БАКТЕРИАЛЬНАЯ ГЕНЕТИКА: ОРГАНИЗАЦИЯ, МЕХАНИЗМЫ, РЕГУЛЯЦИЯ, ПЕРЕНОС - БИОЛОГИЯ - 2025

В бактериальных генетиками являются изучением основ генетической информации в клетках бактерий. Это включает организацию генетической информации, то, как она регулируется, как выражается и как изменяется.

Первые эксперименты по бактериальной генетике были проведены в 19 веке, в историческом контексте, когда еще не было известно, есть ли у бактерий механизмы для обмена генетической информацией, не было даже известно, обладают ли они хромосомой.

Бактериальная ДНК (Источник: Average_prokaryote_cell-_en.svg: Мариана Руис Вильярреал, LadyofHatsDifference_DNA_RNA-EN.svg: * Difference_DNA_RNA-DE.svg: Sponk (разговор) перевод: Sponk (разговор) производная работа: Radio89 через Wikimedia Commons)

Единственная реальная уверенность заключалась в том, что бактерии могли создавать стабильные линии с разными фенотипами, по крайней мере, для ассимиляции различных пищевых соединений, и что время от времени появлялись новые формы, очевидно, из-за генетических мутаций.

Ввиду большой неопределенности, существовавшей в то время в отношении бактерий, было необходимо ответить на некоторые вопросы о «бактериальной генетике» экспериментально, особенно для того, чтобы понять, соответствуют ли бактерии основным принципам наследственности.

Наконец, в 1946 году Джошуа Ледерберг и Эдвард Татум решили эти основные вопросы, используя два штамма бактерий Escherichia coli, штамм A и штамм B, каждый с разными требованиями к питанию.

Клетки типа A и B не могли расти в минимальной среде, так как оба имели мутации, которые не позволяли им усваивать питательные вещества из указанной среды.

Однако, когда A и B смешивали в течение нескольких часов и затем высевали на чашку с минимальной средой, на чашках с минимальной средой появлялось несколько колоний, т.е. они росли.

Эти колонии произошли от отдельных клеток, которые обменивались генетическим материалом и после обмена были способны выражать генетическую информацию в фенотипе и, таким образом, ассимилировать питательные вещества из минимальной среды.

Организация генетической информации

Вся генетическая информация, необходимая для жизни бактерии, находится в «бактериальной хромосоме», одной молекуле двухцепочечной дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК).

Эта молекула ДНК имеет круговую структуру, замкнутую ковалентными связями и вместе с некоторыми белками образует бактериальную хромосому.

Бактерии, помимо бактериальной хромосомы, могут обладать внехромосомными фрагментами ДНК меньшего размера, но также имеющими замкнутую кольцевую структуру. Эти молекулы ДНК все вместе называются «плазмидами» или «плазмидной ДНК».

Молекулы плазмидной ДНК используются бактериями для обмена очень конкретной генетической информацией между ними.

Обычно, когда одна из бактериальных клеток развивает устойчивость к антибиотику, она может передавать эту устойчивость другим бактериальным клеткам через плазмиды.

Размер молекулы плазмидной ДНК у бактерий может варьироваться от 3 до 10 килобайт, а у многих видов бактерий можно найти сотни копий плазмиды одного типа.

Состав и структура ДНК бактерий такие же, как ДНК всех живых существ и вирусов. Его структура состоит из сахарного скелета, азотистых оснований и фосфатных групп.

Полная карта бактериальной хромосомы Escherichia coli была получена в 1963 году. На ней подробно описано точное положение примерно 100 генов, но сегодня известно, что хромосома E. coli содержит более 1000 генов и имеет размер 4,2. миллионов пар оснований.

Механизмы экспрессии генов

Механизм экспрессии генов у бактерий в некоторых отношениях похож на процесс экспрессии генов, который происходит у других живых существ, а также зависит от процессов транскрипции и трансляции.

Информация генов транскрибируется в молекулу РНК, а затем в последовательность аминокислот, составляющих белки. Именно этот процесс осуществляет выражение информации, содержащейся в генотипе и структуре фенотипа.

транскрипция

При транскрипции фермент РНК-полимераза создает дополнительный продукт к сегменту ДНК, который он использует в качестве матрицы, но этим продуктом является рибонуклеиновая кислота (РНК).

Эта молекула несет информацию для синтеза белка, кодируемого сегментом ДНК, она представляет собой единую полосу и называется информационной РНК. РНК-полимераза бактерий различна у бактерий и у эукариотических организмов.

РНК-полимераза идентифицирует конкретный сайт на ДНК (промотор), где она связывается, чтобы инициировать транскрипцию. Одна молекула информационной РНК может содержать информацию для более чем одного гена.

В отличие от эукариотических организмов, гены бактерий не имеют «интронов» в своей последовательности, поскольку у бактерий нет ядра, отделяющего хромосому от других элементов цитоплазмы.

Перевод

Поскольку все элементы в цитоплазме бактериальной клетки «рыхлые», вновь синтезированные молекулы информационной РНК могут вступать в контакт с рибосомами и немедленно инициировать синтез белка.

Это позволяет бактериям иметь преимущество в реагировании и адаптации к экстремальным изменениям окружающей среды.

В трансляции участвуют рибосомная РНК, транспортная РНК и различные рибосомные белки. Рибосомы прокариотических клеток различаются по структуре и составу по сравнению с рибосомами эукариотических клеток.

Эти элементы «читают» в форме триплетов нуклеотидов (кодонов) инструкции, воплощенные в генетическом коде молекул матричной РНК, и в то же время они собирают каждую из аминокислот, чтобы сформировать полипептид.

«Универсальность» генетического кода позволяет ученым использовать трансляцию бактерий в качестве важного инструмента для синтеза пептидов и белков с технологическими интересами.

Регулирование экспрессии генов

Механизм, контролирующий экспрессию генов у бактерий, чрезвычайно точен; это позволяет им точно регулировать количество и время синтеза генных продуктов, чтобы они происходили только при необходимости.

Область бактериального генома, которая объединяет несколько генов, называется «опероном». Эта область активирует или деактивирует свою транскрипцию в зависимости от условий, в которых находится бактерия.

Все гены, которые являются частью одного и того же оперона, скоординированно транскрибируются в информационную РНК, содержащую множество генов (называемую «полицистронной» РНК). Эти РНК транслируются на рибосомах последовательно, одна за другой.

Опероны могут регулироваться как положительно, так и отрицательно. Гены перестают экспрессироваться только тогда, когда ингибирующие белки, называемые репрессорами, связываются с определенной последовательностью в их структуре.

Конкретная последовательность гена называется «промотором», когда белок-репрессор связан с промотором, РНК-полимераза не может инициировать транскрипцию рассматриваемой генетической последовательности.

С другой стороны, когда опероны активируются, транскрипция этой генетической области не начнется до тех пор, пока не появится активаторный белок, который связывается со специфической последовательностью ДНК.

Ученые используют эту «индуцируемость» оперонов для увеличения или уменьшения экспрессии генов определенных интересующих областей у бактерий. Путем введения некоторых субстратов можно увеличить экспрессию ферментов, необходимых для метаболизма.

Перенос генов

Бактерии, в отличие от эукариотических клеток, не передают свои гены посредством полового размножения; вместо этого они могут делать это с помощью трех различных процессов: трансформации, трансдукции и конъюгации.

Горизонтальный перенос генов в бактериях (Источник: 2013MMG320B через Wikimedia Commons)

преобразование

В трансформации , некоторые бактериальные клетки в популяции становятся «компетентны». Став «компетентными», они могут получать экзогенную ДНК от других бактерий, находящихся во внеклеточной среде.

После того, как ДНК была включена внутрь клетки, бактерии выполняют процесс объединения генов, содержащихся в их хромосомах, с чужеродной ДНК, которая только что была встроена в нее. Этот процесс известен как генетическая рекомбинация.

трансдукция

При трансдукции бактерии включают ДНК других бактерий в свою молекулу ДНК через вирусы, заражающие бактерии (бактериофаги). Это может быть дано в специализированном или обобщенном виде.

При специализированной трансдукции это происходит, когда фаг, ранее инфицировавший другую бактерию, приобретает свои гены во время инфекционного цикла.

Позже, заражая новую бактерию и встраивая ее гены в хромосому новой инфицированной бактерии, она также включает гены от бактерии, которую она ранее заразила.

Во время генерализованной трансдукции дефектные фаговые частицы, у которых есть пустые капсиды, включают часть бактериальной хромосомы во время репликации вируса, а затем, как только они заразят другую бактерию, они могут ввести гены, взятые от предыдущей бактерии.

конъюгация

В процессе конъюгации бактерии однонаправленно обмениваются генетическим материалом посредством физического контакта. Одна из бактерий действует как донор, а другая - как реципиент. В этом процессе бактерии-доноры обычно отдают молекулу плазмидной ДНК бактериям-реципиентам.

Конъюгация у бактерий характерна не для всех видов; способность к конъюгации обеспечивается генами, которые передаются через молекулу плазмидной ДНК.

Ссылки

1. Браун, В. (1953). Бактериальная генетика. Бактериальная генетика.
2. Брок, Т.Д. (1990). Возникновение бактериальной генетики (№ 579: 575 BRO). Колд-Спринг-Харбор, Нью-Йорк: Лаборатория Колд-Спринг-Харбор.
3. Фрай, JC, и Дэй, MJ (ред.). (1990). Бактериальная генетика в естественной среде (стр. 55-80). Лондон: Чепмен и Холл.
4. Гриффитс, А.Дж., Весслер, С.Р., Левонтин, Р.С., Гелбарт, В.М., Сузуки, Д.Т., и Миллер, Дж. Введение в генетический анализ. Macmillan.
5. Лурия, С.Е. (1947). Последние достижения бактериальной генетики. Бактериологические обзоры, 11 (1), 1.