ГЕНОТИПИЧЕСКАЯ (НАСЛЕДУЕМАЯ) ИЗМЕНЧИВОСТЬ

ГЕНЕТИКА МИКРООРГАНИЗМОВ.

Способность живых организмов сохранять определен­ные признаки на протяжении многих поколений называет­ся наследственностью.

В процессе изучения наследственности оказалось, что каждое после­дующее поколение под влиянием различных факторов может приобре­тать признаки, отличающие их от предыдущих поколений. Это свойство называется измен­чивостью. Таким образом, наследственность и из­менчи­вость тесно связаны между собой.

Наука, изучающая наследственность и изменчивость живых орга­низмов, называется генетикой.

Еще в XIX веке Ч. Дарвин доказал, что все существу­ющие виды жи­вых организмов произошли путем изменчи­вости от немногих форм, а возникшие изменения, переда­ваемые по наследству, являются ос­новой эволюцион­ного процесса. Теория Дарвина получила высшую оценку у классиков марксизма-ленинизма. Ф. Энгельс рас­сматривал ее как одно и а величайших открытий XIX века.

Изучение наследственности и изменчивости у высших организмов связано с большими трудностями из-за боль­шой продолжительно­сти их жизни и немногочисленности потомства.

Удобным объектом для этого изучения являются микроорганизмы, для которых характерен короткий жизненный цикл, быстрое раз­множение и способность давать многочисленное потомство. Кроме того, они обла­дают выраженной морфологией, которую можно изучать визуально при помощи светового микроскопа. Микроорга­низмы биохимически активны, что легко учи­тывать при использо­вании специальных питательных сред.

Способность микроорганизмов изменять свои свойства при воздей­ствии различных факторов (температура, уль­трафиолетовое и рент­геновское излучение и др.) позволя­ет широко использовать их в ка­честве модели при изуче­нии наследственности и изменчивости.

Первым объектом генетических исследований была кишечная па­лочка, которая хорошо культивируется в лабораторных условиях. Важное значение имело также то, что морфологические, культураль­ные и биохимические свойства этой бактерии хорошо изучены. В дальнейшем объектом генетических исследований стали и другие бак­терии, а также вирусы.

Исследования генетики микроорганизмов показали, что у них роль носителя генетической информации играет ДНК (у некоторых виру­сов РНК).

Молекула ДНК в бактериях состоит из двух нитей, каждая из кото­рых спирально закручена относительно другой. При делении клетки нитчатая спираль удваивает­ся— каждая из нитей служит как бы шаблоном или матрицей, на которой строится новая нить. При этом каждая нить, возникшая в процессе деления клеток, содержит вновь образовавшуюся двунитчатую молекулу ДНК.

В состав ДНК входят четыре азотистых основания — аденин, гуа­нин, цитозин и тимин, порядок располо­жения в цепи у разных ор­ганизмов определяет их наслед­ственную информацию, закодиро­ванную в ДНК.

Функциональной единицей наследственности является ген, который представляет собой участок нити ДНК. В генах записана вся информа­ция, касающаяся свойств клетки.

Полный набор генов, которым обладает клетка, называется генотипом. Гены подразделяются на структурные, несущие информацию о конкрет­ных белках, вырабатываемых клеткой, и гены-регуляторы, регулирую­щие работу структурных генов. Например, клетка вырабатывает те белки, которые необходимы ей в данных условиях, однако при измене­нии условий гены-регуляторы изменяют свойства клетки, приспосабли­вая их к новым условиям.

Изменения морфологических, биохимических и других свойств микроорганизмов, возникающие под действием внешних фак­торов, взаимосвязаны. Например, изменения морфологических свойств сопровождаются обычно изменениями физиологических особенностей клетки.

В процессе изучения изменчивости микроорганизмов была обнаружена особая форма изменчивости — диссоциация. Этот вид изменчивости был описан П. де Крюи и Дж. Аркрайтом и выражается в том, что при посеве некоторых культур на плотные питательные среды происходит разделе­ние колоний на два типа: гладкие, круглые, блестящие колонии с ров­ными краями — S-форма (от англ. smooth — гладкий), и плоские, непро­зрачные колонии неправильной формы, с неровными краями — R-форма (от англ. rough— шероховатый). Существуют также переходные формы: М-формы (слизистые) и g-формы (карликовые).

Колонии, относящиеся к гладкой S-форме, могут при определенных ус­ловиях переходить в R-форму и обратно, однако переход R-формы в S-форму происходит труднее.

Диссоциация наблюдается у ряда бактерий, в частности у возбудителей сибирской язвы, чумы и др.

Характеристика S- и R-форм колоний

S-форма

Колонии гладкие, блестящие, правильной выпуклой "формы

При росте в бульоне — равномерная муть

У подвижных бактерий имеются жгутики

У капсульных бактерий имеется капсула

Биохимически активны

Болезнетворны

Выделяются чаще в остром периоде заболевания

R-форма

Колонии неправильной формы, мутные, шероховатые

Растут в бульоне в виде осадка

У подвижных бактерий жгутики могут отсутствовать

Капсулы отсутствуют

Биохимические свойства выражены слабо

Большинство бактерий менее болезнетворны

Выделяются обычно при хронической форме заболевания

Болезнетворные бактерии чаще бывают в S-форме. Исключением яв­ляются возбудители туберкулеза, чумы, сибирской язвы, у которых бо­лезнетворной является R-форма.

Изменения, возникающие в бактериальных клетках могут быть нена­следуемые — фенотипическая изменчи­вость и наследуемые — генотипи­ческая изменчивость.

ФЕНОТИПИЧЕСКАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ (МОДИФИКАЦИЯ)

Модификация микроорганизмов возникает как от­вет клетки на не­благоприятные условия ее существования. Это адаптивная реакция на внешние раздражители. Модификация не сопровождается измене­нием генотипа, в связи с чем возникшие в клетке изменения по наслед­ству не передаются. При восстановлении оптимальных ус­ловий воз­никшие изменения утрачиваются. Модификация может касаться раз­ных свойств микроорганизмов — морфологических, культуральных, биохимических и др.

Морфологическая модификация выражается в изменениях формы и величины бактерий. Например, при добавлении пенициллина к питательной среде клетки некоторых бактерий удлиняются. Недоста­ток в среде солей кальция вызывает у палочки сибирской язвы повы­шенное спорообразование. При повышенной концентрации солей кальция способность образовывать споры утрачива­ется и т. д. При дли­тельном росте бактерий в одной и той же среде возникает полимор­физм, обусловленный влияни­ем накопившихся в ней продуктов их жизнедеятельности.

Культуральная модификация состоит в измене­нии культуральных свойств бактерий при изменении соста­ва питательной среды. Напри­мер, при недостатке кислоро­да у стафилококка утрачивается способ­ность образовы­вать пигмент. Чудесная палочка при комнатной температу­ре образует ярко-красный пигмент, но при 37 °С способ­ность образовывать этот пигмент утрачивается и т. д.

Биохимическая (ферментативная) модифи­кация. Каждый вид бактерий имеет определенный набор ферментов, благодаря которым они усваивают питатель­ные вещества. Эти ферменты вырабатываются на опреде­ленных питательных субстратах и предопределены ге­нотипом.

В процессе жизнедеятельности бактерий обычно функ­ционируют не все гены, ответственные за синтез соответ­ствующих ферментов. В геноме бактерий всегда имеются запасные возможности, т. е. гены, определяющие выра­ботку адаптивных ферментов. Например, кишечная палочка, растущая на среде, не содержащей углевод лактозу, не вырабатывает фермент лактазу, но если пересеять ее на среду с лактозой, то она начинает вырабатывать этот фермент. Адаптивные ферменты позволяют приспособ­ляться к определенным условиям существования.

Таким образом, модификация — это способ приспособ­ления микроорганизма к условиям внешней среды, обеспе­чивающий им возможность расти и размножаться в измененных условиях. Приобретенные свойства не переда­ются по наследству, поэтому они не играют роли в эволюции, а способствуют в основном выживанию мик­робных популяций.

ГЕНОТИПИЧЕСКАЯ (НАСЛЕДУЕМАЯ) ИЗМЕНЧИВОСТЬ

Генотипическая изменчивость может возникать в резуль­тате мутаций и генетических рекомбинаций.

Мутации (от лат. mutatio — изменять) — это передава­емые по наследству структурные изменения генов.

Крупные мутации (геномные перестройки) сопро­вождаются выпадением или изменением относительно крупных участков генома — такие мутации, как правило, необратимы.

Мелкие (точковые) мутации связаны с выпадением или добавлением отдельных оснований ДНК. При этом изменяется лишь небольшое число признаков. Такие измененные бактерии могут полностью возвращаться в исходное состояние (ревертировать).

Бактерии с измененными признаками называются му­тантами. Факторы, вызывающие образование мутантов, носят название мутагенов.

Бактериальные мутации делят на спонтанные и индуци­рованные.

Спонтанные (самопроизвольные) мутации возникают под влиянием неконтролируемых факторов, т. е. без вмешательства экспериментатора.
Индуциро­ванные (направленные) мутации появляются в результа­те обработки микроорганизмов специальными мутагенами (химическими веществами, излучением, температурой и

др.).

В результате бактериальных мутаций могут отмечать­ся: а) изменение морфологических свойств; б) изменение культуральных свойств; в) возникновение у микроорганиз­мов устойчивости к лекарственным препаратам; г) потеря способности синтезировать аминокислоты, утилизировать углеводы и другие питательные вещества; д) ослабление болезнетворных свойств и т. д.

Если мутация приводит к тому, что мутагенные клетки обретают по сравнению с остальными клетками популяций преимущества, то формируется популяция из мутантных клеток и все приобретенные свойства передаются по наследству. Если же мутация не дает клетке преимуществ, то мутантные клетки, как правило, погибают.

Генетические рекомбинации. Трансформация. Клет­ки, которые способны воспринять ДНК другой клетки в процессе трансформации, называются компетентными. Состояние компетентности часто совпадает с логарифмиче­ской фазой роста.

Трансдукция — это перенос генетической информа­ции (ДНК) от бактерии донора к бактерии реципиенту при участии бактериофага. Трансдуцирующими свойствами обладают в основном умеренные фаги. Размножаясь в бактериальной клетке, фаги включают в состав своей ДНК часть бактериальной ДНК и передают ее реци­пиенту. Различают три типа трансдукции: общую, специфи­ческую и абортивную.

1. Общая трансдукция — это передача различных генов, локализованных на разных участках бактериальной хромосомы. При этом бактерии доноры могут передать реципиенту разнообразные признаки и свойства— способность образовывать новые ферменты, устойчивость к лекарственным препаратам и т. д.

2. Специфическая трансдукция — это передача фагом только некоторых специфических генов, локализо­ванных на специальных участках бактериальной хромосо­мы. В этом случае передаются только определенные признаки и свойства.

3. Абортивная трансдукция — перенос фагом ка­кого-то одного фрагмента хромосомы донора. Обычно этот фрагмент не включается в хромосому клетки реципи­ента, а циркулирует в цитоплазме. При делении клетки реципиента этот фрагмент передается только одной из двух дочерних клеток, а второй клетке достается неизме­ненная хромосома реципиента.

С помощью трансдуцирующих фагов можно передать от одной клетки другой целый ряд свойств, таких как способность образовывать токсин, споры, жгутики, проду­цировать дополнительные ферменты, устойчивость к ле­карственным препаратам и т. д.

Конъюгация — это передача генетического матери­ала от одной бактерии к другой при непосредственном контакте клеток. Клетки, передающие генетический мате­риал, называются донорами, воспринимающие его — реципиентами. Этот процесс носит односторонний характер — от клетки донора к клетке реципиента.

Бактерии донора обозначаются F+ (мужской тип), а бактерии реципиента — F — (женский тип). При тесном сближении клеток F+ и F- между ними возникает цитоплазматический мостик. Образование мостика контро­лируется фактором F (от англ.Fertility— плодовитость). Этот фактор содержит гены, ответственные за образова­ние половых ворсинок (sex-pili). Функцию донора могут выполнять только те клетки, которые содержат фактор F. Клетки реципиента лишены этого фактора. При скрещива­нии фактор Р передается клеткой донора реципиенту. Получив фактор F, женская клетка сама становится донором (F+).

Процесс конъюгации можно прервать механическим способом, например встряхиванием. В этом случае реципи­ент получает неполную информацию, заключенную в ДНК.

Перенос генетической информации путем конъюгации лучше всего изучен у энтеробактерий. Конъюгация, как и другие виды рекомбинации, может осуществляться не только между бактериями одного и того же вида, но и между бактериями разных видов. В этих случаях рекомбинация называется межви­довой.

ПЛАЗМИДЫ

Плазмиды — это сравнительно небольшие внехромо-сомные молекулы ДНК бактериальной клетки. Они распо­ложены в цитоплазме и имеют кольцевую структуру. В плазмидах содержится несколько генов, функционирующих независимо от генов, содержащихся в хромосомной

ДНК.

Типичным признаком плазмид служит их способность к самостоятельному воспроизведению (репликации).

Они могут также переходить из одной клетки в другую и включать в себя новые гены из окружающей среды. К числу плазмид относятся:

• Профаги, вызывающие у лизогенной клетки ряд изме­нений, передающихся по наследству, например способ­ность образовывать токсин.
• F-фактор, находящийся в автономном состоянии и принимающий участие в процессе конъюгации.
• R-фактор, придающий клетке устойчивость к лекар­ственным препаратам (впервые R-фактор был выделен из кишечной палочки, затем из шигелл). Исследования пока­зали, что К-фактор может быть удален из клетки, что вообще характерно для плазмид.
• К-фактор обладает внутривидовой, межвидовой и даже межродовой трансмиссивностью, что может явиться при­чиной формирования трудно диагностируемых атипичных штаммов.
• Бактериоциногенные факторы (col-факторы), которые впервые были обнаружены в культуре кишечной палочки (E.coli), в связи с чем названы колицинами. В дальней­шем они были выявлены и у других бактерий: холерного вибриона — вибриоцины, стафилококков — стафилоцины и др.
• Соl-фактор — это маленькая автономная плазмида, ко­торая детерминирует синтез белковых веществ, способ­ных вызывать гибель бактерий собственного вида или близкородственного. Бактериоцины адсорбируются на по­верхности чувствительных клеток и вызывают нарушения метаболизма, что приводит клетку к гибели.

В естественных условиях только единичные клетки в популяции (1 на 1000) спонтанно продуцируют колицин. Однако при некоторых воздействиях на культуру (обра­ботка бактерий УФ-лучами) количество колицинпродуцйрующих клеток увеличивается.