ОСНОВЫ МИКРОБИОЛОГИИ - В. М. Самыгин - 2015
ГЛАВА 8. ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МИКРОБИОЛОГИИ
8.1. Генетический аппарат прокариот
Информация о признаках, присущих организму, сосредоточена в его генетическом аппарате, который обеспечивает их сохранение и воспроизведение в процессе размножения организмов. Генетический аппарат обладает высокой стабильностью и точностью механизмов, обеспечивающих его функционирование. Однако стабильность генетического аппарата не абсолютна, так как это исключало бы всякую возможность его изменений и эволюционных преобразований. Следовательно, генетический аппарат должен обеспечивать стабильность, а с другой стороны - быть достаточно пластичным, т.е. обладать способностью к изменчивости.
У прокариот весь генетический материал локализован в одной хромосоме, хотя в определенных условиях в клетках бактерий может содержаться несколько копий хромосомы. Хромосомы - нуклеопротеиды (нуклеиновые кислоты и белки), они являются носителями генов, определяющих наследственные свойства организма. Гены в хромосоме располагаются в линейном порядке. Основной структурой, хранящей информацию и передающей ее по наследству, является ДНК. Ген - фрагмент молекулы ДНК, контролирующий синтез одного белка или пептида. В генах записана генетическая информация относительно всех признаков, присущих клетке. Бактериальная хромосома содержит до 4000 отдельных генов.
Хромосома клетки прокариот фактически является макромолекулой ДНК, организованной в нуклеоид. Общая сумма генов, которыми обладает клетка, называется генотипом.Генотип сохраняет относительное постоянство в любых условиях, что и дает возможность различать виды микроорганизмов между собой.
Наряду с хромосомой генетический материал у бактерий может содержаться в нехромосомных генетических элементах - плазмидах, находящихся или в цитоплазме клеток, или в интегрированном с хромосомой состоянии. В свободном состоянии плазмиды - это кольцевые молекулы ДНК, которые стабильно передаются потомству бактериальных клеток независимо от хромосомной ДНК.
8.2. Наследственность и изменчивость
Хранение и передача информации связаны с генетическим аппаратом микробной клетки, который позволяет передавать видовые признаки от родительской особи к потомкам. Сохранение определенных специфических свойств организма на протяжении ряда поколений называется наследственностью. Под изменчивостью микроорганизмов принято понимать способность клеток изменять видовые признаки. Наследственность и изменчивость - два неразрывно связанных между собой процесса, которые являются основой всего живого. Признак (или свойство) в генетике называют словом фен, а их сочетание в определенной среде обитания - фенотипом. Следовательно, изменчивость - это способность изменять фенотип. При одной и той же наследственной конструкции микроорганизм может иметь несколько фенотипов, что зависит от характера питания, аэрации, температуры и других условий культивирования.
Смена фенотипов при изменении условий существования может происходить без участия генотипа или же являться следствием его повреждения. Изменчивость, при которой смена фенотипа микробов происходит без изменения генотипа, называют ненаследственной, фенотипической изменчивостью или модификацией. Модификации возникают как адаптивные реакции бактериальных клеток на изменения окружающей среды, что позволяет им быстро приспосабливаться и сохранять численность популяции на жизнеспособном уровне. После устранения соответствующего воздействия, вызвавшего их образование, бактерии возвращаются к исходному фенотипу.
Стандартное проявление модификации - разделение однородной популяции на несколько типов. Этот феномен получил название диссоциации микробов. Обычно диссоциация возникает в условиях, неблагоприятных для исходной популяции. Эта форма изменчивости, как правило, утрачивается, и микроорганизм вновь приобретает исходный фенотип.
Изменчивость, при которой смена фенотипа связана с предшествующим структурным изменением в генотипе, называется наследственной или генотипической. Эта форма изменчивости передается по наследству и сравнительно редко реверсирует (возвращается) в исходный фенотип. Наиболее известные формы изменчивости представлены на рис. 8.
Модификации не сопровождаются изменениями в геноме и быстро утрачиваются. Модификации зависят от условий среды и подразделяются:
- на морфологические, при которых изменяются форма, размеры клеток, способность образовывать капсулы и споры.
- культуральные - связаны со способностью образовывать пигмент (чудесная палочка), ненаследуемым изменением типа колоний на плотных питательных средах.
- физиологические и биохимические, при которых изменяются соответствующие свойства микроорганизмов. Характерный пример - образование бактериями адаптивных ферментов только в присутствии определенного вещества (субстрата). Другой пример - снижение вирулентных свойств бактерий при пересевах на искусственных питательных средах. Достаточно такую культуру провести через организм чувствительного животного, чтобы полностью восстановить ее вирулентные свойства.
При генотипической изменчивости обязательно происходит изменение генов в хромосоме, передающееся по наследству. Генотипическая изменчивость может возникать в результате мутаций и генетических рекомбинаций.
В широком смысле мутацию можно определить, как внезапно возникающее наследуемое изменение в генетическом аппарате клетки. С точки зрения генетики мутации - это изменения в последовательности нуклеотидов ДНК, проявляющиеся наследственно закрепленной утратой или изменением какого-либо признака или
группы признаков. В их основе лежат ошибки копирования наследственной информации. Фенотипическим проявлением мутаций могут быть изменения морфологии бактериальной клетки, чувствительности к температуре, потребности в факторах роста (аминокислотах, витаминах), снижение вирулентности, появление устойчивости к антибиотикам. Мутации у бактерий могут вызывать как утрату функции, так и приобретение новых признаков.
Рис. 8. Формы изменчивости микроорганизмов
Различают мутации цитоплазматические, затрагивающие нехромосомные генетические элементы (плазмиды), и ядерные, или хромосомные, связанные с изменениями в нуклеоиде. Наиболее важные хромосомные перестройки включают:
- выпадение участков хромосомы (делеции),
- удвоение (дупликация) или умножение (амплификации) числа отдельных генов или групп генов,
- вставки участка хромосом в новые места (транспозиции),
- обмен участками хромосом (транслокации),
- изменение порядка расположения генов на хромосоме (инверсии).
Бактерия, имеющая ДНК, отличную от ДНК исходной клетки, называется мутантом. Если возникающая мутация дает преимущество в борьбе за существование, мутанты выживают и имеют многочисленное потомство. Если же мутация не дает преимуществ, то мутант погибает. В соответствии с этим по фенотипическим последствиям мутации подразделяют на нейтральные, условно летальные и летальные. Нейтральные мутации фенотипически не проявляются какими-либо изменениями признаков. Мутации, приводящие к изменению, но не утрате физиологической активности, называют условно летальные. В зависимости от условий окружающей среды клетки могут сохранять свою жизнеспособность или, наоборот, утрачивать ее. Летальные мутации характеризуются полной утратой способности синтезировать жизненно важные для клетки метаболиты (чаще всего ферменты). По фенотипическому проявлению мутации можно подразделить на морфологические и биохимические. К первым относятся мутации, которые сопровождаются утратой морфологических элементов бактериальной клетки: жгутиков, капсулы, спор, клеточной стенки. Биохимическими считают большинство мутаций, которые проявляются в утрате способности синтезировать ферменты, необходимые для образования первичных или вторичных метаболитов.
По протяженности повреждений мутации бывают точечными, когда повреждения ограничиваются одной парой нуклеотидов, и протяженными. Хромосомными считают мутации, обусловливающие появление нового признака при изменении двух и более участков хромосомы, и генными, которые обусловлены появлением нового признака при изменении гена.
Важной характеристикой мутантов является их способность к реверсии, т. е. обратному мутированию в исходный фенотип. Мутанты, которые появляются в результате реверсии, называются ревертантами.
Мутации возникают в популяции особей всегда, часто без видимых воздействий на популяцию. Такие мутации, причины возникновения которых неизвестны, называют спонтанными,или неконтролируемыми. Они могут обусловливать как благоприятные, так и неблагоприятные генетические изменения. Спонтанные мутации возникают с низкой частотой (10-8).
Содержание мутантов в микробной популяции можно резко повысить, если подвергнуть их мутагенезу, т. е. воздействию факторов физической, химической или биологической природы, способных вызывать мутации. Факторы, вызывающие мутации, называются мутагенами, а мутации, вызванные мутагенами, называются индуцированными.
К физическим мутагенам относят ультрафиолетовое и ионизирующее излучение, магнитные поля, температуру. Среди химических веществ наиболее сильными мутагенами являются органические пероксиды, акридиновые красители, этиленамины, алкилирующие соединения, азотная кислота, аналоги азотистых оснований и др. Наибольшей эффективностью отличается нитрозогуанидин и нитрозометилмочевина. К биологическим мутагенам можно отнести фаги, антибиотики, фитонциды. Под влиянием мутагенов частота мутаций возрастает до 100 тыс. раз.
Ко второму типу наследственной изменчивости относятся изменения, возникающие у прокариот в результате рекомбинации генетического материала, при котором происходит взаимодействие между двумя геномами, приводящее к образованию рекомбинаций ДНК и формированию дочернего генома, сочетающего гены обоих родителей. То есть в процессе генетической рекомбинации происходит объединение генов из двух разных клеток. Известны три основных способа, приводящие к рекомбинации генетического материала прокариот: конъюгация, трансформация и трансдукция. При этом из донорской клетки в реципиентную переносится часть генетического материала.
При конъюгации происходит перенос генетического материала путем прямого контакта между двумя клетками. При этом между двумя бактериями образуется мостик и генетический материал (обычно плазмидная ДНК) переходит из одной клетки в другую.
Трансформация - это передача генетической информации через выделенную из клетки-донора ДНК. Трансформация бактерий может происходить при передаче ДНК из одной клетки в другую при выращивании культуры бактерий на средах, содержащих мертвые клетки, фильтраты или экстракты других культур (или чистых препаратов ДНК). В этих случаях бактерии приобретают признаки тех микроорганизмов, с которыми они были выращены, а затем передают эти свойства потомству. Однако включить ДНК в генетический аппарат клетки могут только близкородственные микроорганизмы.
При трансдукции перенос генов от одной клетки к другой происходит с помощью бактериофага (бактериального вируса). При этом небольшой участок бактериальной хромосомы включается в фаговую частицу. Когда эта частица заражает новую бактерию, она вводит в нее генетический материал предыдущего хозяина (клетки- донора). Таким образом, клетка-реципиент становится носителем генетической информации клетки-донора.
Различают трансдукцию общую (неспецифическую), специфическую и абортивную. Общая трансдукция характеризует перенос бактериофагом фрагмента любой части бактериальной хромосомы. Специфическая наблюдается в том случае, когда фаговая ДНК интегрирует в бактерию с образованием профага. При абортивной трансдукции внесенный фрагмент ДНК донора не встраивается в хромосому реципиента, а остается в цитоплазме и там самостоятельно функционирует. Впоследствии он передается одной из дочерних клеток и затем теряется в потомстве.
При генетических рекомбинациях молекула ДНК не разрушается, а лишь модифицируется, поэтому перестройка генетических структур в отличие от мутаций не вызывает летальных эффектов, а фенотипическое выражение нового признака обнаруживается сразу же после интеграции экзогенной ДНК. Частота рекомбинаций различна (10-1-10-9) и зависит от эффективности передачи ДНК.