МІКРОБІОЛОГІЯ - М.Г. Сергійчук - 2008

Розділ 4. ГЕНЕТИКА БАКТЕРІЙ

Бактеріальні плазміди

Плазміди - це позахромосомні спадкові детермінанти, незалежні від хромосоми дволанцюгові кільцеподібні молекули ДНК різної молекулярної маси, які не визначають життєво важливих функцій клітини. Деякі плазміди здатні об'єднуватися з хромосомою. Такий процес називають інтеграцією.

Плазміди характеризуються загальними ознаками і властивостями. За хімічною природою - це кільцеві молекули ДНК довжиною від 2 до 600 тис. пар нуклеотидів (т.п.н.). Якщо одна з ниток ДНК не замкнена, а молекули не скручені, то їх називають релаксованими або "ослабленими". Якщо обидва ланцюги замкнені, а молекули скручені, то їх називають суперспіральними. Плазміди здатні до автономного реплікування, проявляють інфекційність, трансмісивність, створюють імунітет до суперінфекції гомологічною плазмідою.

Усі плазміди поділяють на кон'югативні і некон'югативні. Перші здатні переносити власну ДНК від клітини-донора до реципієнтної при кон'югації. Молекулярна маса цих плазмід становить від 26 до 75 х 10⁶ а.о.м. Типовими прикладами кон'югативних плазмід є F-плазміда, деякі Col-плізміди, R-плазміди та ін.

Здатність кон'югативних плазмід виконувати функцію донора визначається наявністю в них tra-оперона, до складу якого входять гени, відповідальні за кон'югаційне перенесення ДНК. Перебуваючи у клітині, вони надають їй властивості донора, унаслідок чого клітини здійснюють кон'югацію і передають плазміди. Отримавши плазміди, клітини-реципієнти стають донорами. Такі плазміди викликають утворення специфічних пілей, які відрізняються між собою за морфологією, антигенними властивостями і рецепторами для адсорбції фагів. Кон'югативні плазміди здійснюють власне перенесення, перенесення фрагмента хромосоми клітини-донора у клітину реципієнта, перенесення нетрансмісивної (некон'югативної) плазміди. Tra-оперони різних кон'югативних плазмід проявляють структурну та функціональну подібність, що свідчить про спільність їхнього походження.

Для кон'югативних плазмід характерне явище поверхневого виключення, коли проходження плазмідної ДНК через клітинну стінку ускладнене, якщо в ній уже є плазміда з аналогічною детермінантою. Частота перенесення плазмід при цьому знижується в 10-100 разів.

Некон'югативні плазміди не здатні до кон'югаційного перенесення своєї ДНК з однієї клітини в іншу, а їх молекулярна маса коливається у межах 10 х 10⁶ а.о.м.

Плазміди можуть виявлятися у клітині або ні, тобто вони контролюють не життєво важливі властивості бактерій. Їм властива інфекційність, тобто якщо плазміди в бактеріальній клітині не визначаються, то вони можуть потрапити в неї тільки ззовні. Плазміди можуть існувати у клітині в автономному або інтегрованому станах, які виключають один одного, і можуть переходити з одного стану в інший. Їх інтеграція в бактеріальну хромосому відбувається через IS- і Tn- елементи, які містяться в плазміді. Наявність транспозонів у плазміді сприяє об'єднанню їх однієї з іншою або з фаговими ДНК, тобто утворюються коінтегранти, які в реципієнтних клітинах розпадаються і продовжують автономне існування.

Основна властивість плазмід - здатність до автономного репліку- вання - забезпечується наявністю всієї системи самовідтворення. Розрізняють плазміди зі строгим контролем реплікації, що властиво великим плазмідам, і з ослабленим - для малих. У перших реплікація відбувається синхронно з подвоєнням бактеріальної хромосоми, вона забезпечується тими ж ферментами (ДНК-полімераза III), які здійснюють реплікацію хромосомної ДНК. Процес реплікації малих плазмід каталізується ДНК-полімеразою I. Характер реплікації плазмідної ДНК залежить не лише від типу плазміди, а і від бактерії-хазяїна. Одна і та ж плазміда може перебувати у клітині E. coli під суворим контролем реплікації у кількості 1-2 копій на клітину. Після перенесення у клітину Proteus mirabilis або у клітини бактерій інших родів плазміда реплікується під ослабленим контролем, а кількість їх копій досягає 40-50 і більше, тому такі плазміди називають мультикопійними. Мінімальний розмір великих плазмід 20-30 т.п.н., а малих не більше 15-30 т.п.н. Реплікація плазмідної ДНК тісно пов'язана з клітинними системами реплікації і ділення, тому плазміда може розглядатися як автономний реп- лікон структурно, але не функціонально.

В одній клітині може міститися одночасно кілька типів плазмід (наприклад, статевий фактор і фактор бактеріоциногенії). Родинні плазміди, як правило, не можуть існувати в одній бактеріальній клітині. Це явище отримало назву несумісності і стало одним із факторів при класифікації плазмід. Несумісність плазмід зумовлена блокуванням процесу реплікації однієї з них, а також блокуванням розподілу дочірніх молекул ДНК між клітинами. Останнє характерне для низькокопіювальних плазмід і пояснюється наявністю на клітинній мембрані бактерій лише одного специфічного сайта, з яким може зв'язуватися лише одна молекула плазмідної ДНК.

Плазміди - це не обов'язкові структури бактеріальної клітини, але вони можуть визначати деякі важливі функції бактерій: здатність до передачі генетичного матеріалу від донорських Р⁺-клітин до реципієнтних при кон'югації (F-плазміда); резистентність до антибіотиків, сульфаніламідних препаратів (R-плазміди); здатність до синтезу токсинів (Ent-плазміда); утворення фімбрій та ін.

Відома значна кількість R-плазмід, які визначають стійкість до різних лікарських препаратів, що надає можливості таким бактеріям виживати при хіміотерапії інфекційних захворювань. Через значне поширення патогенних та умовно-патогенних бактерій, які мають R-плазміди, легкість їх передачі чутливим бактеріям і труднощі лікування захворювань, викликаних антибіотикорезистентними штамами, проблема боротьби із поширенням R-плазмід є однією з найгостріших у медичній мікробіології.

Бактеріоциногенні плазміди контролюють синтез особливого типу антибіотичних речовин - бактеріоцинів, здатних згубно діяти на бактерії такого ж виду або близьких видів. Здатність до синтезу бактеріоцинів виявлено в кишкової палички (коліцини), збудника чуми (пестицини), холерних вібріонів (вібріоцини), стафілококів (стафілоцини) та ін.

Коліцини, які продукуються під контролем коліциногенних плазмід (Col-плазміди), - це речовини білкової природи. Вони фіксуються на поверхні чутливих до них бактерій, пригнічують їхні метаболічні процеси, що призводить до загибелі таких клітин. Ці плазміди перебувають у клітинах коліциногенних бактерій в автономному стані і передаються при кон'югації без зчеплення із хромосомою. Деякі коліциногенні плазміди (Col V, Col B) можуть інтегруватися в бактеріальну хромосому. Потенційна летальність для клітин-продуцентів зближує коліциногенні плазміди із профагами, але деякі з них подібні до статевого фактора за своєю здатністю кон'югувати з неколіциногенними бактеріями і передавати їм свій генетичний матеріал.

Плазміди значно поширені у природі. Щодо їхнього походження існує кілька гіпотез. Деякі автори вважають плазміди внутрішньоклітинними паразитами або симбіонтами, які організовані значно простіше, ніж віруси. Інші висловлюють думку, що плазміди - це віруси, які внаслідок придбання ними кон'югаційної здатності отримали механізм, який забезпечує їм поширення серед багатьох видів і родів бактерій. Ця гіпотеза підтверджується тим, що деякі кон'югативні плазміди детермінують синтез специфічних клітинних рецепторів, які подібні до рецепторів для адсорбції фагів.

Підсумовуючи матеріал, наведений у даному розділі, можна зазначити, що бактерії стали зручним об'єктом для генетичних досліджень. Дане твердження базується на таких особливостях:

- бактерії - одноклітинні організми, що дозволяє вивчати генетичні явища на клітинному рівні, уникаючи складних взаємодій і взаємозалежностей, характерних для багатоклітинних організмів;

- висока швидкість розмноження (72 покоління за добу - для Escherichia coli) дозволяє прослідкувати за спадковою передачею ознак у багатьох поколінь за короткий термін;

- гаплоїдність бактерій виключає явище домінантності;

- бактеріям властиві різні способи перенесення генетичного матеріалу, які відрізняються як за механізмом, так і за розмірами перенесеного фрагмента нуклеотиду;

- наявність точних методів відбору мутантів та рекомбінантів дозволяє виявити перенесену ознаку при дуже низькій частоті перенесення (10^-7-10^-9).