Бактериальный геном. 
Генетика

Наиболее полно исследована и продолжает оставаться излюбленным объектом молекулярной биологии бактерия кишечная палочка Escherichia coli.

Геном Е. coli представлен кольцевой двухцепочечной молекулой ДНК, которую называют хромосомой, или нуклеотидом, так как она не имеет оболочки, отделяющей ее от цитоплазмы. Геном Е. coli включает 3000 генов — 3,2×10⁶ н.п. Хромосома представляет собой самореплицирующуюся генетическую молекулу — репликой.

В клетках Е. coli могут содержаться и другие репликоны, способные существовать отдельно от бактериальной хромосомы. Это эписомы и плазмиды — кольцевые двухцепочечные молекулы ДНК размером от 10³ н. п. до почти трети величины самой бактериальной хромосомы.

Эписома — это генетический элемент, который может существовать либо как самостоятельный репликон, либо встраиваться в бактериальную хромосому и реплицироваться вместе с бактериальной хромосомой. Эписомой являются некоторые бактериофаги, которые при литической инфекции существуют как самостоятельные репликоны или как профаги могут составлять часть бактериального репликона. Некоторые эписомы инфекционны, поскольку их копии способны переходить из одной бактериальной клетки в другую, в которой эписом данного типа не было. Некоторые инфекционные эписомы содержат гены устойчивости к определенным антибиотикам. Бактерии, в которые попадает такой фактор устойчивости, становятся устойчивыми к данному антибиотику. Это создает серьезные проблемы для медицины, особенно опасна способность факторов устойчивости накапливать гены, обусловливающие устойчивость (резистентность) к нескольким (до 10) антибиотикам, и передавать ранее чувствительным бактериям множественную резистентность. Одна из наиболее интересных и тщательно изученных эписом получила название F-фактор (фактор фертильности), который определяет пол бактерий. У бактерий существует два половых типа, которые обозначаются символами F+ и F^-. Клетки F+ содержат F-фактор, тогда как в клетках F^- эта эписома отсутствует. Между клетками F+ и F^- происходит конъюгация. Конъюгация у бактерий — это процесс односторонней передачи генетической информации от F±клеток к F~-клеткам.

F-фактор содержит гены, которые обусловливают образование структур типа трубочек — пилей на поверхности F+ клеток. F-пили соединяются с соответствующими рецепторами F-клеток, в результате между F⁺— и F-клетками образуется цитоплазматический мостик. Клетка F+ выступает в роли оплодотворяющей — «мужской», клетка F^- — в роли «женской» — оплодотворяемой. F-фактор начинает реплицировать одну цепочку своей ДНК, которая по мостику проникает в F—клетку, где синтезируется вторая цепочка ДНК F-фактора. Клетка F* превращается в F+, F+ своего фактора не теряет (рис. 36). Клетки, в которых F-фактор встроен в бактериальную хромосому, получили название Hfr. Эти клетки инициируют синтез бактериальной хромосомы в виде одноцепочечной ДНК, через цитоплазматический мостик она переходит в F~ клетку, где достраивает вторую цепочку. ДНК реципиента и донора обмениваются ДНК по принципу кроссинговера. Переход ДНК начинается от встроенного в хромосому F-фактора. Это обстоятельство используют для картирования бактериальной хромосомы. Подбирают для конъюгации штаммы с разными фенотипами. Их смешивают в момент времени t = 0, а затем через определенные интервалы времени из смеси отбирают пробы и проверяют, какие новые признаки появились у реципиента (F^-). Весь F-фактор никогда в F^- не переходит. Так по минутам конъюгации от начала F-фактора до его окончания распределяют гены бактериальной хромосомы (рис. 37).

Рис. 36. Схематическое изображение механизма, с помощью которого ДНК F-фактора передается от F-1-клетки F-клетке в процессе репликации по типу катящегося кольца (по Ф. Айала, Дж. Крегеру, 1987).

Плазмиды не встраиваются в другие репликоны, а всегда существуют в форме свободных (автономных) репликонов. Большинство плазмид не покидают пределов бактериальной клетки. Они так же, как и эписомы, могут нести гены резистентности к антибиотикам, могут размножаться в пределах одной бактериальной клетки и используются в генной инженерии.

Рис. 37. Схема, иллюстрирующая полярность переноса Hfr-хромосомы в эксперименте с прерванной конъюгацией К рекомбинации с хромосомой F—клетки способны лишь те гены Hfr-хромосомы, которые к моменту прекращения конъюгации оказались и реципиентной F—клетке (по Ф. Айала, Дж. Крегеру, 1987).

Еще одной важной особенностью обладают бактерии: если в культуру, где растут живые бактериальные клетки, поместить отдельные гены, то они способны проникать в клетки и по принципу кроссинговера встраиваться в бактериальный геном. Обнаруживается это по изменению признака. Это явление переноса генетической информации у бактерий непосредственно через фрагменты ДНК получило название трансформация. Как правило, трансформируется один ген, но иногда несколько сцепленных.

Это явление было открыто в 1928 г. как изменение признаков у живых бактерий, культивируемых в среде, куда добавлены убитые нагреванием бактерии этого же вида с контрастным фенотипом. В 1944 г. было доказано, что трансформирующим фактором является ДНК. Это стало одним из важнейших доказательств того, что именно ДНК несет наследственную информацию. В 1970;е годы была показана возможность межвидовой трансформации. Оказалось, что клетки животных и человека в культуре тканей также могут включать в свой геном чужеродную меченую ДНК из среды, в которой они культивируются. Это явление получило название трансфекция, оно используется в генно-инженерных работах. И настоящую революцию в молекулярной генетике произвело открытие в 1970;е годы у бактерий ферментов, которые разрезают ДНК не в любом месте, а в строго определенных участках — сайтах. Эти ферменты получили название рестриктазы, а фрагменты разрезанной ими ДНК называют рестриками. Вернер Арбер, Даниэль Натане и Гамильтон Смит в 1978 г. за открытие ферментов рестрикции и работу по использованию этих ферментов в молекулярной генетике удостоены Нобелевской премии.

Рестриктазы используются бактериями для разрезания чужеродной ДНК, прежде всего вирусной, если попадающая в бактерию вирусная ДНК предварительно не успела защититься специальными биохимическими реакциями. Собственная ДНК бактерии защищена, поэтому рестриктазы ей не опасны.

Кроме того, что эти ферменты просто разрезают ДНК на фрагменты, многие из них еще и делают фрагменты с открытыми нуклеотидами (их называют липкими концами), к которым можно присоединять комплементарные липкие концы других фрагментов ДНК, разрезанных той же рестриктазой. Сейчас выделено около 400 разных рестриктаз, выявлены сайты их узнавания, что дает возможность делать множество реестрик ДНК, создавая банки геномов и генов разных организмов, а также соединять гены очень разных организмов.

Благодаря этому открытию возник прикладной раздел молекулярной биологии — генная инженерия.