Организация генетического аппарата микроорганизмов

Генетический материал бактериальных клеток представлен двойной спиралью ДНК, состоящей из 2-х комплементарных полинуклеотидных цепочек, в каждой из которых пуриновые и пиримидиновые основания распределены вдоль остова, построенного из меняющихся фосфатных групп и дезоксирибозы; 2 цепочки удерживаются друг с другом посредством водородных связей между соответствующими основаниями.

У вирусов генетический материал представлен лишь одним типом нуклеиновой кислоты – либо ДНК, либо РНК. Подробно химическая структура нуклеиновых кислот, являющихся основой наследственности, изложена в курсе биохимии.

Клетки бактерий могут содержать несколько генетических элементов, способных к репликации. По предложению Ф.Жакоба, С.Бреннера и Ф.Кузина структура бактериальной клетки, способная к самовоспроизведению, получила название «репликон».

Репликоны бактерий представлены бактериальной хромосомой (нуклеоидом), плазмидами и эписомами. Плазмиды представляют собой репликон, находящийся в автономном состоянии в цитоплазме бактериальной клетки, эписомы могут находиться как в свободном состоянии, так и быть интегрированными в нуклеоид, составляя с ним общий репликон.

Нуклеоидпредставляет собой замкнутую кольцевиднуюхромосому бактерий,свободно располагающуюся в цитоплазме, и содержит несколько тысяч отдельных генов. В зависимости от стадии жизненного цикла в бактериальной клетке обычно присутствуют от одного до четырех копий нуклеоида. Длина бактериальной хромосомы в развернутом состояниисоставляет приблизительно 1 мм.

Существуют два основных способа репликации ДНК нуклеоида. По первому типу репликация кольцевидной молекулы ДНК начинается от начальной точки ori (origin – начало) в определенном месте ее кольца. Сначала идет раскручивание (деспирализация) двойной цепи ДНК, в результате чего образуется репликативная вилка. Одна из цепей, достраиваясь, связывает нуклеотиды от 5`- к 3`-концу, другая достраивается посегментно.

Данный способ репликации ДНК проходит через промежуточную структуру, напоминающую греческую букву тэта. Тэта-тип репликации приводит к образованию двух дочерних кольцевых хромосом. В них сохраняется одна из цепей исходной молекулы ДНК, а вторая цепь синтезируется из нуклеотидов ДНК-полимеразами.

Превращение кольцевой бактериальной хромосомы в линейную происходит при другом типе репликации нуклеоида – по так называемому «сигма-типу» или иначе – по механизму «катящегося кольца». Этот механизм осуществляется через промежуточную структуру, напоминающую греческую букву «сигма». Он реализуется во время конъюгации бактерий, а также у некоторых фагов. В этом случае первоначально образуется разрыв в одной из цепей ДНК кольцевой молекулы, и разорвавшаяся цепь ДНК начинает сдвигаться с комплементарной кольцевой цепи. При этом происходит одновременное достраивание до двухцепочечной ДНК как сдвигающейся линейной цепи, так и остающейся кольцевой.

Третий известный тип репликации ДНК характерен для линейных молекул ДНК. Он присущ всем эукариотическим организмам, а также некоторым вирусам. В этом случае в ДНК появляется вздутие – точка инициации. Далее вздутие распространяется в обоих направлениях с одновременным удвоением родительской ДНК.

Единицей наследственности у всех живых организмов являются гены. Они в ДНК лежат дискретно и линейно (колинеарно). Гены способны создавать собственную копию, т.е. способны к саморепликации. Последовательность аминокислот в синтезируемом белке определяется последовательностью нуклеотидов в гене.

Генотип микроорганизма – это полная совокупность генов данной особи. Однако реализуется генотип только через его взаимодействие с окружающей средой. Условия среды способствуют проявлению (экспрессии) генов или подавляют их функциональную активность. Тем самым создается фенотип микроорганизма – набор его свойств и признаков (морфологических, культуральных, биохимических, антигенных и т.д.)

Гены, ответственные за синтез определенного соединения у бактерий, обозначают строчными буквами латинского алфавита со знаком «+». Например, gal⁺ – ген, ответственный за потребление сахара галактозы, bio⁺ – за синтез витамина Н (биотина) и т.д. Гены, контролирующие устойчивость к лекарственным средствам, химическим соединениям, обозначают буквой r (resistent – устойчивый). Например, резистентность к стрептомицину обозначается как str^r, а чувствительность str^s. Фенотип бактерий обозначают так же, как и генотип, но с прописной буквы.

Согласно схеме, предложенной Жакобом и Моно, гены можно подразделить следующим образом:

Структурные гены – они обусловливают синтез определенных белков-ферментов, участвующих в биохимических реакциях.

Гены-регуляторы – определяют синтез белковых веществ (часто это репрессоры), имеющих высокое сродство к ДНК в области гена-оператора и изменяющих деятельность структурных генов.

3. Гены-промоторы (или промоторная область) – участок ДНК распознаваемый ДНК-зависимой РНК-полимеразой, необходимый для начала транскрипции

4. Гены-операторы – посредники, располагающиеся между структурными генами, промотором и генами-регуляторами. Если в среде появляется вещество-индуктор, которое связывает репрессор, то снимается блок со структурных генов и они начинают функционировать.

Совместно ген-регулятор, промотор, onepaтop и структурные гены образуют оперон.

Оперон является функциональной генетической единицей, ответственной за экспрессию одного или группы генов.

Существуют индуцибельные и репрессибельные опероны. Типичным примером индуцибельного оперона является Lac-оперон, его гены контролируют синтез ферментов, обеспечивающих утилизацию лактозы в микробной клетке. Если клетка не нуждается в лактозе, то активный белок-репрессор, кодируемый геном-регулятором, связан с областью оператора и блокирует транскрипцию, поддерживая оперон в неактивном состоянии. Индуктор (углевод) поступает в клетку, далее происходит его связывание с белком-репрессором и вытеснение репрессора с ДНК. Снятие репрессии приводит к активации структурных генов оперона и началу процесса транскрипции с последующей трансляцией. Образующиеся ферменты (в частности – галактозидаза) утилизируют поступающую лактозу. При снижении ее концентрации в клетке ферменты начинают расщеплять индуктор. Тем самым происходит освобождение репрессора, что приводит к торможению активности структурных генов.

Примером репрессибельного оперона является триптофановый оперон, обеспечивающий синтез аминокислоты триптофана. Обычно этот оперон функционирует постоянно, а его белок-репрессор находится в неактивном состоянии. При возникновении избытка триптофана в среде аминокислота связывается с репрессором и активирует его. Активный репрессор «выключает» работающий оперон.