Организация генетического аппарата у бактерий

Генетическая система прокариот имеет несколько ключевых особенностей, которые присущи только бактериям.

• Отсутствие оформленного ядра. Генетический материал представлен нуклеотидом, который не имеет собственной оболочки и является компактным комплексом ДНК с белками. Занимает треть объема клетки.
• Малый размер генома. В среднем, общее число генов около 5000.
• Прокариоты это гаплоидные организмы – имеют только один набор генов. Но состав и ДНК у них не постоянный. Прокариотам присуще трансформация (процесс поглощения клеткой организма свободной молекулы ДНК из среды обитания и встраивание ее в геном, что приводит к появлению у этой клетки новых свойств), трансдукция (перенос молекулы ДНК из одного организма в другой с помощью вирусов), конъюгация (направленный перенос генетического материала из одной бактерии в другую).
• Для бактерий характерен плазмидный геном. Небольшая молекула ДНК кольцевой формы, которая переноситься из клетки в клетку горизонтально. Обычно гены плазмиды обеспечивают защиту от вирусов, антибиотиков, устойчивость к некоторым соединениям.

Плазмиды, которые способны встраиваться в ДНК бактерии и реплицироваться вместе с ней, называются – эписомы.

То есть в бактериальной клетки генетическая информация представлена не только ДНК, но и многочисленными не хромосомными элементами.

• Для бактерий характерно передача генетической информации не только по вертикали – от материнской клетки к дочерней, но и по горизонтали (трансформация, трансдукция, конъюгация).

Хромосомный аппарат прокариот это двухцепочечная молекула ДНК, которая имеет кольцевую форму и содержит порядка 5000 генов. И множество мобильных генетических элементов. Инсерционные элементы (простейший тип мобильных элементов мигрирующий с одной бактериальной хромосомы на другую), транспозонные элементы, IS элементы.

IS элементы – инсерционные последовательности длиной 700 – 800 п.н. содержащие код одного двух белков, а так же промотор транскрипции.

Геном бактерий, как показывают исследования, очень сильно нагружен генами. Межгенные участки занимают только около 20%.

Считается, что минимальным геномом обладает микоплазма – всего 430 генов. Для существования минимальной клетки считается достаточно 250 – 300 генов. Этого достаточно, чтоб осуществить все функции клетки.

Геном бактерий очень мобильный, даже у одного штамма может быть до 30% отличий. Такая широкая изменчивость привела к существованию в бактериях двух типов генов. Основной и гибкий.

Контроль над основными процессами (транскрипция, трансляция, размножение, и тд) осуществляется основным набором генов, он консервативен.

Вспомогательный набор генов – это в основном не хромосомные структуры, плазмиды и генетические элементы. Это в основном гены адаптации к окружающей среде.

Мобильные элементы: плазмиды, транспозоны и IS элементы.

IS элементы способны встраиваться в любой участвок геномной ДНК.  IS может инактивировать ген или выполнять функцию промоутера.

Транспозоны – мобильные генетические элементы прокариот. В основном они обеспечивают некоторые свойства бактерий такие как устойчивость к ядам, лекарствам, антибиотикам.  Транспозоны не способны к самостоятельной репликации и размножаются только вместе с клеткой. Транспозоны бывают простые и сложные. Простые траспозоны – короче и содержат мало генов. Сложные транспозоны – длинные и выполняют в организме такие функции, как устойчивость к антибиотикам и лекарствам.

Плазмиды – представляют собой двухнитевые молекулы ДНК несущие 40 – 50 генов. Количество плазмид в бактериальной клетке может быть от 1 до 200. Плазмиды могут свободно циркулировать в цитоплазме или быть связаны с нуклеосомой.

Плазмиды выполняют как регуляторную, так и кодирующею функцию. Отвечают за адаптацию и за метаболизм. Основные функции – регуляторная (продуцирование ферментов), адаптационная (экотоксины, устойчивость к антибиотикам).

Многие R – плазмиды, плазмиды резистентности, передаются горизонтально, и, как правило, вся популяция имеет эти плазмиды и устойчивы к тем или иным внешним факторам.

Плазмиды патогенности контролируют верулентные свойства микроорганизма. Например, синтез токсинов. Развитие инфекционных процессов, вызванных возбудителем чумы, сибирской язвы и тд., связаны с деятельностью плазмид патагенности.

Интегроны - генетические элементы, имеющие в своем составе интеграционный модуль с геном интегразой. Благодаря этому модулю интегроны могут встраиваться в геном и экспресировать несущий гены. Интегроны могут содержать десятки генов. Интегроны, с генами устойчивами к антибиотикам, являются фактором лекарственной устойчивости у бактерий.