БАКТЕРІАЛЬНА ГЕНЕТИКА: ОРГАНІЗАЦІЯ, МЕХАНІЗМИ, РЕГУЛЯЦІЯ, ПЕРЕДАЧА - БІОЛОГІЯ - 2025

У бактеріальних генетиками є вивченням основ генетичної інформації в клітинах бактерій. Це охоплює організацію генетичної інформації, як вона регулюється, як вона виражається, і як вона змінюється.

Перші експерименти з бактеріальної генетики були проведені в 19 столітті, в історичному контексті, в якому ще не було відомо, чи бактерії мали механізми для обміну генетичною інформацією, навіть не було відомо, чи володіють вони хромосомою.

Бактеріальна ДНК (Джерело: Average_prokaryote_cell-_en.svg: Mariana Ruiz Villarreal, LadyofHatsDifference_DNA_RNA-EN.svg: * Difference_DNA_RNA-DE.svg: Sponk (розмова) переклад: Sponk (розмова) похідна робота: Radio89 через Wikimedia Commons

Єдина справжня впевненість полягала в тому, що бактерії могли встановити стабільні лінії з різними фенотипами, принаймні для засвоєння різних харчових сполук, і що час від часу виникають нові форми, очевидно, завдяки генетичним мутаціям.

З великою невизначеністю, яка існувала щодо бактерій у той час, необхідно було експериментально відповісти на певні запитання щодо "бактеріальної генетики", особливо щоб зрозуміти, чи відповідають бактерії основні принципи спадковості.

Нарешті, у 1946 році Джошуа Ледерберг та Едвард Татум вирішили ці основні питання, використовуючи два штами бактерій Escherichia coli, штам А та штам B, кожен з яких має різні харчові потреби.

Клітини типу А і В не змогли виростати в мінімальному середовищі, оскільки обидві мали мутації, які заважали їм засвоювати поживні речовини із зазначеного середовища.

Однак, коли A і B протягом декількох годин змішувались і потім висівали на мінімальну плиту, на колонках з мінімальним середовищем з'явилося кілька колоній, тобто вони виростали.

Ці колонії походять з окремих клітин, які обмінюються генетичним матеріалом, і після обміну вони змогли експресувати генетичну інформацію у фенотипі і таким чином засвоїти поживні речовини з мінімального середовища.

Організація генетичної інформації

Вся генетична інформація, необхідна для життєдіяльності бактерії, знаходиться в межах «бактеріальної хромосоми», єдиної молекули дволанцюгової дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК).

Ця молекула ДНК розташована у круговій структурі, замкненій ковалентними зв’язками і утворює разом з деякими білками бактеріальну хромосому.

Бактерії, крім бактеріальної хромосоми, можуть мати екстрахромосомні фрагменти ДНК меншого розміру, але також структуровані закритим круговим способом. Ці молекули ДНК спільно називають "плазмідами" або "плазмідними ДНК".

Молекули ДНК плазміди використовуються бактеріями для обміну між ними дуже конкретної генетичної інформації.

Як правило, коли одна з бактеріальних клітин розвиває стійкість до антибіотика, вона може передавати цю резистентність іншим бактеріальним клітинам через плазміди.

Розміри молекули плазмідної ДНК у бактерій можуть змінюватись від 3 до 10 кілограмових основ, а у багатьох видів бактерій можна знайти сотні копій одного типу плазміди.

Склад і структура ДНК бактерій такі ж, як у всіх живих істот і у вірусів. Її структура складається з цукрового скелета, азотистих основ та фосфатних груп.

Повна карта бактеріальної хромосоми Escherichia coli була отримана в 1963 році. У ній детально розписано точне положення приблизно 100 генів, але сьогодні відомо, що хромосома E. coli містить понад 1000 генів і має 4,2 розміру. мільйон базових пар.

Механізми експресії генів

Механізм експресії генів у бактерій в чомусь схожий з процесом експресії генів, який відбувається у інших живих істот, а також залежить від процесів транскрипції та трансляції.

Інформація про гени транскрибується до молекули РНК і згодом до послідовності амінокислот, які складають білки. Цей процес - це те, що здійснює вираження інформації, що міститься в генотипі, та структури у фенотипі.

Транскрипція

При транскрипції фермент РНК-полімерази створює додатковий продукт до сегмента ДНК, який він використовує в якості матриці, але цей продукт - рибонуклеїнова кислота (РНК).

Ця молекула несе інформацію для синтезу білка, кодованого сегментом ДНК, вона є єдиною смугою і називається месенджерною РНК. РНК-полімераза бактерій відрізняється бактеріями та еукаріотичними організмами.

РНК-полімераза ідентифікує конкретну ділянку на ДНК (промотор), де вона зв'язується для ініціювання транскрипції. Одномовна молекула РНК може містити інформацію для більш ніж одного гена.

На відміну від еукаріотичних організмів, гени бактерій не мають «інтронів» у своїй послідовності, оскільки бактерії не мають ядра, яке відокремлює хромосому від інших елементів цитоплазми.

Переклад

Оскільки всі елементи "цитоплазми" в цитоплазмі бактеріальних клітин, новосинтезовані молекули РНК-месенджера можуть вступити в контакт з рибосомами і негайно розпочати синтез білка.

Це дозволяє бактеріям мати перевагу у реагуванні та пристосуванні до екстремальних змін навколишнього середовища.

У перекладі беруть участь рибосомальна РНК, переносна РНК та різні рибосомні білки. Рибосоми прокаріотичних клітин відрізняються за будовою та складом відносно рибосом еукаріотичних клітин.

Ці елементи "читають" у вигляді нуклеотидних триплетів (кодонів) інструкції, втілені в генетичному коді месенджерних молекул РНК, і в той же час вони збирають кожну з амінокислот, утворюючи поліпептид.

«Універсальність» генетичного коду дозволяє вченим використовувати трансляцію бактерій як важливий інструмент синтезу пептидів і білків з технологічними інтересами.

Регуляція експресії генів

Механізм, що контролює експресію генів у бактеріях, надзвичайно точний; це дозволяє їм точно регулювати кількість та терміни синтезу генних продуктів, так що вони відбуваються лише в разі необхідності.

Область бактеріального геному, яка об'єднує кілька генів, називається "опероном". Ця область активує або дезактивує її транскрипцію залежно від умов, в яких знаходиться бактерія.

Усі гени, що входять до складу одного і того ж оперона, координовано транскрибуються в месендійну РНК, яка містить багато генів (званих "полікістронною" РНК). Ці РНК перекладаються на рибосомах послідовно, одна за одною.

Оперони можуть регулюватися позитивно чи негативно. Гени перестають експресувати себе лише тоді, коли інгібіторні білки, звані репресорами, зв'язуються з певною послідовністю в їх структурі.

Конкретна послідовність гена називається "промотором", коли репресорний білок зв'язується з промотором, РНК-полімераза не може ініціювати транскрипцію відповідної генетичної послідовності.

З іншого боку, коли оперони регулюються вгору, транскрипція цього генетичного регіону не почнеться, поки не буде присутній білок-активатор, який зв'язується з певною послідовністю ДНК.

Вчені використовують цю "індуктивність" оперонів для збільшення або зменшення експресії генів певних регіонів, що цікавлять бактерії. Вводячи деякі субстрати, можна підвищити експресію ферментів, необхідних для метаболізму.

Перенесення гена

Бактерії, на відміну від еукаріотичних клітин, не передають свої гени шляхом статевого розмноження, натомість вони можуть це зробити трьома різними процесами: трансформацією, трансдукцією та кон'югацією.

Горизонтальний перенос генів у бактеріях (Джерело: 2013MMG320B через Wikimedia Commons)

Трансформація

В трансформації , деякі бактеріальні клітини в популяції стають «компетентні». Опинившись "компетентними", вони здатні отримувати екзогенну ДНК від інших бактерій, що знаходяться в позаклітинному середовищі.

Після включення ДНК у внутрішню клітину бактерії проводять процес комбінування генів, що містяться в їх хромосомі, з чужорідною ДНК, яка щойно включена в неї. Цей процес відомий як генетична рекомбінація.

Трандукція

При трансдукції бактерії включають ДНК інших бактерій у свою молекулу ДНК через віруси, які заражають бактерії (бактеріофаги). Це можна надати спеціалізованим або узагальненим способом.

При спеціалізованій трансдукції це відбувається, коли фаг, який раніше інфікував іншу бактерію, придбає свої гени під час інфекційного циклу.

Пізніше, заразивши нову бактерію та включивши її гени в хромосому нової зараженої бактерії, вона також включає в себе гени бактерії, яку раніше заразила.

Під час генералізованої трансдукції дефектні фагові частинки, які мають порожні капсиди, включають частину бактеріальної хромосоми під час вірусної реплікації, після того, як вони заражать іншу бактерію, вони можуть ввести гени, взяті з попередньої бактерії.

Кон'югація

У поєднанні бактерії обмінюються генетичним матеріалом однонаправленим шляхом, через фізичний контакт. Одна з бактерій виступає донором, а інша - реципієнтом. У цьому процесі бактерії-донори зазвичай дають молекулу ДНК плазміди бактеріям-реципієнтам.

Кон'югація в бактеріях характерна не для всіх видів, здатність до кон'югації надається за допомогою генів, які передаються через молекулу ДНК плазміди.

Список літератури

1. Браун, В. (1953). Бактеріальна генетика. Бактеріальна генетика.
2. Брок, ТД (1990). Виникнення бактеріальної генетики (№ 579: 575 BRO). Холодна весна гавань, Нью-Йорк: Лабораторна преса «Холодна весна».
3. Fry, JC, & Day, MJ (Ред.). (1990). Бактеріальна генетика в природних середовищах (с. 55-80). Лондон: Чапман і Холл.
4. Griffiths, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT, & Miller, JH (2005). Вступ до генетичного аналізу. Макміллан.
5. Лурія, SE (1947). Останні досягнення в галузі бактеріальної генетики. Бактеріологічні огляди, 11 (1), 1.