды, себебі қүрамыіща Ғ фактордың көшірмесі қалады. Егер Ғ фактор хромосомаға тіркелсе, онда бактериялар хромосомды ДНҚ бөлшектерін беру қабілетіне ие болады және Н& -жасушалар (ағылшын сөзі һіgһ freguency рекомбинацияның жоғары жиілігі), яғни жоғары жиілікті рекомбинациялы бактериялар деп аталады. Нfr -жасушалар мен Ғ" жасушалар конъюгациясы кезінде хромосома айырылады және Ғ" жасушада белгілі бөлімнен (бастапқы нүкте) тасымалданады, сонымен қатар репликациясы жалғасады. Барлық хромосоманың тасымалы 100 минутқа дейін созылуы мүмкін.

      Тасымалданган ДНҚ рецепиент ДНҚ-мсн өзара байланысып -гомологиялық рекомбинация жүреді. Бактериялардың конъюгация процесін тоқтата отырып, хромосомадагы гендсрдің орналасу ретгілігін анықтауға болады. Кейдс Ғ фактор хромосомадан шыкқан кезде оның кішірек бөлшегін алып шыгыи Ғ - орнын басушы деп аталатын факторды қүрастырады.

      Конъюгация кезінде генетикалық материалдың тек қана жартылай тасымалы   жүреді,   сондықтан   басқа   организмдердегі   жыныстық процестерімен толығымен салыстыруға болмайды.

      Генетикалық өзгергіштіктің маңызды факторларына плазмида жатады.

Плазмидалар

    Плазми далар - бактериялардың хромосомадан тыс мобильды генетикалық құрылымы, олар екі жіпшелі ДНҚ-ның түйықталған сакинасы түрінде көрінеді. Көлемі бойынша хромосома ДНҚ-ның 0,1-5 % қүрайды. Плазмидалар автономды көшіруге қабілетті және жасуша цитоплазмасында болады, сондықтан жасушада плазмидалардың бірнеше кошірмелері болуы мүмкін. Плазмидалар хромосомаға тіркеліп (интеграцияланып) сонымен бірге репликацияланады. Плазмвдалар трансмиссивті және трансмиссивті емес болып бөлінеді. Трансмиссивті (конъюгацияльщ) плазмвдалар бір бактериядан екіншісіне тасымалдануы мүмкін.

      «Плазмада» терминін ең алғаш бактериялардың жыныстық факторын белгілеу үшін американдық ғалым Дж.Ледерберг (1952) енгізді. Плазмидалар жасуша-иесі үшін кажетсіз гендерді тасымалдайды, және бактерияларға қоршаған ортаның арнайы жағдайларында плазмидасыз бактериялармен салыстырғандағы олардын уақытша артықшылығын қамтамасыз ететін қосымша касиеттер береді.

      Әртүрлі түрлер бактерияларында дәрілік препараттарға (антибиотиктер, сульфаниламидтер т.б.) көптеген тұрактылыққа жауапты гендерді тасымалдайтын К - плазмидалар анықталды, Ғ-плазмидалар ңемесе конъюгация мен жыныстық пили түзуге қабілетін анықтайтын бактериялардьщ жыныстық факторы, Еnt-плазмидалар энтеротоксинлің онімін детерминациялайды (бақылайды).

     Плазмидалар бактериялардың вируленттігін, мысалы оба, сіреспе, қоздырғыштары, топырақ бактерияларының ерекше кеміртегі көзін қолдану қабілетін анықтайды, ақуызды антибиотикке ұқсас заттардың түзілуін бақылайды - бактериоциногения плазмидаларымен детерминацияланатын бактериоциндер және т.б. Микроорганизмдерде коптеген басқа плазмидалардың болуы осыған ұқсас қүрылымның әртүрлі микроорганизмдерде кеңінен таралғанын болжауға мүмкіндік береді.

      Плазмидалар рекомбинацияға, мутацияға, бактериялардан элиминациялануға (шығару) ұшырауы мүмкін, бірақ олардың негізгі касиетіне әсер етпейді. Плазмидалар генетикалык материалдьщ жасанды реконструкциясы бойынша экперимент (тәжірибе) үшін қолайлы үлгі болып табылады, рекомбинантты штамдарды алу үшін генетикалық ииженерияда кеңінен қолданылады. Түр ішілік, түр аралык және тіпті іуыс аралық плазмидаларды жылдам езіндік көшіру және конъюгациялық тасымалдау мүмкіншілігіне байланысты плазмидалар бактериялардың эволюциясында маңызды роль атқарады.

                          Вирустардың генетикасының ерекшелігі

      Вирустардың     геномының     кұрылысы     қарапайым     және молекулярлык  салмағы  кіші.   Вирустардағы  гендер  саны  4-6  дан (провирустар) 150 генге дейін және жоғары (шешек вирусы) өзгеріп отырады.   Вирустардың өзгергіштігінің негізіне мутациялар жатады. Мутаиялар кездейсоқ сипатта немесе бағытталған болуы мүмкіи. Вирус облигаты жасушаішілік паразит бола отырып, бұл паразитизм қасиетіне генетикалық   деңгейде   іске   асырады.   Инфекцияланған   жасушада вирустардың бірнеше түрінің болуы, яғни аралас инфекция, олардың арасында   келесі  генетикалык  өзара  байланыстарға  әкелуі  мумкін:

Көптегсн реактивация, рекомбинация, кросс-реактивзция т.б.; сонымен

Қатар генетикалық   емес   байланыстар   да   орын   алуы   мүмкін   -