Методи і прикладне значення генома бактерій

Зміст

  • Походження терміна
  • Структурні особливості спадкової конституції прокаріотів
  • Особливості будови
  • Будова хромосоми прокаріотів
  • Позахромосомних елементи спадковості прокаріотів
  • Вплив навколишнього середовища
  • Генетичні мутації і рекомбінації у мікроорганізмів
  • Передача генетичного матеріалу між організмами
  • Питання, завдання і методи біотехнологій
  • Способи зміни геному

Термін «геном бактерій» придбав сучасне значення не так давно. Спочатку він розумівся як генетична характеристика конкретного виду мікроорганізму в загальному. Розвиток мікробіології і, зокрема, молекулярної генетики, внесло свої корективи, і сьогодні цим терміном позначають спадкову конституцію клітини, куди враховують і різні факультативні елементи, розташовані поза хромосоми.

Походження терміна
Вперше термін «геном» з’явився на початку 20 століття в роботах німецького біолога Ганса Вінклера, де позначав об’єднання всіх генів рослинного гібрида.

Геном – слово складене і утворене з терміна «ген» і збірного суфікса «-ом», що позначає злиття частин у ціле. У такому аспекті термін «геном» слід розуміти як об’єднання наявних генів в єдине ціле.

Структурні особливості спадкової конституції прокариотов
Бактеріальний геном прокаріотів представлений генетичними елементами, що забезпечують репликативную функцію – реплікони. Для бактеріальної клітини це – хромосома і плазміди. Найчастіше вони мають кільцеву форму, хоча можливо і лінійну будову молекул-носіїв ДНК.

Як приклад можна взяти геном спірохети, що викликає кліщовий бореліоз. Геном спірохети Borrelia burgdorferi представлений лінійної хромосомою і плазмідами, частина яких також линейна за будовою.

Геноми еукаріотів і бактерій значно розрізняються за кількістю генів і, відповідно, розміром – від декількох тисяч у бактерій до мільярдів пар основ у еукаріотів, у тому числі людини. Геноми вірусів і бактерій представляють клас компактних геномів, що не перевищує кількох мільйонів пар основ.
Особливості будови
Геном прокариотов являє собою бактеріальну хромосому і плазміди, що містять спадкову інформацію, яка зберігається як певна черговість нуклеотидів ДНК. Це, у свою чергу, визначає порядок розташування амінокислот у білку бактеріальної клітини.

ДНК бактерій

Кожному білку бактеріальної клітини відповідає ділянка ДНК, що характеризується кінцевим числом і порядком розташування нуклеотидів.

Будова хромосоми прокариотов
Хромосома бактеріальної клітини – це одна двухцепочная закільцьованих молекула ДНК, будова якої визначається великою кількістю (до 4 тисяч) генів. Вона містить гаплоїдний генетичний набір – має одну копію набору непарних хромосом, яка подвоюється тільки в процесі поділу клітини.

У процесі розвитку мікробіології було визначено, що гаплоїдний набір не є для бактерій єдино можливим. Вивчаючи геноми бактерій і вірусів, вчені виявили бактерії, в геномі яких міститься диплоїдний (парний) набір хромосом (Brucella melitensis) і навіть хромосома лінійної форми (Streptomyces ambofaciens).

В середньому, спадковий матеріал бактеріальної клітини включає в себе до 5 млн. Пар основ, а геном людини, для порівняння, складається з 2900000000. Пар основ. Якщо розгорнути бактеріальну хромосому в пряму нитку, її довжина складе 1 мм.

Позахромосомних елементи спадковості прокариотов
Крім хромосом, в геном бактерій входять плазміди і мобільні генетичні елементи:

транспозони – нуклеотидні послідовності, що несуть генетичну інформацію; здатні переміщатися з хромосоми на плазміду;
is-послідовності – невеликі за розміром і найбільш прості елементи, за частотою вбудовування співставні зі спонтанною мутацією, здійснюють горизонтальний перенос.
Ці елементи клітини прокаріотів також представлені молекулами ДНК зі своїми специфічними ознаками і є частиною спадкового матеріалу мікроба.

Будова бактеріальної клітини: плазміди

Мікробіологія, вивчаючи геном клітини бактерії, встановила, що ці позахромосомних фактори спадкування не є життєво необхідними для мікроорганізмів, оскільки не містять інформацію про синтез ферментів, задіяних у метаболізмі бактерії.

Завдяки інформації, яку несуть плазміди і мігруючі генетичні елементи, мікроби володіють певними властивостями. Приміром, антибіотичною резистентністю, здатністю до синтезу гемолизина і бактеріоцини.

На відміну від плазмід, інші позахромосомних елементи завжди пов’язані з хромосомою і не здатні до самостійного відтворення.
Плазміди бактеріальної клітини виконують дві функції:

регуляторну – компенсація порушень ДНК хромосоми за рахунок плазмідної реплікону;
кодирующую – внесення і збереження в клітці бактерії нової інформації, що проявляється в придбаних ознаках.
Властивості будь-якого організму, будь то людина або бактерія, визначаються сукупністю генів – генотипом. У разі ж бактерій значення термінів «генотип» і «геном» фактично ідентично.

Якщо геном – це сукупність спадкового матеріалу клітини, то генотипом називають генетичний матеріал – результат об’єднання геномів батьківських статевих клітин. Клітка людини, наприклад, володітиме подвійним генетичним набором, отриманим від батьків.

Бактеріальна клітина розмножується прямим поділом, і геном дочірньої і материнської клітини спочатку ідентичні. Тому й поняття «генотип» і «геном» для бактеріальної клітини практично синоніми.

Вплив навколишнього середовища
Результатом взаємодія генотипу з навколишнім середовищем є фенотип, який являє собою модифікаційні зміни під конкретні умови середовища існування. При цьому геном бактерії не змінюється.

Генотип і фенотип

Хоча фенотип залежить від конкретних зовнішніх умов, усі зміни контролюються геномом бактерії, так як можливі зміни визначаються набором наявних спадкових матеріалів. Здатність змінюватися є інструментом еволюції, що дозволяє вирішувати питання природного та штучного відбору.

Мінливість фенотипу мікроорганізму в залежності від механізму впливу, можливо:

неспадкової – із змінами тільки фенотипу мікроорганізму;
спадкової – зміни відбуваються на рівні генотипу.
У мікробіології основними видами неспадкових змін фенотипу вважаються:

адаптація – ненаследственная пристосовницька реакція клітини;
модифікація – зміна зовнішніх ознак бактерій (розмір, форма або колір колоній) під впливом навколишніх умов.
Модифікація як зміна фенотипу являє собою результат впливу фактора навколишнього середовище. Основні характеристики модифікаційної мінливості генома мікроорганізмів:

оборотність змін фенотипу (стосується як людини, так і бактерії) – зміна умов життєдіяльності призведе до зникнення існуючої модифікації і заміні їх на інші;
зміни носять не індивідуальний, а груповий характер;
зміни фенотипу успадковуються;
модифікація фенотипу відбувається при кожній зміні умов життя, при цьому генотип залишається незмінним.
Генетичні мутації і рекомбінації у мікроорганізмів
Генотипическая (спадкова) мінливість прокариотов може бути пов’язана з мутаціями – змінами розташування нуклеотидів в ДНК, їх частковою або повною втратою. Наслідком мутації є перебудова всіх генів геному, що зовні проявляється в появі або зникненні характерних ознак.

Рекомбінація генома у всіх організмів, від прокариотов до людини, являє собою зміну місця розташування окремих генів в межах хромосоми або в результаті проникнення в клітину донорської ДНК.

Генетична мутація прокариотов

Рекомбінації прокариотов поділяються на:

законні – здійснюються тільки при наявності протяжних ділянок ДНК в рекомбініруемой клітці бактерії;
незаконні – не вимагають наявності протяжної ділянки ДНК, здійснюються за допомогою is-елементів, що мають липкі кінці, що дозволяє швидко вбудовуватися в клітку мікроорганізму.
Для здійснення генетичних рекомбінації в клітці прокаріот потрібна участь ряду ферментів.

Передача генетичного матеріалу між організмами
Існують шляхи передачі спадкового матеріалу між бактеріями. До них відносяться:

трансформація – пряма передача фрагмента ДНК донора реципієнту; характерна внутрішньовидова трансформація, міжвидова реалізується вкрай рідко;
трансдукція – передача спадкового матеріалу між бактеріями за допомогою фагів;
кон’югація – перенесення генного матеріалу бактеріальної клітиною-донором, несучої F-плазміду (статевий фактор) реципієнту.
Передача спадкового матеріалу між організмами, не перебувають у ланцюжку «предок – нащадок», називають горизонтальним переносом, а спадкування генетичного матеріалу від свого предка – вертикальним переносом.

Процес кон’югації

Явище горизонтального переносу генетичного матеріалу було вперше описане в 1959 році японськими мікробіологами на прикладі передачі несприйнятливості до антибіотиків різних бактерій. Подальші дослідження показали, що горизонтальний перенос спадкового матеріалу є характерною рисою і важливим еволюційним механізмом прокариотов і з’явився він разом із самими бактеріями.

Якщо генетику цікавить вертикальний перенос, то генна інженерія займається питаннями штучного горизонтального переносу.

Питання, завдання і методи біотехнологій
Біотехнології призначені для отримання заданих властивостей у генетично зміненого організму. Основним інструментом біотехнологій є генна інженерія. Вона дозволяє, використовуючи методи молекулярного клонування і горизонтального переносу, вносити зміни безпосередньо в генний апарат клітини.

Способи зміни геному
Для того, щоб мікроорганізм придбав нетипові для нього властивості, необхідно змінити його геном. Для цього існують два шляхи:

мутація – вплив на клітину мутагенів (хімічні отрути або випромінювання) призводить до неконтрольованих генетичних мутацій;
пряме введення в геном нуклеотиду з необхідними властивостями.
Для генної інженерії технологічним вирішенням проблеми введення потрібного нуклеотиду в мікроорганізм стала бактеріальна трансформація. Відбувається впровадження донорської плазміди в бактерію-реципієнт, що є типовим горизонтальним переносом спадкової інформації.

Бактеріальна трансформація

Плазмідні технології вирішили питання введення штучних генів в клітку мікроорганізму. Одним із прикладів успіхів генної інженерії є виробництво інсуліну людини, при якому використовуються генетично модифіковані бактерії.

Для вивчення бактерій, геном яких піддався зміні методами генної інженерії, використовують такі техніки горизонтального переносу генної інформації:

нокаут гена – досліджуваний ділянку ДНК видаляють або ушкоджують, після чого відстежують результати мутації;
штучна експресія – в клітку вводять новий ген, результати мутації відслідковуються;
Для відстеження продукту модифікації генна інженерія використовує метод візуалізації. Для цього застосовується флуоресцентний білок, що дозволяє відстежувати процес.

Іншим способом генної інженерії є додавання до гену невеликих за розміром олігопептидів (репортерний елемент), які виявляються специфічними антитілами.

Генна інженерія впливає не тільки на будову молекули ДНК. Вона вивчає експресію гена, яка напряму пов’язана з промотором (невелика ділянка ДНК перед кодує областю) і фактором транскрипції (перенесення спадкової інформації).

Таблиця: методичні прийоми генної інженерії

Техніками генної інженерії в майбутньому буде можливо впливати не тільки на геном прокаріотів, але й на геном людини. Методи генотерапії по впливу на геном людини ще розробляються і перевіряються на приматах. Методи горизонтального переносу спадкової інформації допоможуть вирішити питання з генетичними захворюваннями.

Сьогодні геном бактерії є зручним об’єктом генетичних досліджень. У рослин, тварин і людини сукупність всіх спадкових факторів організму – геном – визначатиме характерні ознаки (генотип) клітини, а результат взаємодії з навколишнім середовищем – фенотип.

Посилання на основну публікацію