Внехромосомные факторы наследственности

(плазмиды и эписомы)

Внехромосомные факторы наследственности бактерий представлены плазмидами и эписомами. Эти генетические структуры представлены ДНК, которая способна самостоятельно реплицироваться. Они находятся в цитоплазме клетки. Одни из них располагаются автономно и не могут встраиваться в нуклеоид бактерии (собственно плазмиды), другие обладают такой способностью (эписомы).

Они были исследованы Д. Ледербергом, Ф. Жакобом и Э. Вольманом, которые подчеркнули, что ДНК плазмид осуществляет генетическую функцию независимо от ДНК нуклеоида.

Основные свойства плазмид следующие:

1. ДНК в них имеет кольцевую структуру.

2. Наличие плазмид не обязательно в клетке, но если они есть, то они обеспечивают новые свойства клетке (способность к конъюгации, устойчивость к антибиотикам и т.д.)

3. В одной клетке может быть несколько плазмид. Если они сходны по структуре (F-фактор, Col-фактор), то одна из этих плазмид может элиминироваться. Неродственные плазмиды «совместимы», т.к. системы их репликации совершенно различны и не мешают друг другу.

По способности передаваться из одной клетки в другую плазмиды делятся на конъюгативные – трансмиссивные и неконъюгативные – нетрансмиссивные.

Конъюгативные плазмиды обеспечивают процесс конъюгации и придают клетке свойства генетического донора. В процессе конъюгации они могут превращать генетического реципиента в генетического донора. Конъюгативные плазмиды способствуют синтезу на поверхности клеток специфических ворсинок для контакта с реципиентной клеткой. Конъюгативные плазмиды содержат tra-оперон (англ. transfer – перенос) который детерминирует способность клетки передавать плазмиду от клетки донора к клетке реципиента.

Неконъюгативные плазмиды не придают клетке свойств генетического донора, не передаются в клетку реципиента самостоятельно, не имеют tra-оперона. Для их переноса в другую клетку необходимо наличие в клетке хозяина других факторов передачи, например умеренного бактериофага.

Виды плазмид:

F-фактор – фактор фертильности.

Col-фактор – колициногенный фактор – фактор бактериоциногении.

R-фактор – обеспечивает множественную устойчивость к антибиотикам.

Группа плазмид участвующих в формировании патогенных свойств бактерий – плазмиды Ent, Hly, K и т.д.

Col-факторы или факторы бактериоциногении – это группа плазмид, контролирующих синтез белковых веществ (бактериоцинов) подавляющих рост филогенетически родственных бактерий. Это трансмиссивный фактор, имеет tra-оперон, но есть штаммы с высокой частотой переноса этого фактора и с низкой частотой.

В зависимости от вида микробов бактериоцины имеют различные названия: у кишечной палочки – колицины, у стафилококка – стафилоцины, у пневмококка – пневмоцины, вибриона – вибриоцины и т.д. Это явление изучено в 1925 г. Грациа, затем в 1937 г. Фредериком. Они установили, что колицины обладают следующими свойствами:

Представляют собой вещества белковой природы и функционируют как антибиотики с узким спектром действия;

Вызывают гибель клетки, не нарушая ее целостности;

Ингибируют синтез ДНК, РНК и белка;

Колицины обладают свойствами эндодезоксирибонуклеаз;

Обладают летальным признаком – после выделения колицина бактериальная клетка может погибнуть;

Клетка, выделяющая бактериоцины, устойчива к действию гомологичных бактерицинов извне.

Культуры, выделяющие колицины, называются колициногенными, а чувствительные к ним – колициночувствительными.

У большинства клеток этот фактор находится в репрессированном состоянии. Колицины не выделяются, если в среде нет индуктора, в том числе и неспецифического: ультразвука, перекиси водорода, облучения и т.д.

Фредерик разделил колицины по специфичности действия, антигенным свойствам, физико-химическим свойствам на типы, обозначаемые заглавными буквами алфавита А, В, С и т.д. В настоящее время их известно более 25. Установлено, что 1 штамм может вырабатывать несколько типов колицинов.

Практическое значение бактериоциногении заключается в следующем:

Колициногения обеспечивает один из видов антагонистических взаимоотношений. Причем бактериоциногения у нормальной микрофлоры – это фактор, обеспечивающий устойчивость организма к инфекции, у патогенных микроорганизмов – это фактор их патогенности.

Бактериоциногения – это эпидемиологическая метка микроба, т.к. является наследственным признаком, т.е. определенный штамм бактерий выделяет бактериоцины соответствующего типа (или типа А, или В и т.п.).

Из живых колициногенных штаммов E.coli М17 готовят лечебный препарат – колибактерин.

Краткая характеристика других внехромосомных факторов наследственности представлена ниже.

F-фактор. F-фактор или половой фактор – генетическая структура донора, ответственная за ее способность конъюгировать с реципиентной клеткой. F-фактор впервые был обнаружен Д.Ледербергом в 1952-53 г.г.

F-фактор может быть в автономном и интегрированном состоянии. Он представлен кольцевой структурой ДНК (длина 30-32 нм). В ней выделяют несколько функциональных областей. Одна из них – это tra-область или tra-оперон. Она контролирует перенос генетического материала из клетки донора в реципиентную, синтез половых ворсинок, синтез ферментов. участвующих в метаболизме ДНК в процессе конъюгации. Другие области фактора контролируют его способность к автономной репликации в цитоплазме клетки.

R-фактор. R-фактор или фактор множественной устойчивости к антибиотикам обладает следующими свойствами: детерминирует устойчивость к одному или нескольким лекарственным препаратам за счет соответствующих оперонов; часто является конъюгативным, но не во всех случаях, так как R-плазмида, попадая в реципиентную клетку, может диссоциировать с образованием чистого фактора переноса – RTF-фактора и неконъюгативной плазмиды, несущей гены лекарственной устойчивости (r-гены). Значительное число r-генов представляет собой транспозоны (см. ниже), которые могут перемещаться от плазмиды-носителя в другие репликоны. В одном r-гене может содержаться несколько транспозонов, кодирующих устойчивость к разным антибиотикам. Множественная устойчивость к антибиотикам может быть передана от клетки к клетке в результате трансдукции (перенос r-генов трансдуцирующим бактериофагом), поскольку, например, у кокков R-плазмида нетрансмиссивна, или в результате конъюгации, т.к. плазмида может иметь tra-оперон. Передача r-генов осуществляется непостоянно, поскольку бактериальные клетки могут синтезировать репрессоры, блокирующие передачу r-генов.

Плазмиды, участвующие в формировании патогенных свойств бактерий – Ent, Hly, K и др. Ent-плазмиды, а также некоторые бактериофаги в состоянии лизогении содержат в своем составе tox-гены, кодирующие образование энтеротоксинов у энтеробактерий. Плазмида К88 кодирует выработку вещества капсулы бактерий, ее антигенов. Плазмида Hly контролирует синтез гемолизинов у энтеропатогенных микробов и стрептококков, особенно если она связана с плазмидой К88. Sal -плазмида (трансмиссивная) выявлена у псевдомонад, детерминирует использование бактериями салицилатов благодаря выработке особого фермента.

Плазмиды биодеградации. Эти плазмиды несут информацию, необходимую для использования некоторых органических соединений бактериями в качестве источников углерода и энергии. Например, плазмиды биодеградации кодируют ферменты, отвечающие за утилизацию ряда сахаров (лактозы, сахарозы и др.) и образование протеолитических ферментов.

Умеренные фаги. Факторами, несущими дополнительную, важную для бактериальной клетки, информацию и часто определяющими ее патогенность, являются умеренные фаги. По свойствам они во многом схожи с плазмидами бактерий. Встраиваясь в нуклеоид, такие фаги вызывают лизогенизацию бактерий с приобретением новых признаков. Это связано либо с приобретением генов, переносимых данными фагами от их предыдущих хозяев (бактерий-доноров), либо с началом экспрессии «молчащих» генов бактерий-реципиентов. В этом случае фаговая ДНК выступает в роли промотора. Такие микроорганизмы, например, приобретают способность к токсинообразованию (дифтерийные бактерии, некоторые клостридии и др.)