Baktēriju ģenētiskais materiāls. Mikrobioloģija: lekciju konspekti (K

Šī grāmata ir paredzēta medicīnas izglītības iestāžu studentiem. Šī īsā rokasgrāmata palīdzēs jums sagatavoties mikrobioloģijas eksāmenam un nokārtot to. Materiāls ir pasniegts ļoti ērtā un atmiņā paliekošā formā un palīdzēs studentiem īsā laikā detalizēti apgūt kursa pamatjēdzienus un jēdzienus, kā arī konkretizēt un sistematizēt zināšanas.

* * *

Dotais grāmatas ievada fragments Mikrobioloģija: lekciju konspekti (K. V. Tkačenko) nodrošina mūsu grāmatu partneris - kompānijas litri.

LEKCIJA Nr.4. Mikroorganismu ģenētika. Bakteriofāgi

1. Baktēriju iedzimtības materiāla organizācija

Baktēriju iedzimto aparātu attēlo viena hromosoma, kas ir DNS molekula, tā ir spiralizēta un salocīta gredzenā. Šis gredzens vienā punktā ir pievienots citoplazmas membrānai. Atsevišķi gēni atrodas baktēriju hromosomā.

Baktēriju genoma funkcionālās vienības papildus hromosomu gēniem ir:

1) IS sekvences;

2) transpononi;

3) plazmīdas.

IS sekvences ir īsi DNS fragmenti. Tie nesatur strukturālus (olbaltumvielas kodējošus) gēnus, bet satur tikai gēnus, kas atbild par transponēšanu (spēju pārvietoties pa hromosomu un integrēties dažādās tās sadaļās).

Transposoni ir lielākas DNS molekulas. Papildus gēniem, kas atbild par transponēšanu, tie satur arī strukturālu gēnu. Transposoni spēj pārvietoties pa hromosomu. Viņu pozīcija ietekmē gēnu ekspresiju. Transposoni var pastāvēt ārpus hromosomas (autonomi), bet nespēj autonomi replikēties.

Plazmīdas ir papildu ekstrahromosomu ģenētiskais materiāls. Tā ir apļveida, divpavedienu DNS molekula, kuras gēni kodē papildu īpašības, dodot šūnām selektīvas priekšrocības. Plazmīdas spēj replikēties autonomi, t.i., neatkarīgi no hromosomas vai tās vāji kontrolē. Pateicoties autonomai replikācijai, plazmīdas var izraisīt amplifikācijas fenomenu: viena un tā pati plazmīda var būt vairākās kopijās, tādējādi uzlabojot noteiktas pazīmes izpausmi.

Atkarībā no plazmīdu kodēto pazīmju īpašībām tās izšķir:

1) R-plazmīdas. Nodrošināt zāļu rezistenci; var saturēt gēnus, kas atbild par enzīmu sintēzi, kas iznīcina zāles, var mainīt membrānas caurlaidību;

2) F-plazmīdas. Viņi kodē seksu baktērijās. Vīrišķās šūnas (F+) satur F plazmīdu, sieviešu šūnas (F-) nesatur. Vīrišķās šūnas konjugācijas laikā darbojas kā ģenētiskā materiāla donors, un sieviešu šūnas darbojas kā saņēmējas. Viņiem ir atšķirīgs virsmas elektriskais lādiņš, un tāpēc tie piesaista viens otru. Pati F-plazmīda pāriet no donora, ja tā šūnā atrodas autonomā stāvoklī.

F-plazmīdas spēj integrēties šūnu hromosomā un atstāt integrēto stāvokli autonomā stāvoklī. Šajā gadījumā tiek notverti hromosomu gēni, kurus šūna var ziedot konjugācijas laikā;

3) Col plazmīdas. Kodē bakteriocīnu sintēzi. Tās ir baktericīdas vielas, kas iedarbojas uz cieši saistītām baktērijām;

4) Toksiskās plazmīdas. Kodē eksotoksīnu ražošanu;

5) biodegradācijas plazmīdas. Kodējiet fermentus, ar kuriem baktērijas var izmantot ksenobiotikas.

Plazmīdas zudums šūnā neizraisa tās nāvi. Viena un tā pati šūna var saturēt dažādas plazmīdas.

2. Baktēriju mainīgums

Pastāv divu veidu mainīgums – fenotipiskā un genotipiskā.

Fenotipiskā mainīgums – modifikācijas – genotipu neietekmē. Modifikācijas ietekmē lielāko daļu indivīdu populācijā. Tie nav iedzimti un laika gaitā izbalināt, t.i., tie atgriežas pie sākotnējā fenotipa.

Genotipa variācijas ietekmē genotipu. Tas ir balstīts uz mutācijām un rekombinācijām.

Mutācijas ir izmaiņas genotipā, kas saglabājas vairākas paaudzes un ko pavada fenotipa izmaiņas. Baktēriju mutāciju īpatnība ir to noteikšanas relatīvā vieglums.

Mutācijas izceļas pēc lokalizācijas:

1) gēns (punkts);

2) hromosomu;

3) plazmīda.

Pēc izcelsmes mutācijas var būt:

1) spontāns (mutagēns nav zināms);

2) inducēts (mutagēns nav zināms).

Rekombinācija ir ģenētiskā materiāla apmaiņa starp diviem indivīdiem, parādoties rekombinantiem indivīdiem ar mainītu genotipu.

Baktērijām ir vairāki rekombinācijas mehānismi:

1) konjugācija;

2) protoplastu saplūšana;

3) transformācija;

4) transdukcija.

Konjugācija ir ģenētiskās informācijas apmaiņa tiešā kontaktā starp donoru un saņēmēju. Plazmīdām ir visaugstākā pārraides frekvence, un plazmīdām var būt dažādi saimnieki. Pēc konjugācijas tilta izveidošanās starp donoru un recipientu caur to recipienta šūnā nonāk viens donora DNS pavediens. Jo ilgāks šis kontakts, jo vairāk donora DNS var nodot saņēmējam.

Protoplastu saplūšana ir mehānisms ģenētiskās informācijas apmaiņai tiešā saskarē ar citoplazmas membrānas sekcijām baktērijās, kurām nav šūnu sienas.

Transformācija ir ģenētiskās informācijas nodošana izolētu DNS fragmentu veidā, kad recipienta šūna atrodas vidē, kurā ir donora DNS. Transdukcijai nepieciešams īpašs saņēmējas šūnas fizioloģiskais stāvoklis - kompetence. Šis stāvoklis ir raksturīgs aktīvi dalāmām šūnām, kurās notiek viņu pašu nukleīnskābju replikācijas procesi. Šādās šūnās darbojas kompetences faktors - tas ir proteīns, kas izraisa šūnu sienas un citoplazmas membrānas caurlaidības palielināšanos, tāpēc DNS fragments var iekļūt šādā šūnā.

Transdukcija ir ģenētiskās informācijas pārnešana starp baktēriju šūnām, izmantojot mērenus transdukcijas fāgus. Transducējošie fāgi var pārnest vienu vai vairākus gēnus.

Transdukcija notiek:

1) specifisks (vienmēr tiek pārnests viens un tas pats gēns, transducējošais fāgs vienmēr atrodas vienā un tajā pašā vietā);

2) nespecifisks (tiek pārraidīti dažādi gēni, transducējošā fāga lokalizācija nav nemainīga).

3. Bakteriofāgi

Fāgu virioni sastāv no galvas, kas satur vīrusa nukleīnskābi, un astes.

Fāga galvas nukleokapsīdam ir kubiskā tipa simetrija, un procesam ir spirālveida tips, t.i., bakteriofāgiem ir jaukta tipa simetrija.

Fāgi var pastāvēt divos veidos:

1) intracelulārs (tas ir profāgs, tīra DNS);

2) ārpusšūnu (tas ir virions).

Fāgiem, tāpat kā citiem vīrusiem, piemīt antigēnas īpašības un tie satur grupai un tipam raksturīgus antigēnus.

Ir divu veidu fāgu un šūnu mijiedarbība:

1) lītiska (produktīva vīrusu infekcija). Tas ir mijiedarbības veids, kurā vīrusu vairošanās notiek baktēriju šūnā. Viņa mirst procesā. Pirmkārt, fāgi tiek adsorbēti uz šūnas sienas. Tad nāk iespiešanās fāze. Lizocīms iedarbojas fāgu adsorbcijas vietā, un astes daļas kontraktilo proteīnu dēļ šūnā tiek ievadīta fāga nukleīnskābe. Tam seko vidējais periods, kura laikā tiek nomākta šūnu komponentu sintēze un notiek fāgu reprodukcijas disjunktīvs režīms. Šajā gadījumā fāga nukleīnskābe tiek sintezēta nukleoīdu reģionā, un pēc tam proteīnu sintēze notiek ribosomās. Fāgus, kuriem ir lītisks mijiedarbības veids, sauc par virulentiem.

Beigu periodā pašsavienošanās rezultātā ap nukleīnskābi tiek salocītas olbaltumvielas un veidojas jaunas fāgu daļiņas. Tie atstāj šūnu, salaužot tās šūnas sieniņu, t.i., notiek baktērijas līze;

2) lizogēns. Tie ir mēreni fāgi. Kad nukleīnskābe iekļūst šūnā, tā tiek integrēta šūnas genomā, un tiek novērota ilgstoša fāga kopdzīve ar šūnu bez tās nāves. Mainoties ārējiem apstākļiem, fāgs var atstāt savu integrēto formu un attīstīt produktīvu vīrusu infekciju.

Pamatojoties uz specifiku, izšķir šādus:

1) polivalentie fāgi (vienas baktēriju dzimtas vai ģints lizu kultūras);

2) monovalentas (izdala tikai viena veida baktēriju kultūras);

3) tipisks (var izraisīt tikai noteiktu baktēriju kultūras veidu (variantu) līzi baktēriju sugā).

Fāgus var izmantot kā diagnostikas zāles, lai noteiktu bakterioloģisko pētījumu laikā izolēto baktēriju ģints un sugas. Tomēr tos biežāk izmanto noteiktu infekcijas slimību ārstēšanai un profilaksei.

Mūsdienu bioloģija un ģenētika ir parādā savus izcilos sasniegumus mikrobioloģijai, kas nodrošināja tos ar mikroorganismiem kā eksperimentālos priekšmetus. Pētījumu nozīme un aktualitāte mikroorganismu ģenētikas jomā galvenokārt slēpjas apstāklī, ka tie bija pirmie, kas radīja metodes iedzimtības kontrolei.

1865. gadā čehu zinātnieks Gregors Mendels atklāja gēnu esamību kā atsevišķas iedzimtības vienības. 1928. gadā F. Grifits bija pirmais, kurš pārveidoja nevirulentos pneimokokus par virulentiem. Viņš inficēja baltās peles ar baktēriju maisījumu, kas sastāvēja no karstumā nogalinātiem kapsulārajiem pneimokokiem, kuri tādējādi zaudēja virulenci, un dzīviem akapsulāriem, nevirulentiem pneimokokiem. Kontroles eksperimentos šīs baktēriju grupas, kas tika ieviestas atsevišķi, nenogalināja peles. Tomēr eksperimentālajā grupā peles nomira un no asinīm tika izolēti dzīvi pneimokoki, kas ieguva nogalināto pneimokoku kapsulu. Līdz ar to nogalinātie kapsulārie pneimokoki saturēja vielu, kas spēj pārnest kapsulas veidošanās pazīmi (virulenci) uz dzīviem pneimokokiem. Transformācijas mehānisms palika nezināms.

1953. gadā F. Kriks un D. Vatsons noteica gēnu struktūru, pamatojoties uz DNS dubultspirāli. Šis atklājums parādīja, kā gēns veic trīs vissvarīgākās funkcijas:

• 1) iedzimtības nepārtrauktība - daļēji konservatīvs DNS replikācijas mehānisms;
• 2) organisma uzbūves un funkciju kontrole – izmantojot ģenētisko kodu, kas izmanto tikai četru bāzu (burtu) rezervi – adenīnu (A), timīnu (T), guanīnu (G), citozīnu (C);
• 3) organismu evolūcija mutāciju un ģenētisku rekombināciju rezultātā.

Ar F. Krika, S. Brennera, M. Nirenberga, S. Očo, X. Korānas darbiem, izmantojot mikrobu objektus, līdz 1966. gadam tika atšifrēts ģenētiskais kods, parādīta tā trīskāršība, nepārklāšanās un universālums visiem dzīvajiem organismiem. .

Zinātnieki novērtēja vieglu darbu ar baktērijām un vīrusiem to īpašību dēļ: īss paaudzes periods, strauja populāciju uzkrāšanās ar milzīgu skaitu indivīdu, audzēšanas un lietošanas vienkāršība. Baktēriju objektos tika atklātas kurjeru, ribosomu un pārneses RNS un tika izveidots proteīnu sintēzes mehānisms. D. Lederbergs un E. Tatums atklāja konjugāciju baktērijās, V. Hejs atklāja plazmīdu, kas nosaka baktēriju seksuālo polaritāti. F. Džeikobs un E. Volmens radīja plazmīdu teoriju. Operona koncepcija, ko pēc Escherichia coli modeļa izstrādāja F. Džeikobs un J. Monods, ir kļuvusi par universālu konceptu gēnu ekspresijas ģenētiskai kontrolei.

1972. gadā radās un strauji attīstās gēnu inženierija. Galvenā nozīme tās rašanās un iedzimtības kontrolei bija 1970. gadā G. Temin, S. Mizutani, D. Baltimora enzīma reversās transkriptāzes (revertāzes, RNS atkarīgās DNS polimerāzes) atklāšana dažos onkogēnos vīrusos. Tas ļāva iegūt DNS gēna kopiju uz messenger RNS matricas un izmantot to gēnu inženierijā. Biotehnoloģija, kuras pamatā ir gēnu inženierija, plaši izmanto baktēriju fermentus, plazmīdu un vīrusu vektorus, kā arī baktērijas kā galvenos bioloģisko produktu ražotājus.

Prokariotiem (baktērijām) ir morfoloģiski atšķirīgas šūnu struktūras, kas satur ģenētisko informāciju - nukleoīdus. Nukleoīds sastāv no vienas satītas hromosomas, kas brīvi atrodas citoplazmā, bet ir saistīta ar noteiktiem citoplazmas membrānas receptoriem. Tāpēc baktēriju šūna, atšķirībā no eikariotiem, ir haploīda, t.i. satur vienu gēnu komplektu.

Dažos apstākļos baktēriju šūnas var saturēt hromosomas kopijas, kas ir pilnīgi identiskas to gēnu komplektā, un baktērijas paliek haploīdas. Atšķirībā no visiem citiem organismiem baktērijām ir unikāla īpašība mainīt savu DNS masu, regulēt savu gēnu kopiju saturu atkarībā no dzīves apstākļiem, kas ir līdzvērtīgi 2, 4, 6, 8 hromosomu masai. Tas ļauj viņiem pašiem regulēt savu vairošanās ātrumu – viens no galvenajiem nosacījumiem, kas nodrošina baktēriju izdzīvošanu vidē un līdz ar to arī sugas saglabāšanos dabā.

Baktēriju hromosoma ir divpavedienu DNS molekula (apļveida hromosoma), kas satur gēnus, kas sakārtoti lineārā secībā. Kopš hromosomas garuma (y E. coli apmēram 1000 µm) ir daudzkārt garāks par baktērijas garumu (vidēji 1,5–3,0 µm), hromosoma ir kompakti iesaiņota superspirālveida formā 12–80 cilpu veidā, kas saistītas ar kodola struktūru, ko pārstāv īpaša klase. no RNS - 4,5 S RNS. Baktēriju genoms (viss nukleotīdu kopums, kas atrodas konkrētā indivīda hromosomā) un genotips (viss atsevišķo gēnu kopums konkrētā indivīdā) nav viennozīmīgi, bet ir tuvu, jo lielākā daļa gēnu atrodas hromosomā vienskaitlis, atšķirībā no eikariotiem, kuru genomā ir līdz 30-50% atkārtotu nukleotīdu secību. Tāpēc genomu lielumu baktērijās, vīrusos un plazmīdās izsaka vai nu molekulmasā, vai genoma nukleīnskābes nukleotīdu pāru skaitā, vai gēnu skaitā. Šīs vērtības ir salīdzināmas, jo vidēji katrs gēns sastāv no 1000 nukleotīdu pāriem, un viena DNS nukleotīda masa ir 500 daltoni. Jā, hromosoma E. coli ir 2,8 x 10 9 daltoni molekulmasa, nukleotīdu pāru skaits ir 3,8 x 10 6 un satur 2500-3000 gēnu.

Baktēriju hromosoma sastāv no divu veidu gēniem: strukturālie (cistroni), kas kodē konkrētas polipeptīdu ķēdes sintēzi, un regulējošā (vai akceptora), kas regulē gēnu darbību (regulatori, operatori, promotori, vājinātāji, terminatori utt.). . Hromosomas galvenā strukturālā un funkcionālā vienība ir operons. Šī ir strukturālu cistronu gēnu grupa, kas ir fiziski saistīti viens ar otru un ar operatora gēnu, kas kontrolē to ekspresiju. Savukārt operons vai to grupa atrodas viena gēna-regulatora kontrolē, kas pārstāv sarežģītāku strukturālo un funkcionālo vienību - regulonu.

Gēni hromosomā ir sakārtoti lineāri, lai jūs varētu izpētīt to secību un sastādīt hromosomu (ģenētisko) karti. Lai to izdarītu, tiek pētīts atbilstošo gēnu pārnešanas laiks baktēriju konjugācijas laikā. Gēnu lokalizāciju hromosomā nosaka to pārnešanas minūtēs, īpaši Escherichia coli - no 0 līdz 100 minūtēm.

Šobrīd galvenā dzīvu organismu genomu organizācijas izpētes metode ir sekvencēšana - nukleotīdu secības noteikšana gēnu DNS. Pirmkārt, izmantojot klonēšanas paņēmienu, tiek iegūts liels skaits nepieciešamo DNS fragmentu. 20 svarīgāko baktēriju DNS hromosomu nukleotīdu secība (K kaitēklis ir E. coli, P. aeruginosa utt.).

Daži baktēriju hromosomu un baktēriju plazmīdu gēni un gēnu grupas pieder pie transponējamiem ģenētiskajiem elementiem, t.i. ģenētiskās struktūras, kas spēj pārvietoties neskartā formā noteiktā genomā vai pārvietoties no viena genoma uz citu, piemēram, no plazmīdas uz baktēriju un otrādi. Transponējamos ģenētiskos elementus attēlo IS elementi un transpozoni. IS elementi jeb ievietošanas secības parasti ir maza izmēra, nepārsniedzot divus tūkstošus bāzes pāru. Tajos ir tikai viens proteīna transpozāzi kodējošs gēns, ar kura palīdzību IS elementi tiek integrēti dažādās hromosomas daļās. Tie ir apzīmēti: IS 1, IS2, IS3 utt. Transposoni (Tp) ir lielāki DNS segmenti, ko papildina apgriezti IS elementi. Papildus gēniem, kas nodrošina to transponēšanu, tie satur dažādus citus gēnus. Lielā transposonā var būt mazāki transpozoni.

Transposoni spēj ievietoties dažādās hromosomas daļās vai pārvietoties no viena genoma uz citu. Ļoti bieži transpozoni atrodas R-plazmīdās. Transposoni ir atrasti baktēriju, plazmīdu, vīrusu un eikariotu genomos. Viņiem ir svarīga loma dzīvās vielas mainīgumā un evolūcijā. Transposonus apzīmē ar sērijas numuru: Tn1, Tn2, Tn3 utt.

Visas zināmās plazmīdas ir mazas, kovalenti noslēgtas gredzenā, superspirāli divpavedienu DNS molekulas, kuru izmēri svārstās no 1,5 līdz 200 MD (no 1500 līdz 400 000 nukleotīdu pāriem). Jo lielāka ir molekulmasa, jo sarežģītāks ir gēnu kopums un daudzveidīgākas plazmīdu funkcijas. Plazmīdas satur pašreplikācijas gēnus; gēni, kas kontrolē pašpārnesi vai mobilizāciju pārnešanai; citi gēni, kas nosaka pašas plazmīdas specifiskās funkcijas. Piemēram, F-plazmīdas nosaka šūnas donora funkcijas un tās spēju konjugēties; Ent-plazmīdas - enterotoksīnu sintēze; biodegradatīvās plazmīdas - dažādu organisko un neorganisko savienojumu iznīcināšana.

Plazmīdas raksturo šādas īpašības:

• pašregulēta replikācija;
• virsmas izslēgšanas fenomens (mehānisms, kas neļauj citai, radniecīgai plazmīdai iekļūt šūnā, kas jau satur plazmīdu);
• nesaderības fenomens (divas cieši saistītas plazmīdas nevar stabili līdzāspastāvēt vienā šūnā, viena no tām tiek noņemta);
• plazmīdas kopiju skaita kontrole vienā šūnas hromosomā (ir zemas kopijas - 1-4 kopijas un augstas kopijas - no 12 līdz 38 plazmīdas kopijām);
• plazmīdu stabilas saglabāšanās kontrole saimniekšūnā;
• meitas plazmīdu vienmērīgas sadales meitas baktēriju šūnās kontrole;
• pašpārneses spēja (konjugatīvās plazmīdās);
• spēja mobilizēties pārnešanai (nekonjugatīvās plazmīdās);
• spēja nodrošināt saimniekšūnu ar papildu svarīgām bioloģiskām īpašībām, kas veicina baktēriju un plazmīdu izdzīvošanu dabā.

Plazmīdas izplatās starp baktērijām divos veidos: vertikāli - pārnesot no mātes šūnas uz meitas šūnām baktēriju šūnu dalīšanās procesā; horizontāli – pārnesot starp šūnām baktēriju populācijā neatkarīgi no šūnu dalīšanās. Plazmīdu pārnešana starp baktēriju šūnām tiek veikta ar pašpārneses mehānismu ar konjugāciju, ko kontrolē plazmīdas tra-operons. Atkarībā no šī operona klātbūtnes plazmīdas iedala konjugatīvās un nekonjugatīvās. Iespējami arī citi plazmīdu pārneses mehānismi (mobilizācija nekonjugatīvu plazmīdu pārnešanai, izmantojot konjugatīvās plazmīdas, transformācija, transdukcija).

Plazmīdu klasifikācija balstās uz to unikālo nesaderības īpašību, t.i. radniecīgu plazmīdu nespēja stabili līdzāspastāvēt vienā šūnā. Tas izpaužas pēc tam, kad plazmīda iekļūst šūnā, kurā jau ir cieši saistīta plazmīda. Plazmīdas, kas nav savietojamas viena ar otru, bet ir saderīgas ar citām, tiek apvienotas vienā Inc grupā. Piemēram, enterobaktērijās tika atrastas 39 Inc grupas plazmīdas. Plazmīdām, kas pieder vienai Inc grupai, ir daudz kopīgu īpašību.

Plazmīdām ir svarīga medicīniska nozīme, jo tās kontrolē dažādu baktēriju patogenitātes faktoru sintēzi un to zāļu rezistenci. Plazmīdu vispārējā bioloģiskā nozīme ir tāda, ka tās ir unikāls baktēriju pašaizsardzības līdzeklis un veicina baktēriju saglabāšanos dabā.

Ģenētiskās informācijas nodošana pēcnācējiem (veģetatīvā DNS replikācija) notiek baktērijās un plazmīdās pēc universāla mehānisma - daļēji konservatīvas DNS replikācijas. Šajā gadījumā meitas šūnas saņem hromosomu DNS, kurā viena virkne ir vecāku (konservatīva), otra DNS virkne tiek no jauna sintezēta uz tās matricas, kas nodrošina ļoti precīzu ģenētiskās informācijas pārraidi (iedzimtību). Veģetatīvā DNS replikācija baktērijās sākas no stingri fiksētas hromosomu vietas (oriC), ko atpazīst replikāciju iniciējošie enzīmi. Tas ir daļēji konservatīvs pēc būtības, iet vienlaikus divos virzienos un beidzas stingri fiksētā punktā - galapunktā. Tā kā DNS ķēdes ir antiparalēlas (ja viena virkne sākas no 5. gala, otra no 3. gala), un DNS polimerāze III veic DNS sintēzi tikai 5-3 virzienā, replikācija katrā virknē notiek atšķirīgi: vienā no nevītītās dzīslas (“taisns”, “līderis”) tas iet nepārtraukti, bet no otras (“atpaliek”) DNS polimerāzei III ir jāatgriežas, lai augtu virkne arī 5-3 virzienā, ar pārtraukumiem, veidojot Okazaki segmentus. kuru garums baktēriju nukleotīdos ir aptuveni 1000.

DNS replikācijas ātrums E. coli 37 °C temperatūrā atbilst 2 x 10 3 nukleotīdu pāru iekļaušanai sekundē. DNS replikācija ietver enzīmu kompleksu, kas veido vienotu struktūru - replisomu. DNS replikācijas ģenētisko kontroli veic liela hromosomu gēnu grupa.

Papildus veģetatīvajam tipam baktērijām ir konjugatīvi un reparatīvi DNS replikācijas veidi. Konjugatīvā replikācija notiek ģenētiskā materiāla apmaiņas konjugatīvās metodes laikā, un to kontrolē plazmīdu gēni (tra-operons). Šajā gadījumā tiek pabeigta otrā DNS virkne, komplementārā virkne tiek pārnesta no donora uz saņēmēju. Reparatīvā replikācija kalpo kā mehānisms DNS strukturālo bojājumu novēršanai vai notiek ģenētiskās rekombinācijas pēdējā posmā. To kontrolē hromosomu un plazmīdu gēni.

Baktēriju genomā esošā informācija tiek atšifrēta, materializēta un ieviesta proteīnu biosintēzes ceļā. Ģenētiskā koda universālums atbilst tā dekodēšanas un ieviešanas (izteiksmes) universālumam. Tomēr proteīnu biosintēzei baktērijās ir dažas iezīmes transkripcijas stadijā. Baktēriju gēni, atšķirībā no eikariotu un vīrusu gēniem, nesatur nitronus, tāpēc baktērijām mRNS sintēzes laikā nenotiek splicēšanas process. RNS splicēšana ir process, kurā no primārajiem RNS transkriptiem tiek izgriezti introni (nekodējošās sekvences gēnos ar intronu-eksona struktūru) un eksoni tiek savienoti kopā, kā rezultātā veidojas un pēc tam tiek translēta nobriedusi mRNS. RNS splicēšanas trūkums baktērijās ir dabiska ģenētiska barjera eikariotu ģenētiskās informācijas ieviešanā baktērijās (prokariotos). Pārvarot šo barjeru, tika izveidota gēnu inženierija uz baktēriju objektiem.

Ģenētisko informāciju mikroorganismi realizē ļoti “ekonomiski”, atbilstoši to eksistences specifiskajiem apstākļiem. Tiek izteikti tikai tie gēni, kas nepieciešami, lai nodrošinātu šūnu dzīvotspēju noteiktos apstākļos. Ģenētiskās informācijas sistēmas pašregulāciju nodrošina, ka tajā papildus proteīnus un citas makromolekulas kodējošajiem strukturālajiem gēniem atrodas īpašas nukleotīdu sekvences (akceptor vai regulējošie gēni), kurām nav kodēšanas funkciju, bet kas kontrolē strukturālo darbību. gēni. Kā jau minēts, strukturālo un regulējošo gēnu kopums, kas atrodas netālu, veido operonu, ģenētiskās regulēšanas vienību. Klasiskais operona modelis ir laktozes operons. Apskatīsim, izmantojot Escherichia coli laktozes operona piemēru, tā struktūru un strukturālo gēnu darbības regulēšanas metodi, kas kodē laktozes uzsūkšanā iesaistīto enzīmu sintēzi.

Operons sākas ar “aktivatora proteīna piesaistes vietu” - augšpus regulona produktu (Cap proteīns, bez kura RNS polimerāze nevar sazināties ar operonu un sākt transkripciju). Nākamais hromosomā atrodas promotors - vieta RNS polimerāzes atpazīšanai un tās piesaistei. Tad nāk operators – vieta, pie kuras saistās īpašs transkripciju inhibējošs regulējošais proteīns. Pēc operatora secīgi atrodas strukturālie gēni z, y un a, kas attiecīgi kodē trīs enzīmu, kas iesaistīti laktozes gremošanā - R-galaktozidāzes, galaktozīda permeāzes, tiogalaktozīda transacetilāzes, sintēzi. Lac operons beidzas ar terminatoru - nelielu DNS daļu, kas kalpo kā apstāšanās signāls, kas aptur RNS polimerāzes progresēšanu un operona transkripciju. Ārpus 1ac operona citā hromosomas vietā atrodas īpašs regulatora gēns, kas kodē nepārtrauktu regulējošā proteīna sintēzi. Ja vidē nav laktozes, regulējošais proteīns pievienojas operonam un kā “barjera” novērš RNS polimerāzes pārvietošanos no promotora uz strukturālajiem gēniem, nomācot transkripciju un galu galā arī enzīmu sintēzi. Laktoze, ja tā atrodas uzturvielu barotnē, saistās ar regulatorproteīnu un allostēriski maina tā konfigurāciju, kā rezultātā regulatora proteīns vairs nevar pievienoties operatoram. Rezultātā tiek atvērta “barjera”, RNS polimerāze pārraksta strukturālos gēnus atbilstošā mRNS, uz kuras matricas tiek sintezēti enzīmi, kas sagremo laktozi.

Tādējādi laktoze inducē tās absorbcijai nepieciešamo enzīmu sintēzi. Šādus fermentus sauc par adaptīviem vai induktīviem. Aplūkoto gēnu aktivitātes regulēšanas veidu sauc par negatīvu, jo tas ir balstīts uz operona represiju ar regulējošu proteīnu. Ir divi šāda veida regulēšanas varianti: negatīvā indukcija, ko mēs aplūkojām, un negatīvās represijas.

Pēdējā gadījumā sākotnējā stāvoklī regulējošais proteīns nevar saistīties ar operatoru, un notiek enzīmu sintēze, un efektora, parasti anabolisko enzīmu darbības galaprodukta, regulējošā proteīna klātbūtnē, tā ietekmē. , saistās ar operatoru un fermentu sintēze tiek apspiesta. Papildus negatīvajam ir zināms arī pozitīvs proteīnu sintēzes ģenētiskās regulēšanas veids. Tās atšķirība no negatīvā tipa ir tāda, ka gēna regulatora proteīna produkts neaizliedz operona transkripciju, bet, gluži pretēji, aktivizē to. Šāda veida regulēšana ir sastopama arī baktērijās divos variantos – pozitīvā indukcija un pozitīva represija. Piemēram, ara operons, kas kontrolē arabinozes uzņemšanu, darbojas Escherichia coli, izmantojot pozitīvas indukcijas mehānismu.

Dzīvo organismu īpašību izpausme, ko kontrolē genotips, ir atkarīga no organisma eksistences apstākļiem. Organisma īpašību kopumu tā īpašajos eksistences apstākļos sauc par fenotipu. Atkarībā no apstākļiem viena genotipa mikroorganismiem var būt dažādi fenotipi, jo tiek realizētas dažādas genotipa ģenētiskās informācijas daļas vai realizācija notiek atšķirīgā genotipa reakcijas normas diapazonā. Fenotipu maiņu, mainoties organisma eksistences apstākļiem, sauc par modifikāciju. Citiem vārdiem sakot, modifikācijas ir fenotipiskas atšķirības, ko izraisa ārējie faktori iedzimti identiskos mikroorganismos.

Baktēriju modifikācijas atšķirīgās pazīmes ir (trīs "O"):

• mainīguma noteiktība (noteikts vides faktors vai apstākļi izraisa izmaiņas stingri noteiktā pazīmē);
• izmaiņu kopiena (pazīmes izmaiņas vienlaikus visos vai lielākajā daļā ģenētiski viendabīgas populācijas indivīdu);
• izmaiņu atgriezeniskums (izmaiņas nav iedzimtas un izzūd pēc ārējā faktora pārtraukšanas).

Dažos gadījumos baktērijās tiek novērotas tā sauktās ilgtermiņa modifikācijas, kad raksturlieluma izmaiņas saglabājas vairākas paaudzes pēc faktora darbības pārtraukšanas. Tas ir saistīts ar faktu, ka šūnu dalīšanās laikā tiek pārnestas ne tikai genotipa struktūras, bet arī šūnas saturs, kas daļēji saglabā iepriekšējos apstākļos izveidoto vielu atliekas.

Apskatīsim baktēriju modifikācijas mainīguma piemēru. Sējot atšķaidītu baktēriju kultūru Proteus vulgaris Uz barības vielu agara 24 stundu laikā izauga baktēriju kolonijas, katru no kurām ieskauj spietošanas zona. Pēc koloniju atkārtotas iesēšanas uz barības vielu agara ar žulti visas kolonijas izauga 24 stundu laikā bez spietošanas. Pēc šo koloniju atkārtotas iesēšanas uz sākotnējā barības vielu agara visās audzētajās kolonijās atkal bija spietošanas zonas.

Proteus fenotipa izmaiņas uz barotnes ar žulti jāuzskata par modifikāciju, jo ir visas trīs atšķirīgās iezīmes: mainīguma noteiktība (saikne starp spietošanas neesamību un faktoru - žulti), vispārējā mainība (izmaiņas visās kolonijās). populācijas), atgriezeniskums (ja barības barotnē nav žults, atgriež baktērijas sākotnējā fenotipā).

Mikrobiologu praktiskajā darbā pastāvīgi jāņem vērā baktēriju modifikācijas iespēja. Precīzai baktēriju taksonomijai un identificēšanai ir stingri jāievēro standarta (vienoti) nosacījumi baktēriju īpašību izpētei (standarta barotnes, testi, reaģenti, temperatūra un citi audzēšanas apstākļi).

Galvenais jaunu gēnu avots dabā ir mutācijas. Nav vispārpieņemtas mutācijas definīcijas. Mutācija no lat. mutācijas ir izmaiņas šūnā noteiktā brīdī esošajās ģenētiskajās struktūrās, kas ir stabili iedzimtas. Ir divas mutāciju grupas: hromosomu aberācijas, tostarp 3 veidu (hromosomu kopu skaita izmaiņas, atsevišķu hromosomu skaita izmaiņas, hromosomu pārkārtošanās) un gēnu mutācijas. Baktērijām var būt tādas mutācijas kā hromosomu pārkārtošanās un gēnu mutācijas. Šajā gadījumā hromosomu pārkārtošanās tiek veikta ar dalīšanu (hromosomas fragmenta zudumu), inversiju (hromosomas sekcijas pagriešanu par 180°), transponējumiem (mazu DNS fragmentu ievietošanu kādā hromosomu vietā, piemēram, ievietošanas segmentus). vai transposoni). Gēnu mutācijas var būt vienas vietas (vienā gēna reģionā) vai vairāku vietu. Lai gēnā parādītos mutācija, pietiek ar viena punkta izmaiņām vienā nukleotīdu pārī. Mutācijas virziens var būt tiešs vai apgriezts. Tiešas mutācijas izraisa izmaiņas savvaļas tipa organisma īpašībās; reversās mutācijas pavada atgriešanās pie savvaļas tipa. Sākotnējā fenotipa atjaunošana reversās mutācijas rezultātā citā gēna daļā vai citā gēnā ir supresora mutācija. Mutāciju, kas maina divas vai vairākas organisma īpašības, sauc par pleiotropu. Ir arī spontānas un inducētas mutācijas. Spontānas mutācijas notiek spontāni tādā nozīmē, ka tās ir noteiktas, bet mēs nezinām to īpašos cēloņus. Inducētās mutācijas izraisa noteiktu mutagēno faktoru iedarbība. Tie ietver dažāda veida jonizējošo starojumu, ultravioletos starus un ķīmiskos mutagēnus.

Mutācijas mehānisma mainīgumu raksturo noteiktas atšķirīgas iezīmes.

• 1. Iedzimtība.
• 2. Zems mutāciju biežums (ātrums) (baktērijās 1 x 10 6 - 1 x 10 7, t.i. mutācija vienā šūnā no 1-10 miljoniem). Spēju radīt mutācijas (mutāciju) ietekmē genotips. Baktērijās mainība strauji palielinās, ja tām ir īpaši gēni – mutatori. Piemēram, Escherichia coli tika atrasti divi mutācijas gēni - mut T, mut SI.
• 3. Mainīguma nevirziena (t.i., nenoteiktība, raksturlielumu izmaiņu neatbilstība ietekmējoša faktora dēļ; viens un tas pats faktors izraisa dažādas mutācijas).

S. Lurijas un M. Delbrika (fluktuācijas tests), Newcomb (pārdales tests) eksperimenti parādīja spontāno mutantu, kas ir rezistenti pret ietekmējošo faktoru – fāgu – sākotnējās baktēriju populācijās jau pirms tā ietekmes. D. Lederberga izstrādātā pirkstu nospiedumu (reprodukcijas) tehnika ļāva tieši izolēt mutantus no šūnu populācijas pirms adekvāta faktora iedarbības vai pēc iedarbības ar mutagēnu – dažādiem mutantiem, kas pēc īpašībām nav adekvāti.

Baktērijām ir īpašas sistēmas mutācijas DNS bojājumu novēršanai. Visvairāk pētītās sistēmas ir: “fotoreaktivācija”, “tumšais remonts”, “replikatīvais remonts”. “Fotoreaktivācija” novērš defektus (timīna dimērus) DNS, ko izraisa tikai ultravioletie stari. “Tumšā remonta” laikā darbojas enzīmu komplekss, kas atjauno bojājumus vienā DNS virknē, izgriežot bojāto vietu un tā vietā sintezējot otru komplementāra DNS segmenta virkni, kas aizvieto defektu. “Replikācijas labošanas” sistēma aizvieto abu DNS virkņu bojājumus, izmantojot rekombināciju.

Vēl viens iedzimtas mainīguma mehānisms ir ģenētiskā materiāla apmaiņa starp baktēriju populāciju šūnām (horizontāli). Tas nerada jaunas elementāras pazīmes, bet ievērojami paātrina organismu radīšanu ar jaunām pazīmju kombinācijām dažādu genomu gēnu pārdales dēļ, kas veicina baktēriju ātru pielāgošanos vides apstākļiem. Baktērijas spēj veikt plašu ģenētisko apmaiņu starp dažādām sugām un ģintīm, kā arī ar bakteriofāgiem un plazmīdām. Baktērijās ir identificētas trīs galvenās ģenētiskā materiāla apmaiņas formas: transformācija, transdukcija, konjugācija (3.2., 3.3. att.). Tie atšķiras pēc ģenētiskā materiāla pārnešanas veida.

Transformāciju raksturo dažu donora gēnu pārnešana uz recipienta šūnu, izmantojot brīvu DNS, kas izolēta no donora genoma. Transformācija var būt spontāna vai izraisīta. Spontāna transformācija dabiskos apstākļos izpaužas kā rekombinantu parādīšanās, kad tiek sajauktas ģenētiski dažādas šūnas. Tas rodas DNS dēļ, ko šūnas izdala vidē to līzes laikā, vai dzīvotspējīgu donoru šūnu aktīvas DNS izdalīšanās rezultātā. Inducēta (mākslīga) transformācija notiek, ja baktēriju kultūrai pievieno attīrītu DNS, kas iegūta no donorbaktērijām. Veiksmīgai transformācijai ir nepieciešami vairāki nosacījumi, kas saistīti ar DNS un recipienta baktērijām. DNS jābūt divpavedienu, tai jābūt 3–5 x 106 daltonu lieliem fragmentiem, un tai jābūt daļēji vai pilnībā homologai ar saņēmēja DNS. Saņēmējšūnām jābūt kompetencēm, t.i. uzņēmība, kas rodas tikai noteiktā dzīves cikla periodā, ir saistīta ar īpaša proteīna “kompetences faktora” izdalīšanos šūnā un specifiskām izmaiņām šūnas sieniņas un membrānas caurlaidībā. Transformācijas process sastāv no vairākiem posmiem: DNS saistīšanās uz kompetenta recipienta virsmas ar “kompetences faktoru”, DNS iekļūšana, “ievelkot” šūnā, DNS iekļaušana recipienta baktērijas hromosomā rekombinācijas ceļā, ekspresija. pārnestajiem gēniem. Ģenētiskās transformācijas efektivitāte daudzkārt palielinās, ja DNS un transformēto šūnu maisījumu apstrādā ar elektrisko impulsu (elektrotransformācijas metode). Dabiskos apstākļos transformācijas efektivitāte ir mazāk nozīmīga nekā citiem ģenētiskā materiāla pārneses veidiem. Baktēriju šūnām ir genoma aizsardzības mehānisms no svešas DNS - īpašas modifikācijas un restrikcijas sistēmas. Šīs sistēmas aizsargā savu DNS ar modifikāciju (parasti metilējot) un iznīcina svešu DNS, izmantojot īpašus enzīmus - restrikcijas endonukleāzes. Īpaša transformācijas iespēja ir transfekcija, kad bakteriofāgu vai plazmīdu DNS ievada recipienta šūnā, kurai nav šūnas sienas.

Transdukcija ir ģenētiskā materiāla pārnešana no donora šūnas uz recipienta šūnu, izmantojot bakteriofāgus. Ir vispārīga (nespecifiska) un specifiska transdukcija. Vispārējās transdukcijas mehānisms ir tāds, ka virulentā fāga intracelulārās reprodukcijas laikā fāga DNS vietā tā galvā var nejauši iekļauties baktēriju DNS fragments, kas vienāds ar fāga garumu. Tā rodas defektīvi fāgi, kas savas genoma DNS vietā satur donora baktērijas DNS fragmentu. Šādi fāgi saglabā infekciozas īpašības. Tie tiek adsorbēti uz baktēriju šūnas un ievada tajā DNS, bet fāgs nevairojas. Fāga ievadīta donora DNS fragmenta ģenētiskās rekombinācijas gadījumā ar recipienta šūnas hromosomu jaunā īpašība tiek iedzimta fiksēta. Tādējādi vispārējās transdukcijas laikā fāgs ir tikai pasīvs ģenētiskā materiāla nesējs.

Specifiskā transdukcija izceļas ar stingri noteikta donora baktērijas DNS fragmenta pārnesi ar mērenu bakteriofāgu palīdzību. Kā zināms, mērenā klimata bakteriofāgi ir tie, kas spēj integrēt baktēriju šūnas hromosomā, izraisot tās lizogenizāciju. Mērens fāgs (profāgs), kas ir integrēts donora baktērijas hromosomā, noteiktos apstākļos atstāj hromosomu, “satverot” tuvākās baktērijas hromosomas DNS sadaļas un atstājot daļu no tās genoma. Rodas bojāts mērens fāgs, kas savā genomā iekļauj donora baktērijas baktēriju gēnus. Pēc tam transducējošais fāgs ievada savu DNS recipienta baktērijas šūnā, kur tā kopā ar donora baktērijas DNS fragmentu tiek integrēta saņēmēja hromosomā. Pēc tam fāgs var atstāt recipienta hromosomu, bet tā pārnestās donorbaktērijas gēni paliek recipientā. Piemērs ir mērenais bakteriofāgs lambda (X), kas vienmēr satur gal operonu vai ononu bio. Specifiskā un vispārējā transdukcija ir zemas frekvences (10 -4 - 10 -7 uz 1 fāga daļiņu). Īpašs specifiskās transdukcijas variants ir fāga vai lizogēnā konversija. Transducējošais fāgs, integrējoties saņēmēja hromosomā, izraisa baktērijas lizogenizāciju un pārnes uz difterijas baktērijām jaunu īpašību gēnus, piemēram, toksīnu veidošanos. Tomēr gēni, kas kontrolē jauno pazīmi, pastāvīgi tiek iekļauti šādu transducējošo fāgu genomā. Šo gēnu parādīšanās nav saistīta ar fāga provizorisku pavairošanu toksikogēnos donoros. Fāgs, iespējams, iekļāva šos gēnus savā genomā agrākos evolūcijas posmos. Šādi transducējošie fāgi ir bez defektiem un izraisa fāgu konversiju ļoti augstā frekvencē.

Konjugāciju raksturo ģenētiskā materiāla pārnešana tiešā saskarē starp šūnām. Šis process ir polārs – ģenētiskais materiāls tiek pārnests tikai no donorbaktērijām uz recipienta baktērijām. Donoru šūnu funkciju un konjugācijas procesu kontrolē konjugācijas pārneses gēni (tra-operons), kas lokalizēti konjugatīvās plazmīdās. Starp daudzajām konjugatīvām plazmīdām ir plazmīda F, kas kontrolē tikai šīs funkcijas. Autonomā, ekstrahromosomālā stāvoklī tas nodrošina F+ tipa (vīriešu) donora šūnu, dobu bārkstiņu (F-pili) veidošanos un savu pārnešanu uz F- (sieviešu) recipienta šūnām. Šajā gadījumā donora hromosoma netiek pārnesta, un saņēmēji, kuri saņēma F plazmīdu, iegūst donora tipu F+. Plazmīdai F integrējoties saimniekbaktērijas hromosomā, veidojas Hfr (augsta rekombinācijas frekvence) – baktēriju celmi ar augstu hromosomu gēnu pārnešanas biežumu. Tomēr plazmīda F parasti nenonāk saņēmējšūnā, jo tā atrodas hromosomas galā pretī tai, no kuras sākas tās pāreja.

Hromosomas pāreja caur konjugācijas tiltu starp šūnām caur F-pili kanālu ir saistīta ar tās replikāciju. Šajā gadījumā caur tiltu iet tikai viena hromosomas DNS virkne, uz kuras recipienta šūnā tiek sintezēta komplementāra otrā virkne, un pēc tam saņēmēja hromosomas rekombinācijas gēnu (rekombinācijas gēnu) kontrolē pārnestais DNS fragments tiek integrēts saņēmēja hromosomā. Plazmīda F Hfr celmos var atgriezties sākotnējā ekstrahromosomu stāvoklī, uztverot blakus esošo baktēriju hromosomas reģionu. Tādā veidā veidojas plazmīda F' (F-prim), kas nes daļu no saimniekbaktērijas hromosomu gēniem, piemēram, plazmīda F'lac. Donoru gēnu pārnešanu uz recipienta šūnām caur F' plazmīdām sauc par seksdukciju. Šajā gadījumā plazmīda F’ ar augstu frekvenci pārnes savu genomu, kurā ir arī daži donora gēni, bet donora baktērijas hromosoma netiek pārnesta.

Citu veidu konjugatīvo plazmīdu (R, Ent, Col uc) pārnešana notiek arī ar augstu frekvenci. Jāatzīmē, ka efektīva plazmīdu pārnešana ar konjugāciju nepazīst “saistītas” barjeras un notiek starp dažādu sugu un ģinšu baktērijām.

Jebkurā ģenētiskā materiāla apmaiņas veidā pēdējais posms ir rekombinācija starp iegūto DNS un saņēmējas šūnas hromosomu. Kad tiek pārnesta viena DNS virkne, tā vispirms tiek pabeigta ar komplementāru virkni. Tikai divpavedienu DNS rekombinējas savā starpā. Ir zināma vispārēja rekombinācija, vietnei specifiska rekombinācija un rekombinācija, ko kontrolē transponējamie elementi.

Starp homologām DNS notiek vispārēja rekombinācija. Vietnei specifiska rekombinācija ir saistīta ar specifisku vietu klātbūtni rekombinējošajās DNS molekulās, piemēram, hromosomas E. coli un mērenais bakteriofāgs lambda. Vispārējās un vietai specifiskās rekombinācijas kontrolē he A gēns. Pārvietojamo elementu veiktās rekombinācijas arī ir vietai specifiskas un noteiktas ar īpašām nukleotīdu sekvencēm, taču tās nav atkarīgas no hea A gēna. Vadošā loma rekombinācijas procesos baktērijās pieder gēnam A. Tā produktam Rec A proteīnam (molekulmasa 38 kDa) ir unikālas funkcijas: stingri saistās ar atsevišķiem DNS pavedieniem; veicina šķeltās virknes atbrīvošanos no DNS dubultspirāles; satur vienu DNS virkni un DNS dubulto spirāli; ir no DNS atkarīgas ATPāzes īpašība. Gēns hes A ir iesaistīts ne tikai rekombinācijas procesā. Tās produkts ir nepieciešams pēcreplikācijas atjaunošanai, profāgu indukcijai, šūnu dalīšanai un citām svarīgām baktēriju funkcijām. Šāda gēna recesīvās mutācijas ietekmē visas šīs funkcijas, tāpēc tās sauc par SOS funkcijām, un to kopums pārstāv vienu SOS sistēmu. Jebkuras SOS funkcijas izpausme ir atkarīga no hec A gēna produkta aktivitātes SOS sistēma tiek aktivizēta pēc jebkādas kaitīgas ietekmes uz DNS. Tāpēc hec A gēnam ir primāra nozīme baktēriju ģenētiskās sistēmas pašaizsardzībā.

Ģenētisko metožu izmantošana baktēriju genoma pētīšanai ļāva izveidot baktēriju ģenētisko taksonomiju. Uz tā pamata ir būtiski precizēta pašreizējā baktēriju klasifikācija un radīti priekšnoteikumi dabiskās taksonomijas un klasifikācijas attīstībai. Taksonomijas interesēs tiek izmantotas vairākas metodes. DNS-DNS hibridizācijas metode (DNS homoloģijas līmeņa noteikšana). Tiek uzskatīts, ka 60–100% DNS homoloģijas rādītājs norāda uz radniecību sugas līmenī. Tomēr vispārpieņemtu kritēriju nav. DNS-rRNS hibridizācijas metode atklāj ģenētiskus savienojumus starp DNS reģionu, kas kontrolē rRNS sintēzi, un rRNS nukleotīdiem. Par rRNS sintēzi atbildīgie cistroni ir konservatīvi un ļauj noteikt attiecības ģints un ģimenes līmenī. Visdrošākā metode ir DNS sekvencēšana. Šī metode atklāj nukleotīdu secību atsevišķos DNS fragmentos vai visā hromosomas DNS. Labākais pētījuma objekts (viskonservatīvākais) ir DNS reģions, kas kontrolē baktēriju 16S ribosomu RNS sintēzi. Šī fragmenta DNS tiek klonēta un pēc tam sekvencēta. DNS sekvencēšanas metode ļauj identificēt baktēriju radniecību valstības, klases, ģimenes un ģints līmenī, taču tā nav pietiekami jutīga, lai noteiktu sugu. Šī metode ļauj noteikt baktēriju evolūcijas attiecības un ir būtiska gēnu sistemātikā. Nozīmīgākajās baktērijās ar sekvencēšanu tika pētīta pilnīga hromosomu DNS nukleotīdu secība (Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa u.c.).

Ir atklāts ļoti svarīgās medicīniskās problēmas – iegūtās baktēriju rezistences – ģenētiskais mehānisms.

Konstatēts, ka R-plazmīdām, kas satur rezistences gēnus pret 1-10 antibiotikām jebkurā kombinācijā, ir primāra nozīme straujā baktēriju rezistences pret antibiotikām attīstībā. Tie dažu minūšu laikā var pārnest antibiotiku rezistences gēnus uz jutīgām baktērijām, padarot visu baktēriju populāciju organismā rezistentu. Joprojām nav efektīvu līdzekļu R plazmīdu noņemšanai vai to pārraides bloķēšanai. Pagaidām patiesais sasniegums ir tādu medikamentu lietošana, kas bloķē antibiotikas iznīcinošo enzīmu darbību, ko kontrolē R-plazmīdas. Piemēram, lai inaktivētu beta-laktamāzi, klavulānskābi, sulbaktāmu, tazobaktāmu lieto kombinācijā ar beta-laktāma grupas antibiotikām.

Ir izveidota baktēriju patogenitātes faktoru ģenētiskā kontrole. Ir pierādīta iespēja lokalizēt šos gēnus baktēriju, bakteriofāgu un plazmīdu genomos. Ir identificēti patogēno celmu veidošanās mehānismi oportūnistisko baktēriju vidū. Šī informācija ļauj identificēt patogēnās baktērijas ar molekulāri bioloģiskām metodēm un mērķtiecīgi iegūt avirulentos mikroorganismu vakcīnas celmus.

Liels sasniegums ģenētikā ir polimerāzes ķēdes reakcijas (PCR) metodes izstrāde, kurai tika piešķirta Nobela prēmija (Mullis K., 1993). Pamatojoties uz PCR, ir izveidota principiāli jauna universāla mikroorganismu indikācijas un infekcijas slimību diagnostikas sistēma - genoindikācija. PCR metode ļauj amplificēt (“pavairot”, klonēt) noteiktas DNS sadaļas in vitro, iegūstot miljoniem šīs DNS kopiju 2-4 stundu laikā. PCR metodes būtība ir daudzkārtējs ciklisks process, kas pārmaiņus ietver trīs posmus katrā ciklā - DNS termisko denaturāciju (kušanu), tās atkausēšanu (sintētisko oligonukleotīdu praimeru pievienošanu), sintēzi (otrās DNS virknes pabeigšanu ar termostabilu DNS. polimerāze). Šo posmu maiņa notiek reakcijas maisījuma temperatūras izmaiņu rezultātā speciālā pastiprinātāja ierīcē (termiskā ciklera). Sākotnējo un turpmāko DNS kopiju denaturācija, kas noved pie DNS sadalīšanās divās atsevišķās virknēs, notiek 90–95 ° C temperatūrā 40–50 sekundes. Rūdīšana (primeru pievienošana) notiek 40-65 °C temperatūrā. Praimeri - sintētiskie oligonukleotīdi (20-30 nukleotīdi) - ir pievienoti vienpavediena DNS mērķim, blakus vēlamajam specifiskajam DNS fragmentam. Praimeri tiek atlasīti tā, lai tie ierobežotu vēlamo fragmentu un būtu komplementāri pretējām DNS virknēm; šajā gadījumā viens grunts ir uz vienas šķipsnas, otrs ir pretējā pusē. Sintēze (elongācija) - DNS otrās ķēdes pabeigšana notiek 72 °C temperatūrā, piedaloties Tag-DNS polimerāzei. Otrās DNS virknes pabeigšana notiek no katras DNS virknes 5" gala līdz 3" galam, t.i. pretējos virzienos. Pirmā cikla rezultātā veidojas divas DNS reģiona kopijas, kuras ierobežo primer. Cikla ilgums ir 2-2 minūtes vai 30-40 sekundes atkarībā no termociklera veida. Katra nākamā cikla rezultātā sintezēto kopiju skaits eksponenciāli dubultojas (3.4. att.). Parasti PCR ietver 20-30 ciklus, kas nodrošina 1 miljona vēlamā DNS fragmenta kopiju sintēzi.

Rīsi. 3.4.

PCR produktu noteikšanai izmanto elektroforēzi vai citas noteikšanas sistēmas.

PCR ir pielāgots, lai noteiktu lielāko daļu medicīniski nozīmīgu mikroorganismu. Tas ļauj ātri noteikt vajadzīgo mikroorganismu tieši pētāmajā materiālā, neidentificējot tīrkultūru, un tam ir augsta jutība (1 x 10 1 - 1 x 10 3 mikroorganismi uz 1 g materiāla). PCR ir atradusi plašu pielietojumu grūti kultivētu un lēni augošu mikroorganismu (vīrusu, hlamīdiju, riketsiju, mikoplazmu, spirohetu, mikobaktērijas) noteikšanai.

LF, FIU, PF. Nodarbība Nr.6

A. Pamati

Ģenētiskā materiāla organizācija baktērijās.

Baktēriju iedzimtā informācija tiek glabāta DNS, kas prokariotu šūnā ir cirkulāri noslēgta, divpavedienu, superspirēta un ir attēlota ar divu veidu molekulām: lielo - nukleoīdu, kurā tiek kodētas dzīvības pazīmes, un mazās - iedzimtības ekstrahromosomālie faktori (plazmīdas, transpozoni, IS sekvences un mēreni bakteriofāgi), kuros tiek iekodēti papildu raksturlielumi.

Iedzimtības ekstrahromosomālie faktori un to integrācija nukleoīdā.

Plazmīdas, tāpat kā nukleoīds, var pašreplicēties un tāpēc pieder pie autonomiem iedzimtības faktoriem (atšķirībā no citiem - neautonomiem, kas var replikēties tikai kā nukleoīda vai plazmīda daļa, turklāt plazmīdas, piemēram, mērenās fāgi, var integrēt nukleoīdā tikai homologos apgabalos, atšķirībā no transpozoniem un IS sekvencēm, kuras var integrēt nukleoīdā jebkurā no tā apgabaliem.

Plazmīdas.

Plazmīdas baktēriju šūnā veic divas iespējamās funkcijas: regulējošas (satur dažu nukleoīdu gēnu dublikātus) un kodē (nes gēnus, kas neatrodas nukleoīdā, tās var pastāvēt divos stāvokļos (autonomā, t.i., ārpus nukleoīda, un integrētas nukleoīdā). nukleoīds ), un atkarībā no tra-operona satura tajos - būt konjugatīviem (ja šis operons atrodas noteiktā plazmīdā) un nekonjugatīvs.

Tra operona funkcijas.

Tra operons nosaka konjugācijas procesa iespējamību (nosaka konjugatīvo pilu veidošanos un ģenētiskā materiāla vienpusējas pārneses procesu caur tiem: plazmīdu vai nukleoīda daļu).

F plazmīdas.

F-plazmīdas ir pats tra-operons, bez jebkādiem papildu gēniem, tās nosaka pārnesi pēc sevis konjugācijas, kā arī cita DNS molekula, kurā ir integrēta F-plazmīda (ja šī DNS molekula ir nekonjugējoša plazmīda, tad integrācijas F -plazmīda rezultātā tā kļūst par konjugāciju un tiek pārnesta caur konjugāciju pil ja tā ir DNS molekula - nukleoīds, tad konjugācijas laikā tiek pārnesta tās daļa, bet ne pati F-plazmīda).

Dažādu plazmīdas F stāvokļu veidošanās.

F-plazmīda no autonoma stāvokļa var nonākt stāvoklī, kas ir integrēts nukleoīdā (šajā gadījumā to sauc par Hfr faktoru), kā arī atgriezties autonomā stāvoklī (vai nu pilnībā saglabājot savu sastāvu, vai “apmainot” savu gala reģionu ar nukleoīds - pēdējā gadījumā šādu rekombinanto plazmīdu sauc par F' plazmīdu).

R-plazmīdas.

R-plazmīdas ir plazmīdas, kas nosaka baktēriju šūnas vairāku zāļu rezistenci (vai rezistenci, tātad arī nosaukumu) pret antibiotikām; tie sastāv no gēniem, kas nosaka šādu rezistenci (r-operons) un F-plazmīdu (ko šajā gadījumā sauc par RTF faktoru).

R-operona sastāvs.

Šis operons satur gēnus, kas nosaka rezistenci pret antibiotikām, un tajā var būt arī transpozons vai tā daļa – IS sekvence.

Baktēriju rezistences pret antibiotikām mehānismi, ko izraisa R-plazmīdu klātbūtne.

R-plazmīda var noteikt: baktēriju šūnas spēju inaktivēt antibiotiku, baktēriju šūnas spēju modificēt antibiotiku, pēdējai zaudējot savu antibakteriālo aktivitāti, baktēriju šūnas spēju samazināt šūnas sienas caurlaidību. uz noteiktu antibiotiku.

Bakteriocinogēnās plazmīdas (izmantojot E. coli kol-plazmīdas piemēru).

Bakteriocinogēnās plazmīdas nosaka antibiotikām līdzīgu vielu – bakteriocīnu – sintēzi; E. coli bakteriocinogēnās plazmīdas sauc par kolicinogēnām (tāpat kā citām baktērijām - pēc sugas nosaukuma) vai Col-plazmīdām, bet bakteriocīnus par kolicīniem (pēc tāda paša principa).

Kolicīnu īpašības.

Kolicīni ir olbaltumvielas, kas nogalina baktēriju šūnu, bet nelizē to.

Transposoni.

Transposoni ir nukleotīdu sekvences, kas ietver IS sekvences (kas nosaka transpozonu spēju mainīt savu atrašanās vietu DNS molekulā, kā arī "pārlēkt" no vienas DNS molekulas uz otru - tā sauktie "lecošie gēni"), gēni, kas nosaka. jebkura īpašība , kā arī īpašas termināla struktūras, pateicoties kurām transposoni var būt autonomā stāvoklī (jo, pateicoties šiem “lipīgajiem galiem”, tie noslēdzas gredzenā).

IS sekvences.

IS sekvences ietver tikai transpozīcijas gēnus, atšķirībā no transpozoniem, tie nevar būt autonomā stāvoklī.

Fāgu konversijas mehānismi.

Kad lizogenizācijas (t.i., integrācijas mērenā klimata bakteriofāga genomā) rezultātā baktērija iegūst papildu iezīmi, tas var būt saistīts ar trim iespējamiem mehānismiem: profāga gēna derepresija, attiecīgā gēna ievadīšana ar defektu. fāgs, vai “klusā” gēna aktivizēšana, jo promotora profāgs ir bojāts tā promotors.

Modifikācijas baktērijās.

Modifikācijas ir baktēriju fenotipiskā mainīgums.

Mutācijas baktērijās.

Ar mutāciju mainīgumu baktērijās notiek izmaiņas DNS primārajā struktūrā, kas izpaužas kā jebkura raksturlieluma (vai raksturlielumu) iedzimts zudums vai izmaiņas; ar spontānām mutācijām nav zināmi faktori, kas tos izraisījuši (mutagēns) - visbiežāk spontānas mutācijas rodas DNS polimerāzes kļūdas rezultātā starp spontānām mutācijām, tiek izdalītas ievietošanas mutācijas, kas rodas integrācijas rezultātā ekstrahromosomu iedzimtības faktoru iekļaušana nukleoīdā; izraisītas mutācijas baktērijās eksperimentāli izraisa noteikta mutagēna darbība.

SR disociācijas.

SR-disociācija ir parādība, kad R-formas parādās tīrkultūrā, kas veido S-formas kolonijas; Saskaņā ar tās mehānismu SR disociācija ir ievietošanas mutācija, kas izraisa gēnu zudumu, kas kontrolē LPS polisaharīdu vienību sintēzi šūnas sienas ārējā membrānā.

Mutagēni.

Ar mutagēniem saprot ķīmiskas vielas vai fizikālus faktorus, kas izraisa DNS pirmsmutācijas izmaiņas, kas remonta enzīmu kļūdu rezultātā vai labošanas procesa laikā pārvēršas mutācijā.

Reparācijas baktērijās.

Šis termins attiecas uz bojātas DNS atjaunošanas procesu, ko veic baktēriju šūnas remonta sistēmu fermenti.

Rekombinācijas mainīgums baktērijās.

Rekombinācijas mainīgums tiek saprasts kā mainīgums, kas rodas donora šūnas DNS segmenta iekļaušanas rezultātā recipienta šūnas DNS; Baktērijās ir pieci ģenētisko rekombināciju veidi (t.i., pieci rekombinācijas mainīguma veidi): transformācija (ģenētiskā materiāla tieša pārnešana no donora uz recipienta šūnu), transdukcija (ģenētiskā materiāla pārnešana no donora uz recipienta šūnu, izmantojot defektīvi bakteriofāgi), konjugācija (ģenētiskā materiāla pārnešana no donora uz recipienta šūnu, izmantojot konjugācijas pili), lizogenizācija (kuras laikā recipienta šūnas genomā tiek ievadīts eksogēns ģenētiskais materiāls - mērenā fāga genomā), fāgu konversija (atšķiras no lizogenizācijas tikai tādā ziņā, ka mainās donoršūnas fenotips).

Gēnu inženierija medicīnas mikrobioloģijā.

Medicīnas mikrobioloģijā arvien vairāk tiek izmantotas gēnu inženierijas metodes, ar kuru palīdzību mikroorganismi tiek “spiesti” ražot medicīnas praksē nepieciešamās zāles (vakcīnas, hormonus, interferonus, citokīnus u.c.), ievadot savā genomā attiecīgo gēnu, t.i. rekombinantā celma iegūšana ar vēlamajām īpašībām, izmantojot “virzīto” rekombinācijas mainīgumu.

Mikrobioloģiskajā diagnostikā izmantotās ģenētiskās metodes.

Mūsdienu medicīnā arvien plašāk izplatās ģenētiskās mikrobioloģiskās diagnostikas metodes: guanīna un citozīna procentuālā daudzuma noteikšana baktēriju genomā, molekulārās hibridizācijas metode un īpaši polimerāzes ķēdes reakcija (PCR).

Molekulārās hibridizācijas metode.

Šo metodi izmanto, lai noteiktu dažādu DNS līdzības pakāpi (identificējot mikroorganismus, izolētā celma DNS tiek salīdzināta ar atsauces celma DNS).

Polimerāzes ķēdes reakcija.

PCR var veikt, lai sasniegtu trīs mērķus: noteikt specifisku mikroorganismu veidu patoloģiskajā materiālā, neizdalot tīrkultūru, identificēt izolētas mikroorganismu tīrkultūras, genotipizēt mikroorganismus, t.i. vienas sugas ģenētisko variantu noteikšana; PCR princips ir palielināt (pastiprināt) vēlamā gēna daudzumu pozitīvas reakcijas gadījumā vai šāda palielinājuma neesamības gadījumā negatīvas reakcijas gadījumā (t.i., tiek ekstrahēta DNS un, ja tā satur vēlamo gēns, tā daudzums reakcijas laikā strauji palielinās, ko nosaka, izmantojot elektroforēzi).

B. Lekciju kurss

B. Teorētiskais materiāls

11. Ģenētiskā materiāla organizācija baktērijās
11.2. Plazmīdas
11.3. F plazmīdas
11.4. R-plazmīdas
11.6. Transposoni
11.7. IS sekvences
12. Modifikācijas, mutācijas un labojumi baktērijās
12.1. Modifikācijas baktērijās
12.2. Mutācijas baktērijās
12.3. SR disociācija
12.4. Mutagēni
12.5. Reparācijas
13. Ģenētiskās rekombinācijas baktērijās, gēnu inženierija medicīnas mikrobioloģijā
13.1. Ģenētiskās rekombinācijas veidi baktērijās
13.2. Gēnu inženierija medicīnas mikrobioloģijā
14. Ģenētisko metožu pielietošana mikrobioloģiskajā diagnostikā
14.1. Molekulārās hibridizācijas metode
14.2. Polimerāzes ķēdes reakcija

ĢENĒTISKĀ MATERIĀLA ORGANIZĀCIJA BAKTĒRIJĀS

11.1. Baktēriju šūnas ģenētiskā materiāla organizācijas vispārējā shēma

Ģenētiskā materiāla organizācija baktērijās balstās uz principu, kas kopīgs visām Zemes formām. Tāpēc šis materiāls ir sniegts, ņemot vērā studentu zināšanas vispārējā ģenētikas kursā: tiek apskatītas tikai tās ģenētiskās pazīmes, kas raksturīgas prokariotu šūnai. Baktēriju iedzimtā informācija, tāpat kā visas šūnu dzīvības formas (atšķirībā no vīrusiem), tiek glabāta DNS (11.1.-1. att.), ko prokariotu šūnā attēlo divu veidu molekulas.

Rīsi. 11.1-1. DNS struktūras diagramma

A. Ir iekodētas dzīvības pazīmes, bez kurām nevar pastāvēt baktēriju šūna nukleoīds(skatīt apakšpunktu 4.2).

B. Nedzīvības pazīmes tiek kodētas baktērijās laikā iedzimtības ekstrahromosomālie faktori: plazmīdas, transpozoni, IS sekvences un mērenas bakteriofāgi. Bez šīm īpašībām baktēriju šūna var pastāvēt normālos apstākļos, bet papildu īpašības, kas iekodētas iedzimtības ekstrahromosomālajos faktoros, dod vairākām populācijas šūnām papildu iespējas izdzīvot, mainoties vides apstākļiem un, palielinot populācijas neviendabīgumu, uzlabo pēdējo adaptīvās spējas. Piemēram, rezistences pret penicilīnu pazīme normālos apstākļos nav nepieciešama un neietekmē baktērijas šūnas dzīvotspēju, taču, šai antibiotikai parādoties ārējā vidē, izdzīvot var tikai tās baktērijas, kurām ir attiecīgo pazīmi kodējoša plazmīda. Un tikai tās baktēriju populācijas, kurās ir šūnas ar atbilstošo plazmīdu, var izdzīvot penicilīna klātbūtnē.

1. Atbilstoši spējai pašreplicēties iedzimtības ekstrahromosomālie faktori ir sadalīti divās grupās: autonomie un neautonomie.

A. Autonoms Ekstrahromosomu iedzimtības faktori baktērijās ir plazmīdas. Tas nozīmē, ka viņi spēj replicēties neatkarīgi, kam ir savs atbilstošs operons.

b. Neautonoms Baktēriju iedzimtības ekstrahromosomālie faktori ir transpozoni, IS sekvences un mēreni fāgi. Ja viņiem nav sava operona, kas nodrošina replikāciju, viņi var replikēties tikai DNS molekulā, kurā ir šāds operons - vai nu nukleoīdā, vai plazmīdā.

2. Visus ekstrahromosomālos iedzimtības faktorus baktērijās var integrēt nukleoīdā (un attiecīgi atstāt tā sastāvu). Atkarībā no ievietošanas vietas nukleoīdā Arī iedzimtības ekstrahromosomālie faktori tiek iedalīti divās grupās.

A. Tikai homologos reģionos var tikt integrēts plazmīdu un mērenu bakteriofāgu nukleoīdā. Tas nozīmē, ka konkrētai plazmīdai un noteiktam mērenā klimata bakteriofāgam nukleoīdā ir tikai viena vieta, kur šī konkrētā plazmīda vai šis konkrētais bakteriofāgs var būt iekļauts nukleoīdā.

b. Jebkurā jomā var integrēt nukleoīdā ar transpozoniem un IS sekvencēm.

11.2. Plazmīdas

Plazmīdas ir ekstrahromosomāli autonomi baktēriju iedzimtības faktori.

A. Plazmīdas, tāpat kā citi baktēriju iedzimtības ekstrahromosomālie faktori, palielina baktēriju populācijas ģenētisko neviendabīgumu. To var uzskatīt par to galveno funkciju, ko viņi veic kopā ar transposoniem, IS sekvencēm un mēreniem bakteriofāgiem. Konkrēti, plazmīdas ir izolētas divas funkcijas: regulējums un kodēšana.

1. Plazmīdas var pārnēsāt tos pašus gēnus, kas atrodas nukleoīdā. Ja kāds no šiem nukleoīdu gēniem kāda iemesla dēļ apklusīs, ieslēgsies identiski plazmīdu gēni - vēlamā īpašība joprojām būs klātesoša baktērijas šūnas fenotipā. Šo plazmīdu funkciju sauc regulējošas.

2. Kodēšana plazmīdu funkcija ir tāda, ka tās var saturēt gēnus, kuru baktēriju hromosomā nav (t.i., nukleoīdu). Faktiski šī plazmīdu funkcija sakrīt ar visu ārpushromosomu iedzimtības faktoru vispārējo funkciju - palielināt populācijas genotipa neviendabīgumu.

B. Tāpat kā lielākā daļa citu ārpushromosomu iedzimtības faktoru, plazmīdas var pastāvēt baktēriju šūnā divos štatos.

1. Ja plazmīda atrodas ārpus nukleoīda, citoplazmā, tiek teikts, ka autonoms stāvoklis (nejaukt ar jēdzienu “autonomais iedzimtības faktors”).

2. Nukleoīdā iekļautā plazmīda atrodas iekšā integrēta stāvokli.

B. Atkarībā no tra operona saturs(par ko sīkāk tiks runāts tālāk) plazmīdas arī iedala divās grupās.

1. Plazmdas, kas satur tra operonu, sauc konjugatīvs, jo šādas plazmīdas konjugācijas procesā var izraisīt ģenētiskā materiāla pārnešanu no donora šūnas uz recipienta šūnu (skatīt 13.1. sadaļu).

A. Tra operons nosaka veidojumu konjugatīvi pili.

b. Turklāt tra operons nosaka notikumu ķēdi, ko sauc mobilizācija pārcelšanai. Šajā gadījumā vispirms atritinās divpavedienu DNS daļa, pēc tam viena no tās ķēdēm caur konjugatīvo pili nonāk citā, saņēmējā, baktēriju šūnā, kur komplementārā otrā virkne jau ir pabeigta. Tādējādi konjugācijas laikā donora šūna nezaudē ģenētisko materiālu, bet recipienta šūna to iegūst (neskatoties uz konjugācijas definīcijas šķietamo nozīmi kā “ģenētiskā materiāla pārnešana no donora uz recipienta šūnu, izmantojot konjugatīvo pili).

1 . Tra operons var mobilizēt sevi pārsūtīšanai konjugatīvā plazmīda(kā tas notiek pārnešanas gadījumā F+ plazmīdas konjugācijas laikā, skatīt 11.3. sadaļu).

2 . Tra operons var piesaistīt citu, nekonjugatīvu, plazmīdu pārnešanai (kā tas notiek pārneses gadījumā RTF plazmīdas konjugācijas laikā, skatīt 11.4. sadaļu).

3 . Tra operons var mobilizēt donora šūnas nukleoīda reģionu pārnešanai (kā tas notiek konjugācijas laikā, ko izraisa Hfr plazmīda, skatīt 11.3. sadaļu).

2. Plazmdas, kas nenes tra operonu, sauc attiecgi nekonjugatīva, jo nespēj noteikt konjugācijas procesu.

D. Plazmīdas iedala divās grupās un atkarībā no to replikācijas kontroles pakāpes no nukleoīdu puses.

1. Tiek atrastas lielas plazmīdas (t.i., tās ar relatīvi lielu molekulmasu). stingrā kontrolē no nukleoīda puses virs tās replikācijas. Nukleoīds “pieļauj” viņiem, kā likums, tikai vienu “papildu” sadalījumu. Attiecīgi šādas plazmīdas šūnā ir atrodamas vienā vai divās kopijās.

2. Tiek atrastas mazas plazmīdas (t.i., ar relatīvi zemu molekulmasu). vājā kontrolē no nukleoīdu puses virs to replikācijas un var dalīties daudz biežāk nekā tā - tāpēc baktēriju šūnā vienlaikus var atrasties līdz 30 šādu plazmīdu kopijām.

D. Visbeidzot, plazmīdas tiek klasificētas nesaderības grupas. Fakts ir tāds, ka saistītās plazmīdas nevar vienlaikus atrasties vienā un tajā pašā baktēriju šūnā, jo ja viens no tiem jau tajā atrodas, tad otrs vairs nespēs tajā iekļūt (šo parādību sauc imunitāte pret superinfekciju un attiecas arī uz vīrusu saistību ar jutīgu šūnu). Rezultātā plazmīdas, kas ir saistītas viena ar otru un nav saderīgas vienā šūnā, veido vienu nesaderības grupu. Pašlaik starp plazmīdām ir vairāk nekā divdesmit šādas nesaderības grupas.

11.3. F plazmīdas

F plazmīdas pārstāv pašu tra operonu bez papildu gēniem. Šo plazmīdu sauc arī par dzimuma faktors vai auglības faktors (tātad nosaukums), jo F-plazmīdas klātbūtne pārvērš šūnu par iespējamu ģenētiskā materiāla donoru konjugācijas laikā (t.i., par "vīriešu" šūnu), attiecīgi šūna, kurai trūkst F-plazmīdas, ir potenciāls ģenētiskā materiāla saņēmējs konjugācijas laikā (“sieviešu” šūna). Saņēmēja šūna, konjugācijas laikā saņēmusi F-plazmīdu, tādējādi pārvēršas no sievietes par vīrieti (t.i., notiek “dzimuma maiņa”).

A. F-plazmīdu, kas atrodas integrētā stāvoklī, sauc Hfr plazmīdas(augsts rekombinācijas biežums – augsts rekombinācijas biežums). Ja donora šūna konjugācijas laikā satur Hfr faktoru, tad konjugācijas laikā šī faktora piesaistes vietā pārtrūkst nukleoīdu ķēde un DNS gals, kas ir pretējs Hfr faktora atrašanās vietai, sāk iekļūt konjugācijas tiltā. Tā kā konjugācijas tilts nav stabils, kontakts starp šūnām konjugācijas laikā ir īslaicīgs, un visai nukleoīda DNS ķēdei vienkārši nav laika, lai iekļūtu saņēmēja šūnā. Līdz ar to pats Hfr faktors šāda veida konjugācijā netiek pārnests (dzimuma maiņa nenotiek), un nukleoīda fragments tiek ievadīts saņēmēja šūnā ar augstu frekvenci (jo konjugācija parasti notiek starp vienas sugas šūnām ) rekombinējas ar recipienta šūnas hromosomu .

B. F-plazmīda, būdams autonomā stāvoklī, pats konjugācijas laikā nonāk recipienta šūnā. Šajā gadījumā recipienta šūna no “sieviešu” pārvēršas par “vīrišķo” (t.i., notiek dzimuma maiņa), bet recipienta šūnā ievadītais ģenētiskais materiāls, ko pārstāv plazmīdas gēni, reti rekombinējas ar baktēriju hromosomu, jo tas ir saistībā ar hromosomu ģenētisko materiālu salīdzinoši zema homoloģijas pakāpe.

B. Dzimuma faktors var pāriet no autonoma stāvokļa uz integrācijas stāvokli un no integrācijas stāvokļa uz autonomu. Pēdējo procesu var pavadīt blakus esošo plazmīdas un nukleotīda daļu apmaiņa, kā rezultātā autonomā stāvoklī nonākusī plazmīda būs rekombinācija - tajā būs nukleoīda fragments, atstājot savu fragmentu tā vietā. Šī plazmīda ir apzīmēta kā F'-plazmīda. Ja donora šūna konjugācijas laikā pārnēsā F'-plazmīdu, tad tā nonāk recipienta šūnā, izraisot “dzimuma maiņu” pēdējā, bet tajā pašā laikā izraisot augstu rekombinācijas biežumu (iekļautā nukleoīda fragmenta dēļ) . Iepriekš aprakstītā dažādu F-plazmīda stāvokļu veidošanās ir parādīta attēlā. 11-3-1.

11.4. R-plazmīdas

R-plazmīdas ir plazmīdas, kas nosaka baktēriju šūnas vairāku zāļu rezistenci (vai rezistenci, tātad arī nosaukumu) pret antibakteriālām vielām (galvenokārt antibiotikām).

A. R-plazmīdas sastāvs nosaka divu galveno operonu klātbūtne. Tāpēc šī plazmīda var būt divās formās.

1. Ja R-plazmīda satur tra-operonu, tad šajā gadījumā R-plazmīda ir konjugatīvs. Tra operonu šajā plazmīdā sauc par RTF faktoru (rezistences pārneses faktoru). Gēni, kas nosaka rezistenci pret antibiotikām, veido tā saukto r-operonu (precīzāk, rezistenci pret katru antibiotiku nosaka atsevišķs r-operons - t.i., R-plazmīda ietver vairākus r-operonus), kas savukārt , var pastāvēt arī kā neatkarīga plazmīda. Citiem vārdiem sakot, konjugatīvā R plazmīda sastāv no divām plazmīdām: RTF faktora un r faktora (ko var saprast kā mazākas r plazmīdas iekļaušanu lielākā RTF plazmīdā).

2. Nekonjugatīvašīs plazmīdas forma sastāv tikai no r-operona(iem).

B. Iekļauts r-operonā var ietvert daudzus gēnus.

1. Pirmkārt, tie ir gēni, kas nosaka specifisku enzīmu sintēze.

A. Tie varētu būt fermenti inaktivējoša antibiotika.

b. Vai fermenti antibiotikas modificējošas. Šajā gadījumā modificētā antibiotika (piemēram, fosforilēta) zaudē savu antibakteriālo aktivitāti.

V. Visbeidzot, tie var būt fermenti, kas samazina šūnu sieniņu caurlaidību uz šo antibiotiku, kā rezultātā tā nevar iekļūt baktērijas šūnā un “nonākt” līdz savas darbības mērķim (piemēram, ribosomām, lai šeit bloķētu proteīnu sintēzi).

2. Un, otrkārt, r-operons var saturēt veselumu transposons vai daļa no tā - IS secība(skatīt zemāk).

B. No r-operona sastāva kļūst skaidrs galvenie baktēriju rezistences pret antibiotikām mehānismi, ko izraisa R-plazmīdu klātbūtne. Tās ir trīs.

1. R-plazmīda var noteikt baktēriju šūnas spēju deaktivizē antibiotiku.

2. Vai arī R-plazmīda šādā veidā var noteikt baktēriju šūnas spēju mainīt antibiotiku ka rezultātā tā zaudēs savu antibakteriālo aktivitāti.

3. Un visbeidzot, R-plazmīda var noteikt samazināta šūnu sienas caurlaidība pret noteiktu antibiotiku un tādējādi liegt viņam pieeju savas darbības mērķim.

D. R-plazmīda ne vienmēr pārraidīts caur konjugāciju.

1. Grampozitīvās baktērijās R-plazmīda visbiežāk tiek pārnesta caur transdukcija.

2. Caur konjugācija R plazmīdu visbiežāk pārnēsā gramnegatīvās baktērijas.

11.5. Bakteriocinogēnās plazmīdas (izmantojot E. coli Col-plazmīdas piemēru)

Bakteriocinogēnās plazmīdas ir raksturīgas gandrīz visiem baktēriju veidiem. Tie nosaka antibiotikām līdzīgu vielu – bakteriocīnu – sintēzi. Mēs aplūkosim šīs plazmīdas, kā piemēru izmantojot Escherichia coli. Tās bakteriocinogēnās plazmīdas sauc par kolicinogēnām (tāpat kā citas baktērijas - pēc sugas nosaukuma) vai Col-plazmīdām (lielākā kolicinogēno plazmīdu grupa), bet bakteriocīnus sauc par kolicīniem (pēc tāda paša principa).

A. Col plazmīda sastāvs nosaka divu galveno operonu klātbūtne.

1. Šī plazmīda satur, pirmkārt, gēnus, kas nosaka sintēzi kolikīni.

A. Kolicīni ir vāveres.

b. Ir vairāk nekā 25 veidi kolicīns.

V. Kolicīns nestrādā uz šūnu, kurā ir identiska tipa kolicinogēna plazmīda.

d. Kolicīni nogalina baktēriju šūnu, bet nelizē tas novērš toksisku šūnu sabrukšanas produktu parādīšanos izdzīvojušo baktēriju dzīvotnē.

2. Un, otrkārt, Col plazmīda satur tra operons. Attiecīgi tas attiecas uz konjugatīvām plazmīdām.

B. Col plazmīda atšķiras no citām plazmīdām vairākos tai raksturīgos veidos funkcijas.

1. Atšķirībā no citām konjugatīvām plazmīdām, Col plazmīda reti integrējas nukleoīdā. Lai gan visas konjugatīvās plazmīdas pēc definīcijas spēj to izdarīt, pretējā gadījumā tās nespētu mobilizēt baktēriju hromosomas reģionu pārnesei (sk. 11.3.A sadaļu).

2. Col plazmīda parasti ir represēts, t.i. informācija no tā netiek noņemta. Tie. tā noteiktā īpašība normālos apstākļos šūnai nav vajadzīga.

3. Kad šī īpašība kļūst pieprasīta un Col plazmīda tiek derepresēta, baktēriju šūna sintezē kolicīnus un iet bojā. Citiem vārdiem sakot, Col plazmīda ir potenciāli letāls.

IN. Nozīme Col plazmīdas var aplūkot no divām perspektīvām.

1. Bioloģiskā Col plazmīdas nozīme ir tāda, ka tā palīdz sasniegt populācijas retināšanu, ja trūkst barības vielu substrāta. Tas notiek saskaņā ar šādu shēmu (11.5-1. att.).

A. Populācija satur šūnas ar dažāda veida Col plazmīdu (attēlā atzīmētas dažādās krāsās). Kad barības vide ir izsmelta, Col plazmīda vienā no šūnām tiek derepresēta, šī šūna sintezē atbilstošo kolicīna veidu un iet bojā.

b. Kolicīni iedarbojas tikai uz tām šūnām, kuras nesatur Col plazmīdu, kas nosaka šī konkrētā tipa kolicīnu sintēzi. Attiecīgi šūnas, kas satur Col plazmīdu, kas nosaka šāda veida kolicīnu sintēzi, paliek dzīvas.

V. Taču citas populācijas šūnas, kas pārnēsā cita veida Col plazmīdas, iet bojā, populācija noplicinās (“ēdāju ir mazāk”) un rezultātā var paildzināt savu dzīvi noplicinātā vidē.

2. Medicīnas Col-plazmīdas plazmīdas nozīme ir tāda, ka ar tās palīdzību E. coli, kas parasti apdzīvo cilvēka zarnas, regulē normālu mikrobiocenozi - mikroorganismu kopumu, kas mīt vesela cilvēka zarnās, jo kolikīni iedarbojas ne tikai uz savu sugu, bet arī citu zarnu grupas baktēriju sugu šūnām.

11.6. Transposoni

Transposonus, tāpat kā IS sekvences, bieži sauc par "lecošajiem gēniem". Pateicoties to spējai, atšķirībā no plazmīdām un mērenajiem fāgiem, integrēties DNS molekulā (nukleoīdā, plazmīdā vai mērenā fāgā) jebkurā, nevis tikai homologā reģionā, tie var mainīt savu lokalizācijas vietu DNS molekulā, kurā tie atrodas. ir integrēti. Turklāt viņi var arī “pārlēkt” no vienas DNS molekulas uz otru.

A. Transposoniem parasti tiek dota šāda informācija definīcija: tās ir nukleotīdu sekvences (no 2000 līdz 20 000 nukleotīdu pāriem), kas var mainīt savu atrašanās vietu DNS molekulā un migrēt no vienas DNS molekulas uz citu.

B. Baktēriju šūnā tās var atrasties divās štatos.

1. Transponons var atrasties integrēta nosacījums, t.i. jāintegrē replikonā (nukleoīdā vai plazmīdā) un attiecīgi jāreplicējas kā šī replikona daļa.

2. Transposons var atrasties baktēriju šūnā un iekšā autonoms stāvokli (t.i., ārpus replikona). Šajā gadījumā tas noslēdzas gredzenā, bet, nespējot pašreplicēties, šūnu dalīšanās laikā pāriet tikai vienā no diviem jaunizveidotajiem.

B. Transposons sastāv no no trim galvenajām daļām.

1. Tas satur īpašas gala konstrukcijas, kas atšķir transposonu no citiem DNS fragmentiem, kas atrodami baktēriju šūnā, un tādējādi ir šī konkrētā ekstrahromosomālā iedzimtības faktora marķieri.

2. Transposona spēju mainīt savu atrašanās vietu DNS molekulā un migrēt no vienas DNS molekulas uz otru nosaka speciālā transponēšanas gēni(patiesībā tās ir IS sekvences).

3. Turklāt transposonā ir gēni proteīnu sintēzes noteikšana, izraisot papildu īpašību klātbūtni baktēriju šūnā, kas satur šo transposonu.

A. Bieži vien šādi gēni nosaka baktēriju šūnas spēju sintezēt vienu vai otru proteīnu toksīns.

b. Ne retāk transposons nosaka ilgtspējībašūnas Uz jebkura antibiotika(tieši viens, atšķirībā no R-plazmīdas).

V. Retāk transposons nosaka to proteīnu sintēzi, kas nosaka citas pazīmes.

11.7. IS sekvences

IS sekvences (ievietotās sekvences) ir daļa no transposona, nodrošinot tā transponēšanas spēju.

A. IS sekvences parasti tiek dotas šādi definīcija: Tie ir nukleotīdu sekvenču (apmēram 1000 bāzes pāru) ievietojumi, kas spēj transponēt.

B. IS sekvences ir būtiskas atšķiras no transpozoniem.

1. Pirmkārt, viņi satur tikai transponēšanas gēnus.

2. Otrkārt, viņi nav atrasts brīvā stāvoklī.

B. IS sekvences veic trīs galvenās funkcijas.

1. Ar viņu palīdzību tiek veikta koordinācija ekstrahromosomu iedzimtības faktoru mijiedarbība savā starpā un ar baktēriju hromosomu, lai nodrošinātu to rekombināciju.

2. Turklāt viņi var veikt regulējošā funkcija(t.i., regulēt gēnu transkripciju, “ieslēgt/izslēdzot”).

3. Visbeidzot, IS sekvences var izraisīt mutācijas(inversijas, dublēšanās pa 5-9 nukleotīdu pāriem).

11.8. Fāgu konversijas mehānismi

Šeit pēc informācijas sniegšanas par bakteriofāgu un ekstrahromosomu iedzimtības faktoriem baktērijās, varam apkopot informāciju par fāgu konversijas mehānismiem (sk. 10.4.B.2. sadaļu), kad lizogenizācijas (t.i., integrācijas genomā) rezultātā. mērens bakteriofāgs), baktērija iegūst papildu zīmi.

A. Pirmkārt, šī parādība var būt saistīta ar profāga gēna derepresija, kā minēts iepriekš (sk. 10.4.B.2. sadaļu).

B. Otrkārt, papildu pazīmi var noteikt pēc donorbaktērijas genoma, ko recipienta baktērijas genomā ievada bojāts fāgs, kad specializēta transdukcija(Skatīt 10.4.B.2. sadaļu).

B. Treškārt, ja mērens bakteriofāgs ir integrējies netālu no kāda no gēniem bojātā promotora, tad šī disfunkcionālā promotora funkciju var “pārņemt” profāga promotors, atjaunojot tādējādi izteiksme recipienta baktērijas “klusais” gēns.

Saistītā informācija.

Baktērijas ir prokariotiski mikroorganismi, kuru ģenētisko materiālu galvenokārt pārstāv viena apļveida divpavedienu DNS, ko ģenētiķi sauc par hromosomu. Salīdzinoši retos gadījumos hromosomu attēlo lineāra DNS molekula.

Šīs DNS izmērs ir daudz lielāks nekā pašas baktērijas šūnas izmērs. Tā, piemēram, plkst E. coli hromosomu DNS garums ir 1300 µm (1,3 mm - 4,6 x 10 6 bp), un šūnas izmērs ir 1,1-1,5 x 2,0-6,0 µm. Turklāt DNS neaizpilda visu šūnu, bet atrodas tikai ierobežotā apgabalā, veidojot ļoti aptuveni vienu trešdaļu no šūnas tilpuma.

1. att. Baktērijas genoms un tā blīvēšanas līmeņu diagramma.

No tā izriet, ka DNS eksistē šūnā ļoti sakārtotā (kondensētā) stāvoklī kompaktas struktūras veidā. Šo struktūru, kas neskaidri atgādina eikariotu kodolus, sauc nukleoīds un ir redzama mikroskopā tikai pēc DNS specifiskiem traipiem (1. att.). Elektronu mikroskopā tas parādās kā veidojums, kas sastāv no daudzām cilpām, kas stiepjas no blīva centrālā reģiona. Liela skaita (līdz 140 vienā genomā) cilpu veidošanās sauc domēni, ir viens no DNS blīvēšanas līmeņiem. Katrs domēns ir noenkurots pie pamatnes ar RNS molekulu un sastāv no aptuveni 40 kb. DNS cilpas nav brīvi izstiepta dupleksa formā, bet tām ir otrais sablīvēšanās līmenis, pateicoties savienojumam ar HLP proteīniem, savērpjoties superspirālveida veidojumos.

Šie proteīni ir maza izmēra, ļoti bāziski un cieši saistās ar DNS. Aminoskābju sastāvā tie atgādina eikariotu histonus.

Nukleoīds nav atdalīts no citoplazmas ar kodola membrānu un ir pievienots mezosomas– specifiska citoplazmas membrānas invaginācija šūnā. DNS saistīšanās ar noteiktu membrānas reģionu ir nepieciešama genoma funkcionēšanai.

Baktēriju apļveida DNS molekula (hromosoma) ir pašreplicējoša ģenētiska molekula - replikons. Replikācija sākas ar replikācijas sākuma punkti (ori- oriģināls ) , lokalizēts, kā likums, DNS piesaistes vietā pie membrānas. No sākuma punkta replikācija notiek secīgi, divvirzienu, izmantojot daļēji konservatīvu mehānismu. Replikācija beidzas plkst replikācijas beigu reģions (ter), kas atrodas apļveida DNS daļā pretī replikācijas sākumam (2. att.).

Rīsi. 3. DNS meitas kopiju izplatība un baktēriju šūnu dalīšanās.

Hromosomu skaits vienā baktēriju šūnā ir atkarīgs no attīstības stadijas un kultūras augšanas fizioloģiskajiem apstākļiem. Logaritmiskās augšanas stadijā E. coli uz 1 nukleoīdu ir 2,8 viena genoma DNS ekvivalenti, ko izraisa lēna divu meitas hromosomu segregācija vai jaunu DNS replikācijas ciklu atsākšana pat pirms šūnu dalīšanās (4. att.).

4. att. Hromosomu skaits šūnā stacionārā (A) un logaritmiskā (B) kultūras augšanas stadijā.

Dažās baktērijās šūnas parasti satur nevis vienu, bet vairākas hromosomas. Tie var veidot vienu vai vairākus nukleoīdus. Šūnā ir arī DNS satura atkarība no tās lieluma, lai gan tas nenozīmē atbilstošas ​​izmaiņas ģenētiskās informācijas apjomā.

Baktēriju DNS raksturo augsts gēnu blīvums (1 gēns uz 1 kb). Olbaltumvielas kodējošā DNS veido aptuveni 85-90% no visas DNS. Vidējais DNS sekvenču lielums starp gēniem ir tikai 110-125 bp. Nekodējošā baktēriju DNS veido mazāk nekā 1% un parasti atrodas transpozonu veidā. Tātad, celma DNS Escherichia coli K12 līnija MG 1655 atrada 41 dažādu transpozonu (IS) kopiju, kas ir iesaistīti plazmīdu ievietošanas un izslēgšanas procesos. Daudzi fāgi, lai gan nav pilnībā izslēgti no baktēriju genoma, atstāj dažus savus gēnus tur kā pēdas. Šīs paliekas, kas nespēj patstāvīgi kustēties un attīstīties, tiek sauktas par “slēptajiem” fāgiem.

Introni baktēriju genomos ir ārkārtīgi reti. Ir gēnu pārklāšanās gadījumi, kad viens gēns atrodas citā iekšpusē tajā pašā DNS virknē. Baktēriju genomus raksturo operoni: E. coli 27% no prognozētajām transkripcijas vienībām ir operoni.

Baktēriju šūna var saturēt citus replikonus, kas var pastāvēt atsevišķi no baktēriju hromosomas. Viņus sauc plazmīdas. Plazmīdas ir apļveida (dažās sugās lineāras) divpavedienu DNS molekulas ar dažādu izmēru no 1000 bp. līdz gandrīz trešdaļai no pašas baktēriju hromosomas lieluma. Plazmīdu skaits un diapazons baktēriju šūnās var atšķirties. Plazmīdu spektra atšķirības bieži tiek novērotas pat starp vienas un tās pašas baktēriju sugas dažādu celmu šūnām. Dažas plazmīdas var ievietot baktēriju hromosomā, veidojot daļu no baktēriju replikona, un tās var atkal izslēgt no tās, atjaunojot autonoma replikona formu. Šādas plazmīdas sauc epizodes.

Profāgus var iekļaut arī baktēriju ģenētiskajā materiālā.

Tēmas "Baktēriju augšanas novērtējums. Baktēriju sporulācija. Baktēriju ģenētika." satura rādītājs:
1. Baktēriju divfāžu augšana. Diauxia. Izaugsme bez sadalīšanas. Baktēriju augšanas novērtējums. Kvantitatīvs baktēriju augšanas novērtējums.
2. Baktēriju augšanu ietekmējošie faktori. Barotnes baktēriju augšanai. Vienkārši un sarežģīti kultūras mediji. Cietās un šķidrās barotnes.
3. Baktēriju augšanas temperatūra. Mezofilās baktērijas. Termofīlās baktērijas. Psihrofilās baktērijas. Baktēriju aerācija.
4. PH vērtība, kas nepieciešama baktēriju augšanai. Baktēriju pigmenti. Pigmentu veidi. Baktēriju pigmentu funkcijas.
5. Sporulācija ar baktērijām. Baktēriju sporas. Sporangijas. Endosporas. Eksosporas.
6. Baktēriju sporu morfoloģija. Baktēriju sporas struktūra. Baktēriju sporas uzbūve.
7. Baktēriju sporulācija. Sporulācijas stadijas baktērijās. Sporu atrašanās vieta baktērijās.
8. Baktēriju sporu dīgšana. Sporu aktivizēšana. Neaktīvās (nekultivējamās) baktēriju formas.

10. Baktēriju iedzimtības ekstrahromosomālie faktori. Baktēriju plazmīdas. Plazmīdu veidi. Baktēriju plazmīdu funkcijas.

Mūsdienās molekulāro bioloģiju var uzskatīt par prioritāru dabaszinātņu jomu. Tā ir cieši saistīta ar mikrobioloģiju un savā ziņā ir tās ideja, jo tā kā galvenos modeļus izmanto baktērijas un vīrusus, un viena no galvenajām molekulārās bioloģijas jomām ir molekulārā. ģenētika- ilgu laiku nebija nekas vairāk kā baktēriju un bakteriofāgu ģenētika.

Studē baktēriju ģenētika Tam ir arī neapšaubāma lietišķā interese, piemēram, attiecībā uz patogēno īpašību un zāļu rezistences pārnešanas mehānismu noteikšanu.

Baktērijas ir ērts modelis ģenētiskā izpēte. Tie atšķiras ar: genoma struktūras relatīvo vienkāršību, kas ļauj identificēt mutantus ar frekvenci 10 -9 un zemāku; haploīdija, izslēdzot dominējošā stāvokļa fenomenu; seksuālā diferenciācija donoru un recipienta šūnu veidā; atsevišķu un integrētu DNS fragmentu (plazmīdu, transpozonu utt.) klātbūtne; kultivēšanas vienkāršība un iespēja iegūt populācijas, kurās ir miljardiem mikrobu ķermeņu.

Tāpat kā citi organismi, gēnu kopums baktēriju šūnā ir genoms- nosaka tā īpašības un īpašības ( genotips). Baktēriju šūnu fenotips- baktērijas un vides mijiedarbības rezultāts - kontrolē arī genomu (jo pašas īpašības ir iekodētas baktēriju gēnos).

Baktēriju ģenētiskais materiāls

Baktēriju kodolstruktūras tiem ir raksturīga struktūra, kas tos atšķir no eikariotu šūnu kodoliem; tos veido tā sauktie hromatīna ķermeņi jeb nukleoīdi, kuriem nav apvalka un kas ietver gandrīz visu baktēriju DNS.

Kodolstruktūras var novērot zem fāzes kontrasta mikroskopa, kur tie parādās kā mazāk blīvi citoplazmas apgabali. Lai tos identificētu fiksētās uztriepes, tika ierosināta Feulgen-Rossenböck reakcija.

Baktēriju šūnu audzēšanā nukleoīdi aktīvi sadalās, to skaits dažkārt sasniedz 2-4.

Prokariotu genoms

U baktērijas parasti ir viens slēgts gredzena hromosoma, kas satur līdz 4000 atsevišķu gēnu, kas nepieciešami baktēriju vitālās aktivitātes un vairošanās uzturēšanai, tas ir, baktēriju šūna ir haploīda, un hromosomu dubultošanos parasti pavada tās dalīšanās.

Dažas sugas (piemēram, Brucella melitensis) stabili satur divu gredzenu hromosomas, citi (Leptospira interrogans) - viena apļveida hromosoma un viena liela plazmīda, citi - viena lineāra hromosoma (Streptomyces ambofaciens), tas ir, tiem ir sarežģīti genomi.

Baktēriju hromosoma satur līdz 5*10 6 bāzes pāriem. Salīdzinājumam: genoms cilvēks ir 2,9 * 10 9 bāzes pāri. Baktēriju hromosomas garums nesalocītā stāvoklī ir aptuveni 1 mm (Escherichia coli).

Dažas baktērijas satur ekstrahromosomu DNS molekulas ( plazmīdas) un transponējamos elementus (plazmīdu vai hromosomu).