Эволюция организмов происходит благодаря мутациям и генетическим рекомбинациям.

Внехромосомные факторы наследственности

Внехромосомные факторы наследственности у бактерийпредставленыплазмидами, мигрирующими генетическими элементами (транспозонами), инсерционными (вставочными, IS-последовательностями). Они не являются жизненно необходимыми, но могут придавать бактериям определенные селек­тивные преимущества, напр., резистентность к антибиотикам.

Плазмиды

Плазмиды располагаются в цитоплазме бактерий. Количество их в бактериальной клетке может быть от 1 до 200. Плазмиды представлены кольцевой двухцепочечной ДНК длиной от 2 до 600 тыс. пар нуклеотидов, несущий 10-100 генов. Благодаря кольцевой структуре ДНК плазмиды не подвергаются действию экзонуклеаз — ферментов, вызывающих деградацию ДНК. Существуют также линейные плазмиды, резистентность которых к действию экзонуклеаз обеспечивается тем, что концы их нитей защищены белками или соединяются ковалентно.

Признаки, объединяющие плазмиды в одно царство с вирусами:

– отсутствие собственных систем мобилизации энергии и синтеза белка;

– саморепликация генома;

– абсолютный внутриклеточный паразитизм.

Признаки, выделяющие плазмиды в отдельный класс:

– среда обитания — только бактерии (среди вирусов имеются бактериофаги, вирусы растений, вирусы животных);

– сосуществуют с бактериями, наделяя их дополнительными свойствами (у вирусов эти свойства могут быть только у умеренных фагов при лизогении бактерий, чаще всего вирусы вызывают лизис клеток);

– геном «голый», не имеет оболочки;

– репликация не требует синтеза структурных белков и процессов самосборки;

– могут встраиваться в хромосому бактерий (интегративные плазмиды) или находиться в виде отдельной замкнутой молекулы ДНК, способной к автономной репликации — автономные плазмиды (эписомы).

Интегративные плазмиды содержат специфические инсерционные последовательности (IS–элементы), имеющие в своем составе ген, ответственный за сайт-специфическую рекомбинацию. В интегрированном состоянии плазмиды способны неопределенно долго существовать в составе хромосомы, реплицируясь вместе с ней, как обычные хромосомные гены.

Плазмиды содержат сайт начала репликации и набор генов, необходимых для ее осуществления. Однако поскольку в процессе репликации ДНК участвует множество белков, в репликации плазмид участвуют и белки клетки-хозяина. Поскольку эти белки у разных видов бактерий отличаются друг от друга, то плазмиды могут существовать только в ограниченном числе близкородственных видов бактерий. Однако известны плазмиды, имеющие широкий круг хозяев. Они обладают отличиями в наборе белков, необходимых для их поддержания в различных бактериях.

Переход плазмиды в автономное состояние и реализация запи­санной в ней информации часто связаны с индуцирующими воздей­ствиями внешней среды. В некоторых случаях продукты плазмидных генов могут способствовать выживанию несущих их бактерий. Само­стоятельная репликация плазмидной ДНК способствует ее сохране­нию и распространению в потомстве. 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 могут распространяться по вертикали (при клеточном делении) и по горизонтали (путем конъюгационного переноса). В зависимости от наличия или отсутствия механизма самопереноса (его контролируют гены tra–оперона) выделяют конъюгативные и неконъюгативные плазмиды.

Конъюгативные (трансмиссивные) плазмиды обладают способностью передавать свою копию в другие клетки методом конъюгации. Конъюгативные плазмиды содержат в своем геноме гены, ответственные за образование конъюгационного мостика между клетками, по которому может переноситься одна из нитей плазмидной или бактериальной ДНК. Чаще всего конъюгативными являются F– или R–плазмиды. Конъюгативные плазмиды крупные (25–150 млн Д), часто выявляются у Грам- палочек, делятся синхронно с нуклеоидом, обычно в клетке 1–2 копии. Они переносятся от бактерии к бактерии внутри вида или между представителями близкородственных видов. Среди них есть плазмиды как с узким, так и с широким кругом хозяев. Они играют важную роль в эволюции бактерий, способствуя распространению генов среди бактерий разных видов и родов. Это явление получило название горизонтального переноса генов.

Неконъюгативные (нетрансмиссивные) плазмиды не способны запускать конъюгацию, имеют небольшие размеры, характерны для Грам+ кокков, но встречаются также у некоторых Грам- бактерий (напр., у H. influenzae, N. gonorrhoeae). Неконъюгативные плазмиды делятся чаще нуклеоида, могут присутствовать в больших количествах (более 30 на клетку), так как только наличие такого количества обеспечивает их распределение в потомстве во время клеточного деления. Неконъюгативные плазмиды могут передаваться при конъюгации одновременно с конъюгативными (при наличии в бактерии одновременно конъюгативных и неконъюгативных плазмид) или при трансдукции.

Функции плазмид:

– регуляторная— компенсирует нарушение функции ДНК нуклеоида (напр., при интеграции плаз­миды в состав поврежденного бактериального генома, неспособного к репликации, его функция восстанавливается за счет плазмидного репликона);

– кодирующая — вносит в бактериальную клетку новую информацию:

· индуцирует деление,

· контролирует синтез факторов патогенности,

· совершенствует защиту бактерий (синтез бактериоцинов, резистентность к антибиотикам);

· обеспечивает выживание в необычных условиях: при действии катионов (висмута, кадмия, ртути, свинца, сурьмы), анионов (арсената, арсенита), мутагенов (акридинов, этидиум-бромида, УФО).

Виды плазмид:

1. F–плазмиды — половой фактор, F–фактор, фактор фертильности (англ. fertility — плодовитость). F–плазмиды выполняют донорские функции, индуцируют деление.

Они могут находится как в интегрированном состоянии (Hfr–клетки — от англ. high frequency of recombinations — высокая частота рекомбинаций), так и в автономном состоянии (F⁺–клетки). Интегрированные F–плазмиды переносят свою генети­ческую информацию и часть генетической информации хромосомы в реципиентную клетку. Перенос генетического материала детерминируется tra–опероном F–плазмиды (от англ. transfer— перенос), обеспечивающим ее конъюгативность. F–плазмиду можно элиминировать изклетки, обработав последнюю акридиновым оранжевым. В результате этого клетки теряют свойства донора.

2. R-плазмиды — R–фактор, фактор резистентности (англ. resistance — устойчивость) детерминируют множественную резистентность к антимикробным препаратам. R–плазмиды имеют более сложное строение, в их состав входит r–оперон, который может содержать более мелкие мигрирующие элементы (IS–последовательности, транспозоны и tra-опероны).

Трансмиссивные R–плазмиды содержат 2 области генов: гены, контролирующие лекарственную резистентность и гены, контролирующие перенос R–плазмид при конъюгации (у Грам- бактерий).

Нетрансмиссивные R–плазмиды передаются при трансформации, при трансдукции (у Г+ бактерий), при конъюгации в случае интеграции с трансмиссивными плазмидами.

R-плазмиды могут передаваться бактериям других видов, так как критерий репродуктивной изоляции отсутствует. Передача R–плазмид привела к их широкому распространению среди патогенных и УП бактерий, что чрезвычайно осложнило химиотерапию вызываемых ими заболеваний.

3. Плазмиды бактериоциногенности детерминируют синтез бактериоцинов (колицинов, стафилоцинов, вибриоцинов, пестицинов) — белковых антибиотикоподобных веществ, обладающих бактерицидным действием в отношении близкородственных видов микроорганизмов. Они редко интегрируют в нуклеоид.

Бактериоцины являются одним из механизмов межвидовой конкуренции и не действуют на клетки, несущие плазмиды бактериоциногенности такого же типа. Напр., Col–плазмиды участвуют в поддержании эубиоза кишечника.

Механизмы бактерицидного действия бактериоцинов:

– нарушение функции рибосом;

– ферментативное разрушение ДНК (являются нуклеазами);

– нарушение функции ЦПМ.

Известно более 25 типов колицинов (A, B, C, D, E1, E2, К и др.), отличающихся по физико-химическим и антигенным свойствам, а также по способности адсорбироваться на определенных участках поверхности бактериальных клеток.

Способность продуцировать различные типы колицинов используется для типирования бактерий при проведении эпидемиологического анализа вызываемых ими заболеваний:

– колициногенотипипрование — определение типа Col–плазмиды;

– колицинотипипрование — определение типа колицина.

4. Плазмиды вирулентности контролируют вирулентные свойства микроорганизмов, детерминируя синтез факторов патогенности:

– -CF+ плазмиды – контролируют адгезию;

– - плазмиды, контролирующие синтез пенетринов;

– -Hly–плазмиды — определяют синтез гемолизинов;

– -Ent–плазмиды — определяют синтез энтеротоксинов;

– -Tox–плазмиды — определяют токсинообразование.

Развитие инфекционного процесса, вызванного возбудителями чумы, сибирской язвы, кишечного иерсиниоза, боррелиоза связано с функционированием плазмид вирулентности.

5. D–плазмиды– плазмиды биодеградации, несут информацию об утилизации органических соединений, которые бактерии используют в качестве источников углерода, азота и энергии (в т. ч. различные сахара и необычные аминокислоты, камфору, ксилол, нафталин, толуол). Обеспечивают патогенным бактериям селективные преимущества во время пребывания на объектах окружающей среды и в организме человека (уропатогенные штаммы кишечных палочек содержат плазмиду гидролизации мочевины).

Близкородственные плазмиды не способны стабильно сосуществовать, что позволило объединить их по степени родства в Inc–группы (англ. incompatibility — несовместимость). Насчитывается более двух десятков групп несовместимости, объединяющих родственные плазмиды.

Мобильные (мигрирующие) генетические элементы

Мобильные (мигрирующие) генетические элементы(прыгающие гены) — участки ДНК, способные к транспозиции (случайному переносу) внутри одной клетки как внутри одного генома, так и между геномами (плазмидным и хромосомным, плазмидным и фаговым), не способны к самостоятельной репликации, размножаются в составе бактериальной хромосомы или плазмид. Транспозиция обеспечивается ферментом рекомбинации транспозазой.

Преимущество мобильной организации генов заключается в возможности быстрой адаптации бактерий к условиям окружающей среды. Такой механизм изменчивости объясняет формирование новых типов возбудителей инфекционных заболеваний. Ген, детерминирующий синтез фактора патогенности, при попадании в другую бактерию может по-иному взаимодействовать с уже имеющимися факторами патогенности, обусловливая различную степень вирулентности и изменение картины инфекционного процесса.