Методы и прикладное значение исследования генома бактерий

Термин «геном бактерий» приобрел современное значение не так давно. Первоначально он понимался как генетическая характеристика конкретного вида микроорганизма в общем. Развитие микробиологии и, в частности, молекулярной генетики, внесло свои коррективы, и сегодня этим термином обозначают наследственную конституцию клетки, куда учитывают и различные факультативные элементы, располагающиеся вне хромосомы.

Бактериальный геном

Происхождение термина

Впервые термин «геном» появился в начале 20 века в работах немецкого биолога Ганса Винклера, где обозначал объединение всех генов растительного гибрида.

Геном – слово сложносоставное и образовано из термина «ген» и собирательного суффикса «-ом», обозначающего слияние частей в целое. В таком аспекте термин «геном» следует понимать как объединение имеющихся генов в единое целое.

Структурные особенности наследственной конституции прокариотов

Бактериальный геном прокариотов представлен генетическими элементами, обеспечивающими репликативную функцию – репликонами. Для бактериальной клетки это – хромосома и плазмиды. Чаще всего они имеют кольцевую форму, хотя возможно и линейное строение молекул-носителей ДНК.

В качестве примера можно взять геном спирохеты, вызывающей клещевой боррелиоз. Геном спирохеты Borrelia burgdorferi представлен линейной хромосомой и плазмидами, часть которых также линейна по строению.

Геномы эукариотов и бактерий значительно различаются по количеству генов и, соответственно, размеру – от нескольких тысяч у бактерий до миллиардов пар оснований у эукариотов, в том числе человека. Геномы вирусов и бактерий представляют класс компактных геномов, не превышающих нескольких миллионов пар оснований.

Особенности строения

Геном прокариотов представляет собой бактериальную хромосому и плазмиды, содержащих наследственную информацию, которая хранится как определенная очередность нуклеотидов ДНК. Это, в свою очередь, определяет порядок расположения аминокислот в белке бактериальной клетки.

ДНК бактерий

Каждому белку бактериальной клетки соответствует участок ДНК, характеризующийся конечным числом и порядком расположения нуклеотидов.

Строение хромосомы прокариотов

Хромосома бактериальной клетки – это одна двухцепочная закольцованная молекула ДНК, строение которой определяется большим количеством (до 4 тысяч) генов. Она содержит гаплоидный генетический набор – имеет одну копию набора непарных хромосом, которая удваивается только в процессе деления клетки.

В процессе развития микробиологии было определено, что гаплоидный набор не является для бактерий единственно возможным. Изучая геномы бактерий и вирусов, ученые обнаружили бактерии, в геноме которых содержится диплоидный (парный) набор хромосом (Brucella melitensis) и даже хромосома линейной формы (Streptomyces ambofaciens).

В среднем, наследственный материал бактериальной клетки включает в себя до 5 млн. пар оснований, а геном человека, для сравнения, состоит из 2,9 млрд. пар оснований. Если развернуть бактериальную хромосому в прямую нитку, ее длина составит 1 мм.

Внехромосомные элементы наследственности прокариотов

Помимо хромосом, в геном бактерий входят плазмиды и мобильные генетические элементы:

  • транспозоны – нуклеотидные последовательности, несущие генетическую информацию; способны перемещаться с хромосомы на плазмиду;
  • is-последовательности – небольшие по размеру и наиболее простые элементы, по частоте встраивания сопоставимы со спонтанной мутацией, осуществляют горизонтальный перенос.

Эти элементы клетки прокариотов также представлены молекулами ДНК со своими специфическими признаками и являются частью наследственного материала микроба.

Строение бактериальной клетки: плазмиды

Микробиология, изучая геном клетки бактерии, установила, что эти внехромосомные факторы наследования не являются жизненно необходимыми для микроорганизмов, так как не содержат информацию о синтезе ферментов, задействованных в метаболизме бактерии.

Благодаря информации, которую несут плазмиды и мигрирующие генетические элементы, микробы обладают определенными свойствами. К примеру, антибиотической резистентностью, способностью к синтезу гемолизина и бактериоцина.

В отличие от плазмид, другие внехромосомные элементы всегда связаны с хромосомой и не способны к самостоятельному воспроизведению.

Плазмиды бактериальной клетки выполняют две функции:

  • регуляторную – компенсация нарушений ДНК хромосомы за счет плазмидного репликона;
  • кодирующую – внесение и сохранение в клетке бактерии новой информации, что проявляется в приобретенных признаках.

Свойства любого организма, будь то человек или бактерия, определяются совокупностью генов – генотипом. В случае же бактерий значение терминов «генотип» и «геном» фактически идентично.

Если геном – это совокупность наследственного материала клетки, то генотипом называют генетический материал – результат объединения геномов родительских половых клеток. Клетка человека, к примеру, будет обладать двойным генетическим набором, полученным от родителей.

Бактериальная клетка размножается прямым делением, и геном дочерней и материнской клетки изначально идентичны. Поэтому и понятия «генотип» и «геном» для бактериальной клетки практически синонимы.

Воздействие окружающей среды

Результатом взаимодействие генотипа с окружающей средой является фенотип, который представляет собой модификационные изменения под конкретные условия среды обитания. При этом геном бактерии не изменяется.

Генотип и фенотип

Хотя фенотип зависит от конкретных внешних условий, все изменения контролируются геномом бактерии, так как возможные изменения определяются набором имеющихся наследственных материалов. Способность изменяться является инструментом эволюции, позволяющим решать вопросы естественного и искусственного отбора.

Изменчивость фенотипа микроорганизма в зависимости от механизма воздействия, может быть:

  • ненаследственной – с изменениями только фенотипа микроорганизма;
  • наследственной – изменения происходят на уровне генотипа.

В микробиологии основными видами ненаследственных изменений фенотипа считаются:

  • адаптация – ненаследственная приспособленческая реакция клетки;
  • модификация – изменение внешних признаков бактерий (размер, форма или цвет колоний) под воздействием окружающих условий.

Модификация как изменение фенотипа представляет собой результат воздействия фактора окружающей среду. Основные характеристики модификационной изменчивости генома микроорганизмов:

  • обратимость изменений фенотипа (касается как человека, так и бактерии) – изменение условий жизнедеятельности приведет к исчезновению существующей модификации и замене их на другие;
  • изменения носят не индивидуальный, а групповой характер;
  • изменения фенотипа не наследуются;
  • модификация фенотипа происходит при каждом изменении условий жизни, при этом генотип остается неизменным.

Генетические мутации и рекомбинации у микроорганизмов

Генотипическая (наследственная) изменчивость прокариотов может быть связана с мутациями – изменениями расположения нуклеотидов в ДНК, их частичной или полной утратой. Следствием мутации является перестройка всех генов генома, что внешне проявляется в появлении или исчезновении характерных признаков.

Рекомбинация генома у всех организмов, от прокариотов до человека, представляет собой изменение местоположения отдельных генов в пределах хромосомы либо в результате проникновения в клетку донорской ДНК.

Генетическая мутация прокариотов

Рекомбинации прокариотов подразделяются на:

  • законные – осуществляются только при наличии протяженных участков ДНК в рекомбинируемой клетке бактерии;
  • незаконные – не требуют наличия протяженного участка ДНК, осуществляются при помощи is-элементов, имеющих липкие концы, что позволяет быстро встраиваться в клетку микроорганизма.

Для осуществления генетических рекомбинаций в клетке прокариота требуется участие ряда ферментов.

Передача генетического материала между организмами

Существуют пути передачи наследственного материала между бактериями. К ним относятся:

  • трансформация – прямая передача фрагмента ДНК донора реципиенту; характерна внутривидовая трансформация, межвидовая реализуется крайне редко;
  • трансдукция – передача наследственного материала между бактериями посредством фагов;
  • конъюгация – перенос генного материала бактериальной клеткой-донором, несущей F-плазмиду (половой фактор) реципиенту.

Передача наследственного материала между организмами, не состоящими в цепочке «предок – потомок», называют горизонтальным переносом, а наследование генетического материала от своего предка – вертикальным переносом.

Процесс конъюгации

Явление горизонтального переноса генетического материала было впервые описано в 1959 году японскими микробиологами на примере передачи невосприимчивости к антибиотикам различных бактерий. Дальнейшие исследования показали, что горизонтальный перенос наследственного материала является характерной чертой и важным эволюционным механизмом прокариотов и появился он вместе с самими бактериями.

Если генетику интересует вертикальный перенос, то генная инженерия занимается вопросами искусственного горизонтального переноса.

Вопросы, задачи и методы биотехнологий

Биотехнологии предназначены для получения заданных свойств у генетически измененного организма. Основным инструментом биотехнологий является генная инженерия. Она позволяет, используя методы молекулярного клонирования и горизонтального переноса, вносить изменения напрямую в генный аппарат клетки.

Способы изменения генома

Для того, чтобы микроорганизм приобрел нетипичные для него свойства, необходимо изменить его геном. Для этого существуют два пути:

  • мутация – воздействие на клетку мутагенов (химические яды или излучение) приводит к неконтролируемым генетическим мутациям;
  • прямое введение в геном нуклеотида с необходимыми свойствами.

Для генной инженерии технологическим решением проблемы введения нужного нуклеотида в микроорганизм стала бактериальная трансформация. Происходит внедрение донорской плазмиды в бактерию-реципиент, что является типичным горизонтальным переносом наследственной информации.

Бактериальная трансформация

Плазмидные технологии решили вопрос введения искусственных генов в клетку микроорганизма. Одним из примеров успехов генной инженерии является производство инсулина человека, при котором используются генетически модифицированные бактерии.

Для изучения бактерий, геном которых подвергся изменению методами генной инженерии, используют следующие техники горизонтального переноса генной информации:

  • нокаут гена – исследуемый участок ДНК удаляют или повреждают, после чего отслеживают результаты мутации;
  • искусственная экспрессия – в клетку вводят новый ген, результаты мутации отслеживаются;

Для отслеживания продукта модификации генная инженерия использует метод визуализации. Для этого применяется флуоресцентный белок, что позволяет отслеживать процесс.

Другим способом генной инженерии является добавление к гену небольших по размеру олигопептидов (репортерный элемент), которые выявляются специфическими антителами.

Генная инженерия воздействует не только на строение молекулы ДНК. Она изучает экспрессию гена, которая напрямую связана с промотором (небольшой участок ДНК перед кодирующей областью) и фактором транскрипции (перенос наследственной информации).

Таблица: методические приемы генной инженерии

Техниками генной инженерии в будущем будет возможно воздействовать не только на геном прокариотов, но и на геном человека. Методы генотерапии по воздействию на геном человека еще разрабатываются и проверяются на приматах. Методы горизонтального переноса наследственной информации помогут решить вопросы с генетическими заболеваниями.

Сегодня геном бактерии является удобным объектом генетических исследований. У растений, животных и человека совокупность всех наследственных факторов организма – геном – будет определять характерные признаки (генотип) клетки, а результат взаимодействия с окружающей средой – фенотип.

Похожие статьи:
Загрузка...

__________________________

Остались вопросы? Задайте их в комментариях к статье, мы обязательно ответим

  • BadDad

    Встречая в статьях термин «клонирование» и «генная инженерия», я всегда задаюсь вопросом о том, к чему приведет развитие этих направлений. Создание армии из клонированных людей (как бы глупо это ни звучало сейчас), судя по фантастическим фильмам, опасно. С другой стороны, избавление от генетических заболеваний — это действительно новое слово в медицине, оно спасет множество жизней. В общем, все не так однозначно.

  • Екатерина

    Очень много сложных терминов простому человеку со школьным курсом биологии за плечами очень сложно уследить за мыслью. Можно было бы украсить текст какими-то интересными примерами из жизни. Но в общем идея ясна. Вот интересно, есть ли какие-то открытия в области развития генома. Например, можно ли определить, каким будет человек лет через 100-200. Ну или какой-то другой организм.