Молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (или ДНК) обычно представляют собой макромолекулы, и они обязательно присутствуют в клетках как многоклеточных, так и одноклеточных организмов.
Прежде всего, они содержатся в хромосомах, которые находятся в клеточном ядре. Но ДНК не всегда присутствует исключительно в виде хромосом внутри клеточного ядра. ДНК может быть представлена и в форме плазмид.
Размеры этих молекул значительно меньше в сравнении с макромолекулами ДНК, но особенность этих молекул не только в этом.
Плазмиды существуют в отдельности от хромосом, и они способны осуществлять самостоятельную репликацию (или воспроизводить дочерние молекулы, проще говоря, размножаться). Плазмиды, тем не менее, не встречаются у животных, но они есть в бактериях, отдельных археях и в эукариотических клетках, коими обладают высшие растения и грибы.
Плазмиды обычно представлены в виде двухцепочечных (как ДНК) кольцевых молекул, а размеры варьируются от нескольких сотен спаренных азотистых оснований (п.о.) до 400 тысяч пар оснований, а то и 600 тысяч п.о.
В клетках могут быть как одна-две копии, так и десятки копий плазмид. В одной клетке возможно сосуществование плазмид разных классов.
Учёными выяснено, что плазмиды способны осуществлять репликацию, но они не являются живыми организмами.
Функции плазмид
Главной функциональной особенностью плазмид является то, что в них содержатся особые гены, отвечающие за улучшение показателей приспособленности бактерий к внешним воздействиям и раздражителям.
А ещё плазмиды могут передаваться от одних бактерий к другим (при условии, что эти самые другие “бактерии-реципиенты” были того же вида, того же рода и того же семейства, что и “бактерии-доноры”), и более того, могут передаваться из клеток бактерий в клетки растений, и наоборот.
Содержащиеся в хромосомах макромолекулы ДНК на такое не способны. Таким образом подтверждается механизм горизонтального переноса генов.
Если проще, то посредством молекул плазмид может передаваться генетическая информация организму, не являющемуся потомком “материнского”. Наследственная передача генетической информации, соответственно, является вертикальным переносом генов.
И такой механизм передачи генов используется учёными-генетиками и применяется, к примеру, в генной инженерии, но об этом будет упомянуто ниже.
Плазмиды могут попасть в другую клетку двумя способами.
Первый способ заключается в том, что “материнская” клетка напрямую вступает в контакт с другой клеткой, после чего происходит однонаправленный перенос плазмид, содержащих в себе генетический материал; этот процесс называется конъюгацией. Второй способ заключается в захвате и поглощении экзогенных (то есть, существующих во внешней среде) молекул ДНК, и это называется трансформацией.
Если подытожить, то можно заключить, что плазмиды в ходе попадания из одной клетки в другую в результате конъюгации осуществляют одну из главных своих функций: горизонтально переносят генетическую информацию из клетки в клетку. Но это не единственная функция плазмид. Эти молекулы осуществляют синтез одних элементов и веществ и расщепление других.
Так, плазмиды синтезируют патогенные для отдельных бактерий и клеток вещества, такие как гемолизины (или гемотоксины), которые повреждают оболочку эритроцитов и приводят тем самым к их гемолизу (то есть, разрушению). Ещё плазмиды осуществляют синтез энтеротоксинов, вызывающих, к примеру, пищевое отравление у животных.
Результатом деятельности плазмид становится появление смертельных для других бактерий белков, они также создают антигены, заставляющие бактерии скапливаться в результате адгезии на поверхности клеток в организмах животных (включая человека). Что же касается расщепления, то плазмиды способны разрушать некоторые другие соединения, такие как камфоры, салициловая кислота, ксилолы.
Ещё одной особенностью плазмид является стойкость к воздействию ультрафиолетового излучения, а также тяжёлых металлов и антибиотиков. Поэтому нередко бактерии с плазмидами оказываются патогенными для организма человека.
Строение плазмид
Обыкновенная плазмида, способная к размножению, включает в себя ряд элементов.
К таковым относят: точку начала репликации (указывается как ori), структурные гены репликации (rep), локус (точку расположения конкретного гена) генов, что ответственны за копийность (cop), гены, отвечающие за то, как будут распределены плазмиды в ходе деления “материнской” клетки в клетках-потомках (par), а также детерминанты, контролирующих поддержание определённого числа копий (ccd).
Есть также определённое трёхчастное строение плазмид. Каждая молекулы плазмид состоит из модулей. Первый – обязательный модуль, который при репликации копируется в дочернюю молекулу.
Второй модуль называется модулем распределения, и он может включать систему распределения, а то и несколько таких систем.
Третий модуль называется модулем переноса, и он присутствует у конъюгативных плазмид, соответственно, он играет определённую роль в процессе конъюгации.
Виды плазмид
Учёные выявили множество видов и типов плазмид. Многие из них получили своё название благодаря функциям, которыми отличаются те или иные плазмиды. Есть так назывемые F-плазмиды, или фертильные, занимающиеся контролем плазмид к репликации. R-плазмидами называют резистентные, то есть те, что придают бактериям устойчивость к воздействию антибиотиков.
Некоторые из плазмид называются (благодаря своим специфическим функциям) плазмидами патогенности.
Бактериоциногенные, или B-плазмиды ответственны за синтез летальных для других бактерий белков и других веществ; при этом, отдельно за создание бактериоцина под названием колицин отвечают Col-плазмиды.
Создание гемолизинов, которые также играют определённую роль в размножении плазмид, доверено Hly-плазмидам, а энтеротоксины синтезируются Ent-плазмидами.
Результатом деятельности Ti-плазмид становится возникновение опухолей в растительных организмах, Tol-плазмидами расщепляется толуол и ксилол. Отдельные плазмиды, отвечающие за распад камфоры (Cam-плазмиды), октана (Oct-плазмиды) и салицина (Sal-плазмиды), называются плазмидами деградации.
Роль плазмид
Как уже было указано ранее, плазмиды позволяют передавать генетическую информацию не только по наследству, но и просто похожим клеткам (растительным, архейным, бактериальным, грибным). Это активно используется современными учёными-генетиками в рамках генной инженерии.
И при помощи определённых специфических свойств (о которых также упоминалось выше), за которые могут отвечать отдельные типы и виды плазмид, плазмиды придают бактериям свойства устойчивости к воздействию лекарственных средств, дают им характер патогенов для тех или иных клеток или других бактерий. Иными словами, плазмиды могут влиять на вредоносность бактерий для организма.
Конъюгированные и неконъюгированные плазмиды
Способность плазмид передаваться из одной клетки в другую во время конъюгации иначе может называться трансмиссивностью. Этот фактор влияет на то, какими могут быть плазмиды.
Они могут быть как конъюгированными (конъюгативными), так и неконъюгированными (неконъюгативными), или же трансмиссивными и нетрансмиссивными.
Последние не могут самостоятельно запускать конъюгацию, и передача их осуществляется пассивно как половым методом, так и в ходе конъгации, которую могут запускать только конъюгативные плазмиды.
У конъюгированных плазмид есть особые гены, называемые tra-генами. Эти гены объединены в особые же группы, называемые tra-оперонами, а они, в свою очередь, осуществляют процесс переноса плазмидной ДНК из клетки в клетку.
Tra-опероны синтезируют особые полые структуры на поверхности клеток, называемые половыми пилями.
Клетка-реципиент (или бактерия-реципиент) цепляется за эти пили, после чего притягивается, а после этого участок, коснувшийся участка клетки-донора (или бактерии-донора) разрывается с помощью особого белка.
Передаваемая плазмида кодирует особый фермент, хеликазу, который расплетает ту часть ДНК, что будет перенесена в другую клетку (бактерию), и одним из концов эта самая ДНК переносится в реципиента. Другой конец передаваемой части плазмиды удлиняется, и постепенно восстанавливает ту часть ДНК, что переносится в реципиента.
Этот процесс происходит в обеих клетках (или в бактериях), и в доноре, и реципиенте: и там, и там плазмида вновь становится двухцепочечной. После завершения переноса ДНК разрыв в поверхности клетки-реципиента (бактерии-реципиента) восстанавливается, и реципиент может сам становиться донором, в том числе обретает способность с помощью перенесённой плазмиды отращивать половые пили.
Кстати, tra-опероны в процессе конъюгации также защищают клетку-реципиента от сцепления с половыми пилями других клеток и бактерий.
F-плазмиды фертильности
F-плазмиды, или плазмиды фертильности являются, пожалуй, главными среди разновидностей плазмид, и причина этого очевидна: они отвечают за репликацию.
F-плазмиды осуществляют удвоение ДНК в плазмидах, осуществляют контроль за синтезом половых пилей.
При конюгации клетка-реципиент получает F-плазмиды фертильности даже в случае, если ранее таковыми она не располагала, при этом F-плазмида может захватывать с собой и часть других генов. В некоторых случаях F-плазмиды могут быть и в составе хромосом.
Интересно, что попавшие в клетку-реципиента (или в бактерию-реципиента) F-плазмиды становятся HFR-плазмидами.
Плазмиды устойчивости
За устойчивость бактерий к антибиотикам отвечают R-плазмиды. R в их названии означает “резистентность”, но также это происходит от особых компонентов, что содержатся в них: фактора переноса устойчивости, или RTF-фактора, а ещё r-детерминантов (или детерминантов устойчивости).
Они отвечают за создание таких ферментов и веществ, что способны разрушать антибиотики при вступлении с ними в прямой контакт.
Бактерии благодаря R-плазмидам могут провоцировать возникновение заболеваний, что попросту не поддаются лечению лекарствами и даже группами лекарств (сразу до десяти), а потому такие заболевания становятся более опасными для организма. На их опасность также влияет и тот факт, что R-плазмиды тоже относятся к конъгированным.
Плазмиды вирулентности
Другое название плазмид вирулентности, или Vir-плазмид – плазмиды патогенности. Как понятно из названия, этот тип плазмид тоже придаёт бактериям повышенную опасность для организма, они делают их, соответственно, вирулентными. К ним относятся такие плазмиды, как Ent-плазмиды, Hly-плазмиды, Tox-плазмиды (ответственны за формирование токсинов).
Деградирующие плазмиды
Ещё одна группа плазмид – это деградирующие, или плазмиды биодеградации.
Как упоминалось ранее, к этой группе относятся те плазмиды, что осуществляют расщепление и разложение отдельных соединений и веществ (некоторые из этих веществ можно отнести ко ксенобиотикам), и отдельные плазмиды ответственны за разрушение одних веществ, другие плазмиды, соответственно, разрушают другие вещества.
Причём они расщепляют вещества не только природного происхождения, но и антропогенного. Так, некоторые бактерии способны расщеплять нефтепродукты, и это осуществляется тоже за счёт деградирующих плазмид.
Кстати, что касается подобного рода бактерий, то в актуальное время учёные проводят исследования в области генной инженерии, и одна из целей этих исследований – попытка улучшить экологическую обстановку в водоёмах и в Мировом океане.
Также плазмиды деградации играют бактериям-носителям на пользу в плане селективного преимущества в той среде, в которой находится бактерия, будь то природная среда или другой организм.
Плазмиды Col
Col-плазмиды, как уже было упомянуто выше, попадают в группу бактериоциногенных плазмид, и данный вид плазмид производит особый бактериоцин под названием колицин. Особый он потому, что присутствует у конкретной патогенной бактерии, именуемой кишечной палочкой (научное название – Escherichia coli, или E. coli).
Вообще, бактериоцины в принципе оказывают негативное воздействие на показатели жизнедеятельности клеток, особенно на штаммы тех же видов, или на штаммы родственных.
Бактериоцины являются белками, которые повреждают клеточные мембраны. Уровень активности определяют рецепторы у бактерий-носителей бактериоцинов.
На сегодняшний день учёные определили существование более двухсот видов бактериоцинов.
Что касается колициногенных плазмид, то синтезируемый ими колицин не даёт другим бактериям размножаться и развиваться, но при этом для тех самых бактерий, что выделяют колицин, этот бактериоцин совершенно безвреден. Бактерии E.
coli (кишечной палочки) выделяют колицин множества видов, названных по буквам латинского алфавита.
Col-плазмиды тоже могут быть переданы другим бактериям при конъюгации, и обычно существуют без сцепления с хромосомой, но некоторые виды Col-плазмид могут быть интегрированы в бактериальные хромосомы.
Использование плазмид
Современная наука достаточно активно занимается исследованием плазмид, В частности, генетикам удалось создать искусственные плазмиды, которые особенно полезны в генной инженерии. Такие плазмиды становятся векторами, снабжёнными целевыми кодирующими областями, и затем их размножают в бактериальных клетках, а результатом становится синтез полезного белка.
Так, к примеру, вырабатывают инсулин, крайне необходимый для страдающих диабетом. Плазмиды полезны и в разработке новых лекарственных веществ и в синтезе новых вакцин, а также при создании биологически активных добавок, а вернее – в повышении производительности тех организмов, что могут эти добавки синтезировать. Так что в медицине плазмидам нашлось место.
Также, как уже упоминалось выше, плазмиды могут быть весьма полезны в биоремедиации. Так называется комплекс действий в вопросах очистки загрязнённой среды (почвы, воды, воздуха) с помощью жизнедеятельности живых организмов. И некоторые бактерии благодаря особым деградирующим плазмидам способны разлагать субстраты, которые в принципе трудно поддаются гниению.
Плазмиды и генная инженерия
Наконец, самая перспективная отрасль генетики – генная инженерия, и она тоже не может обойтись без плазмид.
Так, искусственно созданные плазмиды можно сделать векторами в области клонирования генетической информации живых организмов.
Способность к репликации даёт плазмидам в этом плане преимущество, поскольку так учёные могут обеспечивать возможность того, что рекомбинантная ДНК в клетке-доноре будет также размножаться.
Генная терапия также может рассчитывать на помощь плазмид, ибо в перспективе плазмиды могут синтезировать недостающие у пациента белки, а ещё плазмиды могут быть использованы как транспорт для генов, что кодируют инструменты для редактирования ДНК, в том числе для компонентов системы CRISPR-Cas. Этот инструмент на сегодняшний день является наиболее перспективным в вопросе борьбы с тяжёлыми заболеваниями, в том числе и наследственного характера, и адресного поступления лекарственных веществ тем или иным пациентом в каждом индивидуальном случае.
Плазмиды бактерий, виды плазмид и их роль в детерминации патогенных признаков и лекарственной устойчивости
Плазмиды — внехромосомные мобильные генетические структуры бактерий, представляющие собой замкнутые кольца двунитчатой ДНК. По размерам составляют 0,1—5 % ДНК хромосомы.
Плазмиды способны автономно копироваться (реплицироваться) и существовать в цитоплазме клетки, поэтому в клетке может быть несколько копий плазмид. Плазмиды могут включаться (интегрировать) в хромосому и реплицироваться вместе с ней.
Различают трансмиссивные и нетрансмиссивные плазмиды. Трансмиссивные (конъюгативные) плазмиды могут передаваться из одной бактерии в другую.
- Среди фенотипических признаков, сообщаемых бактериальной клетке плазмидами, можно выделить следующие:
- 1) устойчивость к антибиотикам;
- 2) образование колицинов;
- 3) продукция факторов патогенности;
- 4) способность к синтезу антибиотических веществ;
- 5) расщепление сложных органических веществ;
- 6) образование ферментов рестрикции и модификации.
Термин «плазмиды» впервые введен американским ученым Дж. Ледербергом (1952) для обозначения полового фактора бактерий. Плазмиды несут гены, не обязательные для клетки-хозяина, придают бактериям дополнительные свойства, которые в определенных условиях окружающей среды обеспечивают их временные преимущества по сравнению с бесплазмидными бактериями.
Некоторые плазмиды находятся под строгим контролем. Это означает, что их репликация сопряжена с репликацией хромосомы так, что в каждой бактериальной клетке присутствует одна или, по крайней мере, несколько копий плазмид.
Число копий плазмид, находящихся под слабым контролем, может достигать от 10 до 200 на бактериальную клетку.
Для характеристики плазмидных реплико-нов их принято разбивать на группы совместимости. Несовместимость плазмид связана с неспособностью двух плазмид стабильно сохраняться в одной и той же бактериальной клетке. Несовместимость свойственна тем плазмидам, которые обладают высоким сходством репликонов, поддержание которых в клетке регулируется одним и тем же механизмом.
Некоторые плазмиды могут обратимо встраиваться в бактериальную хромосому и функционировать в виде единого репликона. Такие плазмиды называются интегративными или эписомами.
У бактерий различных видов обнаружены R-плазмиды, несущие гены, ответственные за множественную устойчивость к лекарственным препаратам — антибиотикам, сульфаниламидам и др., F-плазмиды, или половой фактор бактерий, определяющий их способность к конъюгации и образованию половых пилей, Ent-плазмиды, детерминирующие продукцию энтеротоксина.
Плазмиды могут определять вирулентность бактерий, например возбудителей чумы, столбняка, способность почвенных бактерий использовать необычные источники углерода, контролировать синтез белковых антибиотикоподобных веществ — бактериоцинов, детерминируемых плазмидами бактериоциногении, и т. д. Существование множества других плазмид у микроорганизмов позволяет полагать, что аналогичные структуры широко распространены у самых разнообразных микроорганизмов.
Плазмиды подвержены рекомбинациям, мутациям, могут быть элиминированы (удалены) из бактерий, что, однако, не влияет на их основные свойства.
Плазмиды являются удобной моделью для экспериментов по искусственной реконструкции генетического материала, широко используются в генетической инженерии для получения рекомбинантных штаммов.
Благодаря быстрому самокопированию и возможности конъюгаци-онной передачи плазмид внутри вида, между видами или даже родами плазмиды играют важную роль в эволюции бактерий
34) распространение микроорганизмов в окружающей среде. Понятие о микробных биоценозах. Экологические связи в микробиоценозах^ симбиоз, комменсализм, паразитизм.
Микроорганизмы распространены повсюду. Они заселяют почву, воду, воздух, растения, организмы животных и людей- экологические среды обитания микробов.
Выделяют свободноживущие и паразитические микроорганизмы.
Всюду, где есть хоть какие- то источники энергии, углерода, азота, кислорода и водорода (кирпичиков всего живого), обязательно встречаются микроорганизмы, различающиеся по своим физиологическим потребностям и занимающих свои экологические ниши. Титаническая роль микроорганизмов в круговороте веществ в природе имеет исключительное значение для поддержания динамического равновесия биосферы.
Микроорганизмы в экологических нишах сосуществуют в виде сложных ассоциаций- биоценозов с различными типами взаимоотношений, в конечном счете обеспечивающих сосуществование многочисленных видов прокариот и различных царств жизни.
Все типы взаимоотношений микроорганизмов объединяются понятием симбиоз. Он может быть антогонистическим и синэргическим.
Роль микроорганизмов в круговороте веществ в природе.
Под круговоротом веществ в природе понимают циклы превращения химических элементов, из которых построены живые существа, происходящие вследствие разнообразия и гибкости метаболизма микроорганизмов.
Наибольшее значение для всего живого имеет обмен (кругооборот) углерода, кислорода, водорода, азота, серы, фосфора и железа. Этапы кругооборота различных химических элементов осуществляется микроорганизмами разных групп.
Непрерывное существование каждой группы зависит от химических превращений элементов, осуществляемых другими группами микроорганизмов.
Жизнь на Земле непрерывна, поскольку все основные элементы жизни подвергаются циклическим превращениям, в значительной степени определяемых микроорганизмами
Плазмиды
Плазмида — внехромосомный самовоспроизводящийся генетичечский элемент (фактор наследственности) бактерий и некоторых других организмов.
Это линейные или кольцевые ковалентно замкнутые молекулы ДНК, содержащие от 1500 до 400000 пар нуклеотидов[1]. Для них характерно стабильное существование и наследование в бактериях в ряду клеточных поколений.
Используются в качестве векторов для клонирования[2].
Плазмида
Выделяют автономные (не связанные с хромосомой бактерии) и интегрированные (встроенные в хромосому) плазмиды. Автономные плазмиды существуют в цитоплазме бактерий и способны самостоятельно репродуцироваться; в клетке может присутствовать несколько их копий.
Интегрированные плазмиды репродуцируются одновременно с бактериальной хромосомой. Интеграция плазмид происходит при наличии гомологичных последовательностей ДНК, при которых возможна рекомбинация хромосомной и плазмидной ДНК (что сближает их с профагами).
Плазмиды также подразделяют на трансмиссивные (например, F- или R-плазмиды), способные передаваться посредством конъюгации, и нетрансмиссивные.
Плазмиды выполняют регуляторные или кодирующие функции.
Регуляторные плазмиды участвуют в компенсировании тех или иных дефектов метаболизма бактериальной клетки посредством встраивания в повреждённый геном и восстановления его функций.
Кодирующие плазмиды привносят в бактериальную клетку новую генетическую информацию, кодирующую новые, необычные свойства (например, устойчивость к антибиотикам).
В соответствии с определёнными признаками, кодируемыми плазмидными генами, выделяют следующие группы плазмид:
- F-плазмиды. При изучении процесса скрещивания бактерий оказалось, что способность клетки быть донором генетического материала связана с присутствием особого F-фактора [от англ. fertility, плодовитость]. F-плазмиды контролируют синтез F-пилей, способствующих спариванию бактерий-доноров (F+) с бактериями-реципиентами (F»). В связи с этим можно указать, что сам термин «плазмида» был предложен для обозначения «полового» фактора бактерий (Джошуа Лёдерберг, 1952). F-плазмиды могут быть автономными и интегрированными. Встроенная в хромосому F-плазмида обеспечивает высокую частоту рекомбинации бактерий данного типа, поэтому их также обозначают как Hfr-плазмиды [от англ. high frequency of recombinations, высокая частота рекомбинаций].
- R-плазмиды [от англ. resistance, устойчивость] кодируют устойчивость к лекарственным препаратам (например, к антибиотикам и сульфаниламидам), а также к тяжёлым металлам. R-плазмиды включают все гены, ответственные за перенос факторов устойчивости из клетки в клетку.
- Неконъюгативные плазмиды обычно характерны для грамположительных кокков, но встречаются также у некоторых грамотрицательных микроорганизмов (например, у Haemophilus influenzae, Neisseria gonorrhoeae). Они обычно имеют небольшие размеры (молекулярная масса примерно 1 — 10*106 D). Обнаруживают большое количество мелких плазмид (более 30 на клетку), так как только наличие такого количества обеспечивает их распределение в потомстве при клеточном делении. Неконъюгативные плазмиды могут быть также перенесены из клетки в клетку при наличии в бактерии одновременно конъюгативных и неконъюгативных плазмид. При конъюгации донор может передать и неконъюгативные плазмиды за счёт связывания генетического материала последних с конъюгативной плазмидой.
- Плазмиды бактериоциногении кодируют синтез бактериоцинов — белковых продуктов, вызывающих гибель бактерий того же или близких видов. Многие плазмиды, кодирующие образование бактериоцинов, также содержат набор генов, ответственных за конъюгацию и перенос плазмид. Подобные плазмиды относительно крупные (молекулярная масса 25-150*106 D), их довольно часто выявляют у грамотрицательных палочек. Большие плазмиды обычно присутствуют в количестве 1~2 копий на клетку. Их репликация тесно связана с репликацией бактериальной хромосомы.
- Плазмиды патогенности контролируют вирулентные свойства многих видов, особенно энтеробактерий. В частности F-, R-плазмиды и плазмиды бактериоциногении включают tox+-транспозоны (мигрирующий генетический элемент), кодирующие токсинообразование. Нередко tox+-транспозоны кодируют синтез интактных протоксинов (например, дифтерийного или ботулинического), активируемых клеточными протеазами, образование которых контролируют гены бактериальных хромосом.
- Криптические (скрытые) плазмиды не содержат генов, которые можно было бы обнаружить по их фенотипическому проявлению.
- Плазмиды биодеградации. Обнаружен также ряд плазмид, кодирующих ферменты деградации природных (мочевина, углеводы) и неприродных (толуол, камфора, нафталин) соединений, необходимых для использования в качестве источников углерода или энергии, что обеспечивает им селективные преимущества перед другими бактериями данного вида. Патогенным бактериям подобные плазмиды придают преимущества перед представителями аутомикрофлоры.
Плазмиды NCBI
Я занимаюсь изучением бактерии Bacteroides thetaiotamicron, принадлежащей к роду Bacteroides, в котором известны 11 плазмид, и лишь одна из них (p5482) относится к виду thetaiotamicron. Исходя из данных таблицы «pr13_2.
xlsx», можно сделать вывод, что минимальная длина плазмиды составляет 0,537 Kb (как, к примеру, у Xanthomonas campestris pv. campestris str. CN14), плазмиду максимальной длины в 2580,08 Kb имеет бетапротеобактерия Cupriavidus metallidurans CH34.
Среднее медианное значение составляет 87 Kb, на удивление, медианное значение гораздо меньше среднего — только 30,658 Kb.
Чтобы извлечь род я разделила колонку «Organism name» (применила ф-ию «разбить по столбцам», пробел использовала как разделитель). Получились столбцы с родом и видом (другие я удалила, т.к. там были указаны не требуемые по заданию таксоны).
Для создания таблицы «Genera» я скопировала столбец «Genus» из листа «plasmids», затем с помощью сортировки в алфавитном порядке и удаления повторов я создала столбец с родами, имеющими плазмиды.
После этого мной была использована функция «СЧЁТЕСЛИ» (диапазон — список родов на листе «plasmids», критерий — соответствующая ячейка столбца с родами на листе «genera», протянула ф-ию на второй столбец).
Источники:
[1] XuMuK.ru-ПЛАЗМИДА-Химическая энциклопедия [2] Плазмиды-Медицинская библиотека [3] Внехромосомные факторы наследстенности. Плазмиды бактерий
Плазмида – определение, типы и функции
Плазмида – это маленький круглый ДНК, отличающийся от хромосомной ДНК, которая является генетическим материалом, обнаруженным в организм Хромосомы. Он реплицируется независимо от хромосомной ДНК.
Плазмиды в основном находятся в бактерии, но они также могут быть найдены в архее и многоклеточный организмы. Плазмиды обычно несут по крайней мере один ген и многие из генов, которые несут плазмиды, полезны для их организмов-хозяев.
Хотя они имеют отдельные гены от своих хозяев, они не считаются независимой жизнью.
Плазмиды имеют много разных функций. Они могут содержать гены, которые увеличивают выживание организма, убивая других организмов или защищая хозяина клетка производя токсины. Некоторые плазмиды облегчают процесс репликации в бактериях.
Поскольку плазмиды настолько малы, они обычно содержат только несколько генов со специфической функцией (в отличие от большого количества некодирующей ДНК). Несколько плазмид могут сосуществовать в одной и той же клетке, каждая с различными функциями.
Функции более подробно описаны в разделе «Конкретные типы плазмид» ниже.
Существует много способов классификации плазмид от общих до специфических. Один из способов состоит в том, чтобы сгруппировать их как сопряженные или не сопряженные.
Бактерии размножаются путем полового конъюгирования, которое представляет собой передачу генетического материала из одной бактериальной клетки в другую, либо через прямой контакт, либо через мост между двумя клетками. Некоторые плазмиды содержат гены, называемые переносящими генами, которые облегчают начало конъюгации.
Неконъюгативные плазмиды не могут начать процесс конъюгации, и они могут быть переданы только посредством полового конъюгации с помощью конъюгативных плазмид.
Другая классификация плазмид относится к группе несовместимости. В бактерии разные плазмиды могут сосуществовать, только если они совместимы друг с другом.
Несовместимая плазмида будет удалена из бактериальной клетки.
Плазмиды несовместимы, если они имеют одинаковую стратегию размножения в клетке; это позволяет плазмидам заселять определенную территорию внутри нее без вмешательства других плазмид.
Существует пять основных типов плазмид: F-плазмиды фертильности, плазмиды устойчивости, плазмиды вирулентности, деградирующие плазмиды и плазмиды Col.
Плазмиды фертильности, также известные как F-плазмиды, содержат переносящие гены, которые позволяют переносить гены от одной бактерии к другой через конъюгацию. Они составляют широкую категорию конъюгативных плазмид.
F-плазмиды представляют собой эпизоды, которые являются плазмидами, которые могут быть встроены в хромосомную ДНК. Бактерии, которые имеют F-плазмиду, известны как F-положительные (F +), а бактерии без нее – F-отрицательные (F–).
Когда бактерия F + конъюгирует с бактерией F–, образуются две бактерии F +. В каждой бактерии может быть только одна F-плазмида.
Резистентные или R-плазмиды содержат гены, которые помогают бактериальной клетке защищаться от факторов окружающей среды, таких как яды или антибиотики. Некоторые резистентные плазмиды могут переносить себя посредством конъюгации.
Когда это происходит, штамм бактерий может стать устойчивым к антибиотикам.
В последнее время тип бактерии, вызывающей гонорею, передаваемую половым путем, стал настолько устойчивым к классу антибиотиков, называемых хинолонами, что Всемирная организация здравоохранения начала рекомендовать новый класс антибиотиков, называемый цефалоспоринами.
Бактерии могут даже стать устойчивыми к этим антибиотикам в течение пяти лет. Согласно NPR, чрезмерное использование антибиотиков для лечения других инфекций, таких как инфекции мочевыводящих путей, может привести к распространению устойчивых к лекарствам штаммов.
Когда плазмида вирулентности находится внутри бактерии, она превращает эту бактерию в патоген, который является возбудителем болезни. Бактерии, вызывающие заболевание, могут легко распространяться и размножаться среди пораженных людей. Бактерия Escherichia coli (E.
coli) имеет несколько плазмид вирулентности. Кишечная палочка естественным образом обнаруживается в кишечнике человека и у других животных, но некоторые штаммы кишечной палочки могут вызывать сильную диарею и рвоту.
Salmonella enterica – еще одна бактерия, которая содержит плазмиды вирулентности.
Разлагающие плазмиды помогают бактерии-хозяину переваривать соединения, которые обычно не встречаются в природе, такие как камфора, ксилол, толуол и салициловая кислота. Эти плазмиды содержат гены для специальных ферментов, которые расщепляют определенные соединения. Деградирующие плазмиды являются конъюгативными.
Col-плазмиды содержат гены, которые вырабатывают бактериоцины (также известные как колицины), которые являются белками, которые убивают другие бактерии и таким образом защищают бактерию-хозяина. Бактериоцины обнаружены во многих типах бактерий, включая кишечную палочку, которая получает их из плазмиды ColE1.
Люди разработали множество способов использования плазмид и создали программное обеспечение для записи последовательностей ДНК плазмид для использования во многих различных методах. Плазмиды используются в генная инженерия усиливать или производить много копий определенных генов. В молекулярном клонировании плазмида является типом вектора.
Вектор представляет собой последовательность ДНК, которая может транспортировать чужеродный генетический материал из одной клетки в другую, где гены могут быть дополнительно экспрессированы и реплицированы. Плазмиды полезны при клонировании коротких сегментов ДНК.
Также плазмиды можно использовать для репликации белков, таких как белок, который кодирует инсулин, в больших количествах. Кроме того, плазмиды исследуются как способ переноса генов в клетки человека в рамках генной терапии.
В клетках может отсутствовать специфический белок, если у пациента есть наследственное заболевание с участием гена мутация, Вставка плазмиды в ДНК позволит клеткам экспрессировать белок, которого им не хватает.
- бактерии – одноклеточные микробы, которые были одним из первых типов жизненных форм, которые эволюционировали на Земле; они могут существовать независимо или внутри других организмов.
- эписома – У бактерий плазмида, которая может быть вставлена в хромосома, У эукариот плазмида относится к нехромосомной ДНК, которая может реплицироваться в ядре, например вирус,
- сопряженный – категория плазмид, запускающих процесс полового конъюгации у бактерий.
- бактериоциновые – белок, продуцируемый плазмидой в бактерии, которая убивает другие бактерии близкородственного штамма.
1. Какой НЕ является одним из пяти основных типов плазмид?A. Плодородие F-плазмидыB. ДНК плазмидыC. Col плазмидыD. Плазмиды вирулентности
Ответ на вопрос № 1
В верно. К пяти основным типам плазмид относятся F-плазмиды фертильности, плазмиды Col, плазмиды вирулентности, деградирующие плазмиды и плазмиды устойчивости. Все плазмиды состоят из ДНК.
2. Что такое неконъюгативная плазмида?A. Плазмида, которая не может быть воспроизведенаB. Плазмида, которая не может вызвать процесс полового конъюгацииC. Плазмида, которая кодирует токсины, которые убивают конъюгативные плазмидыD. Плазмида, которая предотвращает процесс полового конъюгации
Ответ на вопрос № 2
В верно. Неконъюгирующая плазмида не может сама начать половое сопряжение; он должен полагаться на конъюгативные плазмиды, которые могут запустить этот процесс, для репликации.
3. Что делают деградирующие плазмиды?A. Запустите процесс репликации с их генами передачиB. Убить бактерии близкородственного штаммаC. Превратите бактерии-хозяева в патогенD. Расщепление необычных соединений в окружающей среде клетки
Ответ на вопрос № 3
D верно. Деградирующие плазмиды кодируют ферменты, которые помогают переваривать необычные соединения, такие как салициловая кислота. Выбор A является функцией F-плазмид фертильности, B является функцией плазмид Col, а C является функцией плазмид вирулентности.
Плазмиды бактерий
Плазмиды представляют собой экстрахромосомные генетические элементы (кольцевые молекулы ДНК), которые в бактериальных клетках физически обособлены от хромосомы и способны долго поддерживаться и воспроизводиться в такой форме. По размерам двухцепочечные молекулы плазмидных ДНК близки к генетическому материалу соответствующих вирусов, и их длина обычно колеблется от 0,5 до 100 мкм (молярная масса 1-200 МД).
Подобно вирусам некоторые плазмиды могут интегрироваться в бактериальную хромосому с помощью механизма сайт-специфической рекомбинации и длительное время существовать как составная часть ее структуры.
При выходе из состава хромосомы под влиянием тех или иных индуцирующих агентов, как и дтя вирусов, возможно правильное либо неправильное «вырезание» плазмиды. В ином случае в хромосоме остаются фрагменты гшазмидного генома, а плазмида приобретает участки ДНК (отдельные гены) бактериальной хромосомы.
Вместе с тем в отличие от вирусов плазмиды не способны разрушать клетки, в которых они находятся, т. е. у них нет литического варианта развития.
Плазмиды, имеющие значительные молекулярные размеры (более 10 мкм длиной), обнаруживаются в бактериальных клетках в небольшом количестве (1-3 копии на хромосому), поэтому их называют малокопийны.ми плазмидами.
С другой стороны, самостоятельная (автономная) репликация мелких плазмид (0,5-10 мкм) подвержена менее строгому контролю со стороны хромосомной генетической системы клетки, и их число может достигать нескольких десятков копий на хромосому, т. е. они являются многокопий- ными.
Небольшие многокопийные плазмиды представляют собой удобный объект для генетической инженерии, и их часто используют в качестве векторов при клонировании генетического материала различных организмов.
Как и ДНК бактериальной хромосомы, плазмиды находятся в клетке в компактной суперспирализованной форме, линейные размеры которой значительно меньше первичных размеров составляющей ее плазмидной ДНК.
Подобно хромосомной ДНК, при ферментативной обработке препарата плазмидной ДНК, выделенной из бактерий, могут быть получены открытые кольцевые варианты этих молекул, которые очень удобны для их изучения и определения линейных размеров.
Генетическая организация плазмид наиболее полно была исследована на примере полового фактора F (фактора фертильности, фактора переноса), который оказался первой из идентифицированных плазмид и был обнаружен в клетках штамма Е. coli К12.
В настоящее время имеются сведения о локализации в составе плазмиды F более 60 различных генов, в том числе ответственных за ее автономную репликацию в клетке (генов гер), способность обеспечивать перенос генетического материала в процессе конъюгации бактерий (генов tra), несовместимость с другими плазмидами (генов inc) и др.
В структуре плазмиды F, представляющей собой кольцевую молекулу ДНК величиной 100 тыс. пар нуклеотидов (100 т.п.н.
), имеются три генетические области репликации (Rep FIA, Rep FIB, Rep FIC) (рис. 5.36). Однако область Rep FIC инактивирована вставкой транспозона (Тп 1000).
В составе этой плазмиды постоянно находятся также инсерционная последовательность IS2 и две последовательности /S3.
Рис. 5.36. Генетическая карта плазмиды F
Одно из основных свойств плазмиды F заключается в том, что она обеспечивает содержащим ее бактериальным клеткам способность быть донорами генетического материала (конъюгативность), т. е.
возможность вступать в конъюгацию с бесплазмидными (реципиентными) клетками и передавать им свою генетическую информацию.
Это свойство указанной плазмиды и других конъюгативных (трансмиссивных) плазмид детерминируется находящейся в их составе генетической областью tra (от англ, transfer — перенос), включающей более 20 rra-генов.
В структуре плазмиды F /гд-область занимает непрерывный сегмент ДНК протяженностью 33,3 т.п.н., который начинается в точке 66,7 т.п.н. и заканчивается в точке 100 т.п.н., т. е. на физико-генетической карте этой плазмиды имеет координаты 66,7-100 F(pnc. 5.36).
В зависимости от контролируемых ими функций /гд-гены плазмиды F классифицируют на несколько групп. Гены одной из этих групп кодируют белки, необходимые для синтеза на поверхности клеток Е. coli, содержащих плазмиду, специфических нитевидных структур (ворсинок), получивших название F-пилей (от англ.
рШ — фимбрии), или «половых» пилей, в количестве 1-3 на одну клетку. Такие структуры могут быть легко дифференцированы на основании их способности адсорбировать «половые» бактериофаги, которые могут лизировать лишь клетки, являющиеся хозяевами соответствующих конъюгативных плазмид (рис. 5.37).
Роль «половых» пилей состоит в том, что они обеспечивают формирование первичного конъюгационного контакта клетки-донора с реципиентной клеткой.
Рис. 5.37. Электронная микрофотография «половой» пили бактерии с адсорбированными бактериофагами
Дальнейшее сокращение пилей приводит к сближению конъюгирующих клеток и образованию поверхностного контакта между ними (конъюгационного «мостика»), который необходим для одностороннего переноса генетического материала от донора к реципиенту (рис. 5.38).
Рис. 5.38. Электронная микрофотография двух конъюгирующих бакгерий
Другие гены Ггд-области детерминируют синтез белков, обеспечивающих метаболизм самого процесса конъюгации бактерий и переноса ДНК. К их числу относятся ферменты (эндонуклеазы), которые «разрезают» кольцевую молекулу плазмидной ДНК, превращая ее в линейную структуру, что является обязательным условием для переноса такой молекулы из клетки-донора в реципиентную клетку.
Помимо плазмиды F и ряда других плазмид, относимых к категории «чистых» факторов переноса (половых факторов), в клетках бактерий различных видов были обнаружены конъюгативные плазмиды, представляющие собой комбинированные (коинтегративные) структуры, в которых лишь одна часть является фактором переноса, а другая состоит из генов, имеющих хромосомное происхождение. Многие из таких плазмид способны повышать выживаемость содержащих их бактерий в неблагоприятных условиях. Исключительно широкое распространение в современных популяциях бактерий получили плазмиды лекарственной резистентности (R— плазмиды), которые детерминируют устойчивость этих организмов к антибиотикам, сульфонамидам и другим антимикробным лекарственным веществам. Наличие в составе такой плазмиды генов устойчивости к одному либо одновременно к нескольким различным антибактериальным препаратам значительно затрудняет (а иногда делает невозможным) рациональное лечение инфекционных заболеваний человека и животных.
В широком плане к плазмидам резистентности относят также те из них, которые обеспечивают бактериям устойчивость к ионизирующим излучениям, солям тяжелых металлов, бактериофагам, бакгериоцинам, сыворотке крови и некоторым другим факторам.
Некоторые плазмиды могут участвовать в контроле патогенных свойств бактерий, оказывая влияние на возникновение и течение инфекционного процесса.
Известно, что патогенность представляет собой комплексный (полигенный) признак, основанный на биохимических механизмах, с помощью которых бактерии могут вызывать заболевание.
Одним из важных атрибутов патогенности является способность бактерий прикрепляться к поверхности эукариотических клеток после проникновения в организм, т. е. осуществлять колонизацию этих клеток.
При изучении штаммов Е. coli> выделенных от животных и людей, страдающих кишечными расстройствами (диареей), были обнаружены различные белки (антигены колонизации), формирующие на поверхности бактериальной клетки короткие нитевидные выросты, названные обычными пилями (фимбриями).
Такие фимбрии обеспечивают специфическое прикрепление (адгезию) бактерии к эпителиальным клеткам слизистой оболочки кишечника. Наряду с хромосомными детерминантами антигенов колонизации у этих бактерий выявлены также плазмиды, кодирующие синтез адгезивных фимбрий. Так, в клетках Е.
coli, вызывающих диарею новорожденных поросят, обнаружены плазмиды, детерминирующие синтез антигена АГ88, связанного с фимбриями колонизации эпителия тонкого кишечника этих животных. Плазмида, кодирующая антиген колонизации К99, была идентифицирована у бактерий этого вида, выделенных от теленка.
Плазмиды, обеспечивающие синтез антигенов CFAI и CFAU (от англ, colonization factor antigen — антигенфактора колонизации), обнаружены в клетках энте- ропатогенных К coli, выделенных из кишечника людей с острой диареей.
Эти антигены связаны с адгезивными фимбриями, необходимыми для колонизации эпителия слизистых оболочек человека.
Друлш важнейшим фактором патогенности бактерий является их способность продуцировать токсины. Клетки патогенных штаммов Е. coli и других кишечных бактерий (энтеробактерий) могут синтезировать энтеротоксины как под контролем хромосомных генов, так и под генетическим контролем плазмид, называемых Ялг-плазмидами.
Такие плазмиды были обнаружены у токсигенных бактерий, выделенных от животных и людей, страдающих диареей. Имеются экспериментальные данные, которые показывают, что включение плазмидного комплекса, состоящего из двух плазмид (Ent + К88), в клетки непатогенного штамма Е.
coli, выделенного от здоровых поросят, превращает эти бактерии в энтеропатогенные, что проявляется в их способности вызывать тяжелые формы диареи у зараженных животных.
В то же время заражение поросят аналогичными бактериями, содержащими лишь одну из этих плазмид (Я88 либо Ent), не приводило к развитию заболевания либо сопровождалось проявлением легких форм диареи.
Особую категорию внеклеточных токсических белков представляют собой гемолизины, синтезируемые различными бактериями и способные разрушать мембраны эритроцитов животных и человека.
Гемолитическая активность бактерий, наиболее изученная у клеток ?. coli, может контролироваться как хромосомными генами hly, так и плазмидами (Я7у-плазмидами).
В настоящее время такие плазмиды известны у многих штаммов этих бактерий, выделенных из кишечника животных и человека.
Многочисленные экспериментальные данные свидетельствуют о возможности эффективного переноса различных конъюгативных коинте- гративных плазмид (R, Ent, Hly, CFA и др.
) из клеток-доноров в реципиент- ные клетки как в рамках одного вида, так и между бактериями разной видовой принадлежности при их совместном культивировании. Следовательно, возможен как внутривидовой, так и межвидовой (межродовой) конъюгацион- ный перенос бактериальных плазмид.
Во время конъюгационного переноса происходит репликация плазмидной ДНК, в результате которой одна копия плазмиды передается реципиенту, а другая остается в клетке-до норе.
Следует отметить, что помимо большого числа конъюгативных плазмид в клетках разных бактерий выявлены также неконъюгативные (нетрансмиссивные) плазмиды (R, Ent, Hly и др.).
Считают, что неконъюгативные плазмиды естественного происхождения лишены фактора переноса (генетической области tra) либо этот фактор дефектен по своей основной функции, поэтому они не способны обеспечивать бактериям свойства доноров генетического материала и не могут самостоятельно передаваться от одних клеток к другим. Однако их конъюгационный перенос обеспечивается «чистыми» факторами переноса либо конъюгативными коинтегратииными плазмидами, находящимися вместе с ними в одной и той же бактериальной клетке. Плазмида F и некоторые другие конъюгативные плазмиды помимо собственного переноса способны также мобилизовать на перенос хромосомные гены клеток, в которых они находятся, если происходит интеграция такой плазмиды в структуру бактериальной хромосомы.
Таким образом, необходимо отметить, что имеется значительный прогресс в изучении действия плазмид и их влияния на патогенность бактерий.
Лекарственная резистентность бактерий в основном определяется плазмидами, которые относительно быстро копируются и распространяются в различных бактериальных сообществах в условиях селективного действия соответствующих антибактериальных препаратов.
Хотя в кодировании резистентности участвуют и хромосомные гены бактерий, их вклад гораздо менее значителен, поскольку эффективность конъюгационной передачи таких генов от одних бактерий к другим существенно ниже, чем в случае генов /?-плазмид.
Загрузка...
