Наследственность и генетические рекомбинации у бактерий

Преимущество микроорганизмов над другими организмами состоит, прежде всего, в высокой скорости размножения, гаплоидности и большой разрешающей способности методов генетического анализа этих организмов. Формирование на питательных средах многомиллиардных популяций бактерии в течение суток позволяет проводить быстрый и точный анализ происходящих в них количественных и качественных изменений. Сравнительная простота постановки эксперимента обусловливает эффективность селективного анализа микробной популяции и выделение единичных особей, мутировавших с частотой 10 и выше. Наконец, гаплоидность бактерий, имеющих в отличие от эукариотов одну хромосому, т. е. одну группу сцепления генов, обусловливает отсутствие у них явление доминантности, что способствует быстрому выявлению мутировавших генов.

Материальной основой наследственности, определяющей генетические свойства всех организмов, в том числе бактерий и вирусов, является хромосома, представляющая собой огромную молекулу ДНК в виде двойной спирали, замкнутой в кольцо. Она и является носителем генетической информации. Вдоль хромосомы линейно располагаются генифунхционально неоднородные генетические детерминанты, т. е. фрагменты молекулы ДНК", контролирующие синтез одного белка или пептида. Совокупность генов, локализованных в гаплоидном (одинарном) наборе хромосом данного организма, называется геномом или генотипом. В более широком смысле генотип — совокупность всех наследственных факторов организма, как ядерных (геном), так и неядерных, вне хромосомных (пластидные и цитоплазматические) наследственных факторов. Генотип — носитель наследственной информации, передаваемой от поколения к поколению. Он представляет собой систему, контролирующую фенотип организма. Фенотипом является внешний вид организма со всеми внешними и внутренними признаками. Фенотип бактерий есть результат взаимодействия ее генотипа и среды. Появление в организме новых наследственно передаваемых свойств может быт вызвано разными типами изменений в генетическом аппарате. Источником последовательной изменчивости могут быть мутации генов. Под мутацией понимают внезапные естественные (спонтанные) или вызванные искусственно (индуцированные) стойкие изменения наследственных структур (генов, хромосом), а также обусловленные ими различные изменения свойств и признаков организма. При этом в двойной спирали ДНК могут происходить следующие изменения:

• — замещение пары оснований, имевшихся в исходной молекуле ДНК другой парой;
• — выпадение пары оснований из молекулы ДНК;
• — внедрение новой пары оснований в молекулу ДНК;
• — инверсия — поворот нескольких пар оснований на 180 ° С.

Таким образом, в основе мутации лежат молекулярные изменения в хромосоме. Мутации у бактерий выявляются при наследственных изменениях любого признака микроба. Классифицируют мутации по происхождению, локализации на хромосоме клетки и другим признакам. Подобное деление носит условный характер. К спонтанным мутациям относят такие мутации, причину возникновения которых трудно и даже невозможно связать с действием определенного фактора (мутагена). Они образуются самопроизвольно в любой популяции микроорганизмов без видимого внешнего воздействия. Спонтанные мутанты образуются до воздействия селекционирующих факторов, которые лишь отбирают признаки, сформировавшиеся в популяции мутировавших бактериальных клеток. Так, например, антибиотикорезистентные клетки просуществуют в чувствительной бактериальной популяции, а не образуются в результате воздействия на нее соответствующего антибиотика. Последний только селекционирует резистентные особи, создавая условия для их размножения. Индуцирующие мутации возникают в результате обработки микроорганизмов мутагенными агентами (ультрафиолетовые и рентгеновые лучи, быстрые нейтроны и протоны, действие температуры, кислоты, щелочи, красители, соли металлов и др.).

Разные мутагены отличаются по активности и механизму действия. Одни вызывают изменения числа и структуры хромосом, другие изменяют последовательность азотистых оснований в молекуле ДНК.

Мутагены используются в селекции сельскохозяйственных растений и микроорганизмам с целью получения продуктивных и полезных форм.

Микроорганизмам, как и высшим организмам, свойственны генетические рекомбинации.

Рекомбинация — это перегруппировка генетического материала (ДНК) родительских генетических структур (хромосом, плазмид и др.), приводящая к появлению новых сочетаний генов у потомства. Основной механизм рекомбинации — кроссинговерперекрест хромосом, при котором происходит разрыв участков двух генетических структур, их обмен и воссоединение. У микроорганизмов рекомбинация осуществляется в результате обмена участками двух молекул ДНК, либо их фрагментом. Генетические рекомбинации возникают в результате комплексных процессов, они могут захватывать большие участки хромосомы или происходить в пределах отдельных генов. Существуют специальные гены, детерминирующие рекомбинационную способность клеток — реципиентов.

Передача генетического материала от одних бактерий к другим осуществляется путем трансформации, трансдукции и конъюгации.

Трансформация бактерий — передача наследственных свойств от одних бактерий к другим при помощи экстрагированной ДНК, без прямого контакта клеток донора и реципиента и без участия бактериофага. Явление трансформации установлено у многих бактерий (пневмококки, анаэробы и др.). История открытия феномена трансформации связана с исследованием Ф. Гриффитса (1928 г.), который описал превращение бескапсульного авирулентного пневмококка в капсульный вирулентный вариант. В процессе трансформации различают пять стадий:

• 1. Адсорбция трансформирующей ДНК на поверхности микробной клетки;
• 2. Проникновение ДНК в клетку реципиента;
• 3. Спаривание внедрившейся ДНК с хромосомными структурами клетки;
• 4. Включение участка ДНК клетки — донора хромосомной структурой реципиента.
• 5. Дальнейшее изменение нуклеоида в ходе последующих делений. Эффективность спаривания трансформирующих ДНК с гомологичным участком хромосомы реципиента зависит от гомологии ДНК донора и реципиента. Чем больше гомология, тем эффективнее спаривание, что определяет конечный результат трансформации, т. е. количество формирующихся рекомбинантов. Трансформировать могут признаки: устойчивость и чувствительность к антибиотикам, способность к синтезу ферментов и т. д. Как правило, при трансформации изменяется один какой-либо признак.