В вашей корзине: 0 тов.
оформить | очистить
Отдел сбыта: +7 (8453) 76-35-48
+7 (8453) 76-35-49
Не определен

Структура бактериального генома

Наиболее полно изучена структура бактериального генома, в особенности генома E. coli. Основной объем генетической информации бактериальной клетки заключен в ее единственной хромосоме. Размер генома у разных бактерий колеблется от нескольких сотен тысяч пар нуклеотидов (п.н.) до нескольких миллионов п.н. У E. coli он равен 4,6 млн. п.н., а его кодирующая часть составляет 88,6%.

В состав бактериальных геномов входят независимые гены и опероны. Работа независимых генов не регулируется другими генами, а их экспрессия носит конститутивный (непрерывный) характер. От соседних генов независимые гены отделены некодирующими участками (спейсерами), которые обычно не транскрибируются. В отличие от независимых генов оперон — это группа рядом расположенных структурных генов, имеющих общую систему регуляции. Обычно эти гены участвуют в осуществлении последовательных этапов какого-либо биохимического процесса. Впервые модель оперона была разработана в 1960 г. французскими биохимиками Ф. Жакобом и Ж. Моно на примере процесса сбраживания лактозы. В систему лактозного оперона входят три структурных гена (Z, Y, A), кодирующие три фермента, участвующие в процессе сбраживания молочного сахара (см. схему). Основным ферментом является β-галактозидаза.

К системе регуляции оперона относятся промотор, оператор и ген-регулятор. Промотор расположен перед оператором и является участком, который узнается ферментом РНК-полимеразой, осуществляющим транскрипцию структурных генов. Одна из субъединиц фермента (δ-частица) узнает промотор по специфической последовательности нуклеотидов (блок Прибнова), благодаря чему РНК-полимераза связывается с матрицей.

Схема действия лактозного оперона

Схема действия лактозного оперона

Фермент начинает транскрипцию, если расположенный рядом с промотором оператор не связан с белком-репрессором, вырабатываемым под контролем гена-регулятора. Отсутствие этой связи обусловлено наличием в клетке субстрата — лактозы, с которой соединяется репрессор. Как только уровень лактозы в клетке падает, регуляторный белок освобождается и садится на оператор, препятствуя тем самым транскрипции структурных генов. Такой тип регуляции носит название негативной индукции, т.к. отсутствие репрессора запускает работу оперона. У прокариот установлены и другие механизмы оперонной регуляции. Например, при синтезе триптофана она может осуществляться по типу репрессии, при котором сам конечный продукт (триптофан) является корепрессором и в комплексе с белком-регулятором, связываясь с оператором, препятствует транскрипции.

Объем генома прокариот может увеличиваться, с одной стороны, за счет копирования имеющихся генов, а с другой — за счет включения в геном чужеродной генетической информации. Путями переноса информации у прокариот являются процессы трансформации, конъюгации, трансдукции и транспозиции.

Схема процесса трансформации у бактерий

Схема процесса трансформации у бактерий

Под трансформацией понимают включение в геном фрагментов чужеродной ДНК, в результате чего клетка приобретает новый признак. Естественную трансформацию наблюдали в смешанных посевах двух штаммов, несущих разные биохимические мутации. О трансформации судили по появлению клеток дикого типа, что возможно только при объединении обеих мутаций в одном геноме и их комплементации. Искусственная трансформация достигается обработкой клеток препаратом ДНК. В обоих случаях клетка, способная воспринимать чужеродную ДНК, находится в особом физиологическом состоянии, которое называется компетенцией. Оно характеризуется увеличением проницаемости клеточной мембраны и активацией ферментативной системы, которая осуществляет перенос фрагмента ДНК через мембрану, разделение его на одиночные цепи и встраивание одиночной цепочки в состав бактериальной хромосомы.

Другим каналом для передачи информации у прокариот является процесс конъюгации. Во время конъюгации между двумя бактериальными клетками возникает контакт с образованием цитоплазматического мостика, по которому из одной клетки в другую поступает ДНК.

Образование конъюгационного мостика

Образование конъюгационного мостика

Основная роль в этом процессе принадлежит половому фактору бактерий — F-плазмиде, внехромосомному носителю информации. Клетки, несущие эту плазмиду (F+), в процессе конъюгации играют роль доноров, а не имеющие ее (F) — реципиентов. Переход плазмиды из клетки-донора в клетку-реципиент инициирует процесс обмена между ними генетической информацией, т.к. вслед за F-фактором может переноситься бактериальная хромосома.

Процесс конъюгации у бактерий гомологичен половому процессу у высших организмов, но отличается от него рядом специфических особенностей. Главная из них состоит в неполной передаче наследственного материала (хромосомы) от донора к реципиенту, благодаря чему образуется частичная зигота — мерозигота, по терминологии Ф. Жакоба и Е. Вольмана. Отсюда весь процесс был назван меромиксисом.

В переносе информации от одной бактериальной клетки к другой принимают также участие некоторые бактериальные вирусы — бактериофаги. Это явление получило название трансдукции. Оно было открыто в 1952 г. Дж. Ледербергом и Н. Циндером. Для вирусов, способных переносить информацию, характерен специфический путь развития. Проникнув в клетку, они встраиваются в бактериальную хромосому и могут длительное время находиться в ее составе, уподобляясь ее фрагменту. Это состояние является неактивным, т.к. вирусная ДНК не транскрибируется, и, следовательно, не синтезируются вирусные белки и не образуются новые вирусные частицы.

Схема процесса конъюгации у бактерий

Схема процесса конъюгации у бактерий

Передача генетического материала в результате конъюгации у E. coli:
а — передача F-фактора от донора к реципиенту в скрещивании F+xF; б — образование линии Hfr в результате интеграции F+ — фактора и передачи бактериальных генов от донорных к реципиентным клеткам в ходе скрещивания Fx Hfr.

Такой путь развития называется лизогенным, а интегрированный вирус — провирусом. Бактериальная клетка, несмотря на присутствие в ней вируса, не подвергается лизису. Однако через какое-то время вирус может активизироваться и выходить из состава хромосомы, “прихватывая” близлежащий фрагмент ДНК бактерии. Следом начинается процесс репликации вирусной ДНК и вместе с нею фрагмента хромосомы. Затем синтезируются вирусные белки и идет сборка новых вирусных частиц, в геном которых включается фрагмент бактериальной ДНК. При этом аналогичный объем собственной информации вирус утрачивает. Клетка в итоге погибает, а освободившиеся из нее вирусные частицы заражают другие клетки, внося в них фрагмент ДНК первого хозяина.

Схема процесса трансдукции у E. coli

Схема процесса трансдукции у E. coli

И, наконец, перенос информации в пределах одного генома осуществляется в ходе процесса транспозиции. Транспозиция — это перемещение участка хромосомы из одного места в геноме (локуса) в другой. У бактерий известно два типа транспозирующих элементов: IS-частицы и транспозоны. IS-частицы представляют собой короткие последовательности нуклеотидов, ограниченные концевыми повторами. Они несут информацию о своем перемещении, т.к. в них есть участок, кодирующий структуру фермента транспозазы, осуществляющего вырезание (эксцизию) и встраивание (инсерцию) частицы. Другой информации в IS-частицах нет. В отличие от них транспозоны содержат один или несколько структурных генов, а сложные транспозоны на обоих концах несут еще IS-частицы. Встраивание IS-частиц и транспозонов может вызывать мутации или инактивацию генов, что является одним из возможных путей реорганизации геномов.

Схема строения сложного транспозона

Схема строения сложного транспозона

Центральный район, несущий ген или гены сопротивляемости к тетрациклину, фланкирован прямыми или инвертированными IS-элементами. В свою очередь, IS-элементы имеют собственные терминальные инвертированные повторы.

В состав бактериального генома входит также плазмидная ДНК. Плазмида — это экстрахромосомный носитель наследственной информации. Количество плазмид в клетке непостоянно. Плазмиды бывают мелкие и крупные, однокопийные и мультикопийные. Однокопийные плазмиды обычно встраиваются в бактериальную хромосому и реплицируются вместе с ней. Их называют эписомами. Мультикопийные плазмиды существуют автономно и реплицируются независимо от бактериальной хромосомы. Число копий их различно. Некоторые плазмиды (например, F-фактор) могут попеременно находиться либо в интегрированном, либо в автономном состоянии. Плазмидная ДНК определяет такие свойства бактериальной клетки, как устойчивость к антибиотикам (R-плазмиды), синтез колицинов — веществ, подавляющих рост других типов бактерий (Col-плазмиды) и др. Многие плазмиды обладают способностью к трансмиссии, т.е. к переходу из одной клетки в другую. Внутри плазмид могут находиться транспозоны.

Карта F-фактора и плазмиды R

Карты F-фактора и плазмиды R

В составе бактериального генома часто обнаруживается вирусная ДНК. Вирусные гены по структуре сходны с бактериальными, но у вирусов есть перекрывающиеся гены. Перекрывание генов происходит в том случае, когда одна и та же последовательность ДНК кодирует структуру двух или трех разных белков за счет изменения рамки считывания.

Перекрывающиеся гены были обнаружены Ф. Сенгером в 1977 г. у фага φХ174. Считается, что такая генетическая система является экономичной. Но одновременно мутация в этом локусе может привести к повреждению сразу нескольких генов.

 


Читайте также другие статьи темы 7 "Ген и геном":

 Вопросы и задания по теме "Ген и геном"

Перейти к чтению других тем книги "Генетика и селекция. Теория. Задания. Ответы":