Внехромосомные генетические элементы: Внехромосомные генетические элементы — Справочник химика 21 – Внехромосомные генетические элементы Лекция 4 Для студентов

Содержание

Внехромосомные генетические элементы — Справочник химика 21

Плазмида — внехромосомный генетический элемент кольцевая самовоспроизводящаяся молекула ДНК используется в генной инженерии для переноса генов от донора к реципиенту. [c.191]

Современные представления о генетическом аппарате прокариот описаны выше (см. гл. 3). В определенных условиях в клетке может находиться несколько копий бактериальной хромосомы. ДНК содержится также во внехромосомных генетических элементах — плазмидах, в большинстве случаев являющихся кольцевыми, автономно реплицирующимися небольшими молекулами. [c.239]

Лучше всего процессы репликации изучены для наиболее простых систем — бактерий, бактериофагов и внехромосомных генетических элементов бактерий плазмид. [c.407]

Плазмида (Plasmid) Внехромосомный генетический элемент, способный к длительному автономному существованию и репликации. Обычно это двухцепочечная кольцевая ДНК длиной 1-200 т.п.н. [c.556]

У многих бактерий обнаружены внехромосомные генетические элементы — плазмиды. Это кольцевые ковалентно замкнутые молекулы. ДНК, содержащие от 1500 до 40 ООО пар нуклеотидов, реплицирующиеся автономно как единое целое. К настоящему времени плазмиды описаны у 135 видов, принадлежащих более чем к 40 родам, располагающимся в разных группах Определителя бактерий Берги. Обычно о присутствии плазмид в бактериальной клетке судят по проявлению определенных признаков, которые присущи этим структурам, т. е. кодируются их генетическим материалом. К таким признакам относится устойчивость к некоторым лекарственным препаратам, способность к переносу генов при конъюгации, синтез веществ антибиотической природы, способность использовать некоторые сахара или обеспечивать деградацию ряда веществ. Большую группу составляют плазмиды с нерасшифрованными функциями такие плазмиды выявляют с использованием фи-зико-химических методов.

[c.127]

Плазмиды — это внехромосомные генетические элементы, выявляемые в бактериях различных семейств. Они представляют собой двухцепочечные кольцевые молекулы ДНК размером от 2 тпн до более чем 300 тпн. Плазмиды могут нести гены, которые обусловливают фенотипическое отличие содержащих их клеток от бесплазмидных клеток. Культура, несущая плазмиду, обозначается следующим образом за наименованием бактериального штамма указывается в квадратных сшбках название плазмиды, например, Е. соИ НВ101[Со1Е1].

[c.85]

Внехромосомные генетические элементы нередко изменяют фенотипические свойства клеток. Это связано с тем, что они могут нести детерминанты устойчивости к антибиотикам (R- [c.88]

Плазмиды — внехромосомные генетические элементы, способные к длительному автономному существованию и репликации в клетке. Чаще всего это кольцевые двунитевые молекулы ДНК длиной до 200 тыс. пар нуклеотидов. Могут содержать, помимо необходимых для существования плазмиды, дополнительные гены, например, гены устойчивости к солям тяжелых металлов или устойчивости к антибиотикам. Бактерия может содержать одну или несколько разных плазмид, копийность которых также может быть различной.

[c.125]

Трансдуцироваться могут и внехромосомные генетические элементы. Механизмы трансдукции плазмид несколько отличаются от механизмов трансдукции хромосомных генов. В целом фаги могут трансдуцировать любые плазмиды, но частота их трансдукции обычно ниже, чем хромосомных маркеров. Вероятно, кольцевую плазмидную ДНК упаковать труднее, чем отдельные линейные фрагменты. Поскольку перенос цельных плазмид подчиняется общим законам трансдукции, размер пакуемой ДНК должен быть равен геному фага. Если плазмида меньше, то для достижения соответствующего размера она должна быть достроена . Возможны несколько способов такой достройки за счет других плазмид за счет фаговой ДНК за счет полимеризации плазмиды. [c.100]

Плазмиды. Как уже отмечалось, (см. гл. 2), плазмиды представляют собой внехромосомные генетические элементы, которые встречаются во многих видах бактерий. Они существуют обычно в виде ковалентно замкнутых кольцевых суперспиральных молекул ДНК, что является физической особенностью, которая лежит в основе ряда методов очистки плазмид. В качестве векторов используются обычно небольшие плазмиды размером до 15— 20 т. п. о., чаще всего от 2 до 10 т. п. о. [c.143]

Внехромосомные генетические элементы могут придавать бактериальным клеткам дополнительные свойства, выявляемые фенотипически. Это связано с тем, что они могут содержать [c.211]

У дрожжей-сахаромицетов подробно изучен клеточный цикл развития (рис. 12.1). Клетки S. erevisiae делятся почкованием. Вегетативные клетки штаммов, выделяемых из природных образцов или используемых в производстве, как правило, диплоидны. При определенных условиях в них происходит мейоз, и диплоидная клетка превращается в аск с четырьмя гаплоидными аскоспорами, окруженными общей оболочкой. Эти структуры называют тетрадами. (В лабораторных условиях споруляцию инициируют перенесением диплоидных клеток в среду, содержащую ацетат натрия.) Оболочку аска можно разрушить механически или ферментативно и с помощью микроманипулятора при наблюдении в микроскоп разъединить ас-коспоры. После прорастания каждая спора дает начало отдельному гаплоидному клону со специфическим генотипом и фенотипом. Данный подход, называемый тетрадным анализом, позволяет методически просто выяснять, локализован ли изучаемый генетический маркер на хромосоме или он входит в состав внехромосомных генетических элементов. Хромосомные гены дают картину расщепления в соответствии с классическими законами генетики, а внехромосомные признаки, как правило, не расщепляются в мейозе.

[c.287]

В основе молекулярного клонирования лежит встраивание нужного фрагмента ДНК (вставки) в другую молекулу ДНК (вектор), которая способна реплицироваться в соответствующей клетке-хозяине (см. рис. 11.12). Такое встраивание осуществляется in vitro, а затем образовавшиеся рекомбинантные молекулы ДНК вводятся в клетки. Векторая молекула должна содержать точку начала репликации (ori). Кроме того, для репликации нужны специфические ферменты и другие белки их поставляет клетка-хозяин или они кодируются самим вектором. Вектором может быть любой небольшой внехромосом-ный элемент (например, плазмида, ДНК фага или вируса). Каждый из этих элементов встречается в природе в клетках определенных видов, и большин

Внехромосомные генетические элементы Лекция 4 Для студентов

Внехромосомные генетические элементы Лекция № 4 Для студентов специальности «Микробиология» по дисциплине «Генетика микроорганизмов»

План лекции: n n n Плазмиды, их классификация и фенотипические признаки Взаимодействие плазмидных репликонов в бактериальной клетке: исключение вхождения и несовместимость, рекомбинация Группы несовместимости плазмид Механизмы репликации плазмид Методы генетического анализа плазмидной ДНК Биологическое значение плазмид и их роль в эволюции бактерий

Определение Плазмиды — внехромосомные (дополнительные по отношению к хромосоме) генетические структуры бактерий, способные автономно размножаться и существовать в цитоплазме бактериальной клетки Термин введен Ледербергом в 1952 году

Обозначение плазмид Префикс “p” р. UС 19 или p. EX n число Инициалы автора n обозначение функции плазмиды «Исторические» обозначения: R 100, F, Col. E 1

Классификация Линейные и замкнутые молекулы плазмид а б в II I

Классификация n n n Структура — кольцевые или линейные молекулы ДНК размером от 2 до 600 т. п. н. Число копий – от 1 до 1000 (малокопийные и мультикопийные) Круг хозяев – узкий круг (nhr – narrow host range), широкий круг хозяев (bhr – broad host range) Способность к конъюгационному переносу (конъюгативные, неконъюгативные, мобилизуемые) Группы несовместимости (Inc – incompatibility): 14 групп в системе Pseudomonas (Inc. P-1 – Inc. P-14) u 30 групп в системе Enterobacteriaceae u

Классификация По способности или неспособности передаваться из одной бактериальной клетки в другую в процессе конъюгации, выделяются: -Конъюгативные плазмиды переносятся от бактерии к бактерии внутри вида или между представителями близкородственных видов в процессе конъюгации. Чаще всего конъюгативными плазмидами являются F — или R -плазмиды. Подобные плазмиды относительно крупные (25 -150 млн Д) и часто выявляются у грамотрицательных палочек. -Неконъюгативные плазмиды (не переносятся) обычно имеют небольшие размеры и характерны для грамположительных кокков, но встречаются также у некоторых грамотрицательных микроорганизмов (например, у Haemophilus influenzae , Neisseria gonorrhoeae ). Мобилизуемые плазмиды – способны передаваться в реципиентные клетки с помощью конъюгативных плазмид. Криптические плазмиды – плазмиды, фенотипические признаки для которых не установлены.

Классификация n Контролируемый фенотип: u Устойчивость к антибиотикам, тяжелым металлам. R – плазмиды (resistance устойчивость)- детерминируют устойчивость к лекарственным препаратам. u Деградация органических соединений. D – плазмиды (degradative) u Конъюгационный перенос. F – factor (fertility- плодовитость)- инициируют деление бактерии, то есть увеличивают их «плодовитость» . u Продукция токсических соединений (антибиотики, бактериоцины, колицины). Col. E 1 – плазмида (colicin) u Криптические плазмиды (фенотип неизвестен и плазмиды малого размера) u Взаимодействие с эукариотами. Ti – плазмиды (tumor inducing) u Другие свойства – устойчивость к UV, продукция H 2 S, чувствительность к Na. Cl, системы рестрикции – модификации, фиксация азота.

Классификация n n n n Конъюгация – процесс обмена генетической информацией между бактериальными клетками, обеспечиваемый плазмидами, путем переноса генетического материала из клетки донора в клетку реципиента. Трансконъюгант – бактериальная клетка, получившая генетический материал путем конъюгации. Поверхностное исключение – конъюгационный перенос между плазмидосодержащими клетками происходит с меньшей на 2 порядка эффективностью, чем между донором и бесплазмидной клеткой. За этот эффект отвечают гены tra – системы (tra. S и tra. T). Несовместимость плазмид (Inc) – неспособность двух разных плазмид стабильно сосуществовать в одной бактериальной клетке. Донор – специфические фаги – фаги, инфицирующие только те штаммы, которые содержат конъюгативные плазмиды. Число копий плазмиды – количество молекул плазмиды на бактериальный геном. Строгий контроль репликации – плазмидная репликация связана с репликацией хромосомы. Hfr –штаммы – (high frequency of recombination) – штамм, несущий в составе хромосомы плазмиду и, следовательно, способный осуществлять ориентированный перенос хромосомных генов в подходящий реципиент.

Классификация n Молекулярная организация плазмид Базовый репликон (basic replicon): ori (origin) u inc/cop — ген (ы) u rep – ген Жизненно – важные структуры плазмиды (backbone segment) u система разрешения коинтегратов (mrs — multimer resolution system), u система активного распределения плазмид (par – partitioning), u система постсегрегационной гибели клетки (PSK – post segregational killing). u система рестрикции – модификации (RM). Система конъюгационного переноса. Гены резистентности. Гены биодеградации. Другие гены. u n n n

Репликация плазмид Механизмы репликации D-механизм Механизм катящегося кольца (rolling cycle) тетта-механизм (механизм «глазка»)

Репликация плазмид Ө-механизм n В кольцевой хромосоме репликационный глазок образует Ө-структуру.

Репликация плазмид Модель «катящегося кольца» n Если в кольцевой ДНК разрывает одну цепь и свободный 3’-конец наращивается с помощью ДНКполимеразы, то вновь синтезируемая цепь вытесняет исходную родительскую.

Репликация плазмид D-петля n В митохондриальной ДНК наблюдается тип репликации носящий название D-петель (displacement – вытеснение).

Репликация плазмид

Репликация плазмид потомство чувствительное конъюгация и перенос плазмиды к антибиотику потомство, резистентное к антибиотику резистентное потомство Распространение плазмиды, несущей гены резистентности к лекарственном препарату, при переносе ее из клетки в клетку.

5.3. 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:

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 фактор фертильности – 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 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, приобретающих новые признаки. 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.)

2. Хромосомные и внехромосомные носители генетической информации бактерий.

Как и у других организмов, совокупность генов бактериальной клетки – геном – определяет ее свойства и признаки (генотип). Фенотип бактериальной клетки – результат взаимодействий между бактерией и окружающей средой, контролируемый геномом. Генетическая информация у микроорганизмов заключена в нуклеоидеивнехромосомныхносителях генетической информации –плазмидах, IS – последовательностях, транспозонах, умеренных и дефектных бактериофагах.

Нуклеоид — эквивалент ядра у бактерий. Он расположен в центральной зоне бактерий в виде двунитевой ДНК, замкнутой в кольцо и плотно уложенной наподобие клубка. Ядро бактерий, в отличие от эукариот, не имеет ядерной оболочки, ядрышка и основных белков (гистонов). Обычно в бактериальной клетке содержится одна хромосома, представленная замкнутой в кольцо молекулой ДНК. Нуклеоид выявляется в световом микроскопе после окраски специфическими для ДНК методами: по Фельгену или по Романовскому-Гимзе.

Плазмида бактерий– фрагменты ДНК размером 10³– 10⁶п.н., несущие генетическую информацию (40-50 генов), кодирующие не основные для жизнедеятельности бактериальной клетки функции, но придающие бактерии преимущества при попадании в неблагоприятные условия существования.

Выделяют автономные(не связанные с хромосомой бактерии) иинтегрированные (встроенные в хромосому плазмиды.

Автономные плазмидысуществуют в цитоплазме бактерий и способны самостоятельно репродуцироваться, в клетке одновременно могут присутствовать несколько их копий;
Интегрированные плазмиды репродуцируются одновременно с бактериальной хромосомой.

Плазмиды также подразделяют на трансмиссивные(F- иR-плазмиды), способные передаваться посредством конъюгации, инетрансмиссивные.

Плазмиды выполняют регуляторные и кодирующие функции.

Регуляторные плазмидыучаствуют в компенсировании тех или иных дефектов метаболизма бактериальной клетки посредством встраивания в поврежденный геном и восстановлении его функций. Кодирующие плазмиды привносят в бактериальную клетку новую генетическую информацию, кодирующую новые, необычные свойства. Плазмиды подразделяют по признакам ими кодируемыми.

F-плазмиды(от англ.fertility, плодовитость) контролируют синтезF-пилей, способствующих спариванию бактерий-доноров (F⁺) с бактериями-реципиентами (F^—).F-плазмиды могут быть автономными и интегрированными.

R-плазмиды(от англ.resistance, устойчивость) кодируют устойчивость к лекарственным препаратам (антибиотикам, сульфаниламидам, тяжелым металлам).R-плазмиды включают все гены, ответственные за перенос факторов устойчивости из клетки в клетку.

Плазмиды бактериоциногениикодируют синтез бактериоцинов – белковых продуктов, вызывающих гибель бактерий того же или близких видов. Репликация этих плазмид тесно связана с репликацией бактериальной хромосомы.

Плазмиды патогенностиконтролируют вирулентные свойства многих видов, особенно энтеробактерий.Tox-гены в кодируют токсинообразование. Также выделяют скрытые плазмиды, плазмиды биодеградации, неконъюгативные плазмиды.

IS (вставочная, инсерционная) – последовательность бактерий— это простейший тип мигрирующих элементов, их величина не превышает 1500 пар оснований.IS-элементы самостоятельно не реплицируются и не кодируют распознаваемых фенотипических признаков. Содержащиеся в них гены обеспечивают только их перемещение из одного участка в другой.

Основные функции IS-последовательностей:

Регуляция активности генов
Индукция мутаций типа делеций или инверсий (при перемещении) и дупликаций (при встраивании в хромосому)
Координация взаимодействий плазмид, транспозонов и профагов между собой и с бактериальной хромосомой.

Транспозоны (Tn-элементы) бактерий состоят из 2000-25000 пар нуклеотидов, содержат фрагмент ДНК, несущий специфические гены, и два концевыхIS-элемента. При включении в ДНК бактерий транспозоны вызывают дупликации, при выходе из определенного участка ДНК – делеции, при выходе и включении обратно с поворотом фрагмента на 180º — инверсии. Транспозоны не способны к самостоятельной репликации и размножаются только в составе бактериальной хромосомы. Каждый транспозон содержит гены, определяющие наличие важных свойств (множественная лекарственная устойчивость, токсинообразование). Генный состав транспозонов и плазмид идентичен. Поскольку транспозоны содержат гены, определяющие фенотипически выраженные признаки, то их легче обнаружить, чемIS-элементы, выполняющие регуляторные функции.

Умеренные и дефектные бактериофагитакже могут быть факторами изменчивости, напоминая по своим свойствам интегрированные плазмиды. Они встраиваются в бактериальную хромосому в виде профага и вызывают лизогенизацию бактерий, которые могут приобретать новые свойства в процессе лизогенной (фаговой) конверсии.

23. Нехромосомная наследственность. Плазмон. Внехромосомные генетические элементы. Пластидная наследственность

Нехромосомная наследственность — передача в ряду поколений генов, локализованных вне ядра. Для нехромосомного наследования нередко характерны сложные картины расщепления, не согласующиеся с законами Менделя. Часто этот тип наследования также называют цитоплазматическим наследованием, понимая под этим наследование генов, расположенных не только в самой цитоплазме, но и органеллах клетки, имеющих собственную ДНК (пластид, митохондрий), а также инородных генетических элементов (например, вирусов), поэтому его следует отличать от собственно цитоплазматического наследования, при котором наследственные признаки детерминируются не органеллами, а самой цитоплазмой.

Плазмон — совокупность генов, расположенных вне ядра, то есть геномы митохондрий (совокупность генов митохондрий также называют хондриомом) и пластид (хлоропластов). В современной клеточной биологии вместо о термина плазмон в настоящее время принято употреблять понятие «цитоплазматические гены», то есть противопоставлять их ядерному геному.

Наряду с основной, хромосомной, ДНК, бактерии могут иметь в своем составе внехромосомные генетические ДНК-элементы, — плазмиды, обусловливающие различные свойства, например, устойчивость к антибиотикам, сульфаниламидам, способность синтезировать бактериоцин, гемолизин и т.д. При этом часть плазмид передается от одной бактериальной клетки к другой при конъюгации (так называемые конъюгативные плазмиды). Плазмиды другой группы (неконъюгативные) неспособны к конъюгативному переносу. Именно к конъюгативным относятся наиболее известные F- и R-плазмиды Escherichia coli. Пластидная наследственность — внехромосомный способ наследования пластидных признаков, осуществляемый посредством самих пластид (хлоропластов). В зависимости от условий оплодотворения при пластидной наследственности пластидные признаки наследуются или только по материнской линии, или от обеих родительских форм (в случае переноса пластид в зиготу и через пыльцевые трубки. Совокупность пластид клетки как структур, способных передавать наследственную информацию, названа пластидомом (О. Реннер, 1934). Из всех структурных элементов цитоплазмы растений, с которыми можно связать передачу некоторых свойств и признаков материнского организма потомству, пластиды наиболее удобны для анализа, т.к. в большинстве случаев они четко различимы в цитоплазме благодаря целому ряду морфологические особенностей. Кроме того, они способны к скачкообразным изменениям — пластидным мутациям, которые впоследствии четко воспроизводятся.

24. Митохондриальиая наследственность. Цитоплазматическая мужская стерильность

У большинства многоклеточных организмов митохондриальная ДНК наследуется по материнской линии. Яйцеклетка содержит на несколько порядков больше копий митохондриальной ДНК, чем сперматозоид. В сперматозоиде обычно не больше десятка митохондрий (у человека — одна спирально закрученная митохондрия), в небольших яйцеклетках морского ежа — несколько сотен тысяч, а в крупных ооцитах лягушки — десятки миллионов. Кроме того, обычно происходит деградация митохондрий сперматозоида после оплодотворения. При половом размножении митохондрии, как правило, наследуются исключительно по материнской линии, митохондрии сперматозоида обычно разрушаются после оплодотворения. Кроме того, большая часть митохондрий сперматозоида находятся в основании жгутика, которое при оплодотворении иногда теряется. Так как митохондриальная ДНК не является высококонсервативной и имеет высокую скорость мутирования, она является хорошим объектом для изучения филогении (эволюционного родства) живых организмов. Для этого определяют последовательности митохондриальной ДНК у разных видов и сравнивают их при помощи специальных компьютерных программ и получают эволюционное древо для изученных видов. Исследование митохондриальных ДНК собак позволило проследить происхождение собак от диких волков. Исследование митохондриальной ДНК в популяциях человека позволило вычислить «митохондриальную Еву», гипотетическую прародительницу всех живущих в настоящее время людей. Для некоторых видов показана передача митохондриальной ДНК по мужской линии, например, у мидий. Наследование митохондрий по отцовской линии также описано для некоторых насекомых, например, для дрозофилы, медоносных пчел и цикад. Существуют также данные о митохондриальном наследовании по мужской линии у млекопитающих.

Цитоплазматическая мужская стерильность — это наследование признаков, ограничивающих или сводящих на нет фертильность мужских растений (например, из-за образования дефектной пыльцы или даже полное её отсутствие, морфологические особенности цветка и т. п.), по материнскому типу через цитоплазму. Следует отметить, что вообще мужская стерильность у растений может определяться и рецессивным аллелем соответствующего ядерного гена. У кукурузы существует особый ядерный ген — восстановитель фертильности (Rf/rf). Находясь в доминантном состоянии, он обеспечивает развитие нормального фертильного растения даже при наличии в цитоплазме фактора стерильности, а рецессивная аллель влияет на репродуктивную функцию при нормальной цитоплазме. Поэтому стерильными будут только растения, гомозиготные по рецессивному аллелю rf и имеющие в цитоплазме фактор стерильности. У кукурузы (Zea mays) плазмогены (то есть цитоплазматические факторы) мужской стерильности производят плейотропное действие: уменьшается число листьев, снижается устойчивость к некоторым болезням. Явление восстановления фертильности пыльцы используется на практике для появления гетерозисных двойных межлинейных гибридов кукурузы. Так как кукуруза самосовместима, то, чтобы исключить самоопыление, у некоторых растений приходилось обламывать мужские метёлки, то есть чтобы сделать их исключительно женскими особями. Так что гибриды CytSrf/rf (CytS — стерильная цитоплазма, CytN — нормальная цитоплазма) являются решением этой проблемы, поскольку имеют цитоплазматическую мужскую стерильность и неспособны к самооплодотворению.

Нехромосомные генетические элементы бактерий

У многих бактерий обнаружены нехромосомные генетические элементы: плазмиды , умеренные фаги и мигрирующие элементы ( транспозоны и IS-элементы ).

Для плазмид характерно стабильное существование в нехромосомном состоянии. Транспозоны и IS-элементы входят, как правило, в состав хромосом, но способны переходить из хромосомы в плазмиду, поэтому также могут быть отнесены к нехромосомным генетическим элементам.

Изучение нехромосомных генетических элементов обнаружило, что общий объем ДНК, входящий в их состав, превышает объем генома каждой особи. Таким образом, у прокариот большой объем генетической информации оказывается рассредоточенным в нехромосомных элементах. Это заставляет по-новому подходить к вопросу об организации генетической информации в мире прокариот.

В бактериальной хромосоме локализована генетическая информация, необходимая для существования конкретного вида бактерий в определенном диапазоне условий внешней среды: при наличии используемых источников углерода, азота, доступности или отсутствии молекулярного кислорода и т.д. Особенностью генетической информации, содержащейся в нехромосомных элементах, является ее необязательность для жизнедеятельности бактерий, т.е. в ее отсутствие бактериальная клетка жизнеспособна, но важная роль нехромосомных генетических элементов заключается в том, что они расширяют возможности существования бактериального вида, обеспечивают обмен генетическим материалом на большие расстояния по горизонтали и играют определенную роль в эволюции прокариот.

Для плазмид характерно стабильное существование в нехромосомном состоянии.

Плазмиды обнаружены у многих бактерий, принадлежащих к разным таксономическим группам. Количество плазмидной ДНК в клетке составляет обычно не более нескольких процентов от клеточного генома, а число плазмид колеблется от 1 до 38. Плазмиды — это линейные или кольцевые ковалентно замкнутые молекулы ДНК, содержащие от 1500 до 40000 пар нуклеотидов. Большинство плазмид состоит из трех групп генов: участка ДНК, ответственного за автономную репликацию плазмиды в клетке; системы генов, обеспечивающих возможность переноса плазмид из одной клетки в другую; генов, определяющих свойства, полезные для клетки-хозяина. Отличительная особенность плазмид — способность к автономной репликации, поэтому минимальное количество ДНК, которое может быть названо плазмидой, — это фрагмент, обеспечивающий автономную репликацию плазмидной ДНК в клетке как единого целого.

Обычно о присутствии плазмид в бактериальной клетке судят по проявлению определенных признаков, к которым относится устойчивость к отдельным лекарственным препаратам, способность к переносу генов при конъюгации , синтез веществ антибиотической природы, способность использовать некоторые сахара или обеспечивать деградацию ряда веществ.

Из перечисленного выше видно, что плазмиды делают возможным существование организмов в более широком диапазоне условий внешней среды, т.е. действуют как факторы адаптации. Большую группу составляют плазмиды с нерасшифрованными функциями; такие плазмиды выявляют с использованием физико-химических методов.

Транспозоны и IS-элементы входят, как правило, в состав хромосом, но способны переходить из хромосомы в плазмиду, поэтому также могут быть отнесены к нехромосомным генетическим элементам.

Мигрирующие элементы, представленные транспозонами и IS-элементами, — это линейные молекулы двухнитевой ДНК, размеры которых колеблются от 200 до 6000 пар нуклеотидов. Отличительная особенность мигрирующих элементов — их неспособность к автономной репликации.

Мигрирующие элементы могут встраиваться в разные участки бактериальной хромосомы или мигрировать с бактериальной хромосомы на плазмиду; их репликация осуществляется под контролем тех же механизмов, что и у соответствующей хромосомы или плазмиды . Частота переносов (транспозиции) мигрирующих элементов колеблется от 10 в степени минус 4 до 10 в степени минус 7.

IS-элементы содержат информацию, необходимую только для их переноса внутри клетки, никаких выявляемых признаков в них не закодировано. Транспозоны устроены более сложно: в них включены некоторые гены, не имеющие отношения к процессу транспозиции. Известны транспозоны, содержащие гены устойчивости к антибиотикам, ионам тяжелых металлов и другим ингибиторам.

Для переноса мигрирующих элементов между клетками нужен переносчик, которым могут быть определенные плазмиды или фаги . Встраивание мигрирующих элементов в бактериальную хромосому оказывает мутагенное действие, так как при этом происходит включение фрагмента ДНК, приводящее к изменению порядка расположения нуклеотидов в триплете и, как следствие этого, нарушению процесса транскрипции .

Ссылки: