Плазмидное наследование. Свойства плазмид. Использование плазмид в генетических исследованиях

Кроме хромосомы, у некоторых бактерий обнаруживаются дополнительные внехромосомные генетические детерминанты, получившие название плазмид. К настоящему времени обнаружено большое разнообразие плазмид, среди которых наиболее изученными являются половой фактор (F), фактор множественной лекарственной устойчивости (R), факторы бактериоциногений (Col), плазмиды, контролирующие у Е. coli синтез энтеротоксина (Ent), обеспечивающие продукцию гемолизина (Н1у), детерминирующие синтез поверхностных антигенов (К88, К99) и др. Плазмиды обнаружены более чем у 50 видов бактерий. Присутствие плазмиды в бактериальной клетке определяется по проявлению свойства, которое ею контролируется.

Плазмиды (Fфактор и др.), способные интегрироваться в хромосому и реплицироваться вместе с ней, получили название э п и с о м. Способность плазмиды к интеграции определяется самой клеткой.
Несмотря на разнообразие контролируемых функций клетки, плазмиды обладают рядом общих свойств: состоят из ДНК, имеющей кольцевую замкнутую структуру, расположены вне хромосомы и способны к саморепликации. Общим для всех плазмид свойством является то, что они придают клетке дополнительные, не обязательные для нее функции, но чаще всего выгодные. Плазмиды могут теряться бактерией или элиминироваться, однако потеря плазмиды не влияет на основные свойства клетки. Они могут подвергаться мутации, а также рекомбйнировать между собой и хромосомой.
Большинство плазмид обладает способностью передаваться от бактерии к бактерии при конъюгации. Такие плазмиды получили название конъюгативных, или трансмиссивных, в отличие от неконъюгативных, нетрансмиссивных, которые могут переноситься только с помощью конъюгативных плазмид. Им свойственна также способность передаваться при траисдукции и при обычном делении клетки.
Фактор множественной лекарственной устойчивости — Rфактор (от resistance — устойчивость) впервые был обнаружен японскими исследователями в 1955 г. у штамма возбудителя дизентерии, устойчивого сразу к 4 препаратам — сульфаниламиду, стрептомицину, тетрациклину и хлорамфепиколу. Такая множественная устойчивость передается от резистентных бактерий к чувствительным при контакте клеток независимо от хромосомы, поэтому был сделан вывод, что данное свойство связано с генетической детерминантой плазмидного характера. В дальнейшем было показано, что Rфактор может передаваться от резистентных шигелл к кишечной палочке и наоборот, а также к представителям рода сальмонелл, т. е. возможна межвидовая передача фактора устойчивости.
Rфактор— типичная плазмида, представляющая собои двунитчатую молекулу ДНК, в которой определены гены, ответственные за саморепликацию и перенос резистентности в реципиентную клетку — фактор переноса стойчивости RTF (от resistance transfer factor) и отдельные гены, обозначаемые буквой r (от resistance), детерминирующие устойчивость к конкретному антибиотику.
Плазмида, содержащая RTF, ведет себя как конъюгативная. На поверхности таких клеток образуются половые Rпили, участвующие в конъюгации при передаче Rфактора. Rфактор может передаваться при трансдукции (например, у стафилококков) и при обычном делении бактериальной клетки. Последний механизм имеет особое значение, так как при распространении в популяции клеток, несущих Rфактор, находящийся в среде, антибиотик выполняет селективную роль и бактерии R+ становятся превалирующими.
Различные Rфакторы могут содержать от 4 до 8 генов в разнообразной комбинации, определяющих устойчивость и к лекарственным препаратам, и к некоторым веществам (ртуть, кобальт и др.).
Механизм, определяющий способность R+ бактерий превращать антибиотики в неактивную форму, связан с действием на антибиотики особых специфических ферментов, синтез которых детерминируется Rплазмидой.
Плазмиды Col (от colicinogeny — колициногенность) детерминируют синтез белковых веществ, называемых колицинами, способных вызывать гибель чувствительных бактерий собственного вида или близкородственных. Этот феномен был впервые изучен на Е. coli, поэтому и назван колициногенией. Однако многие другие бактерии также могут иметь плазмиды, определяющие синтез веществ, летальных для близких видов. Вещества эти получили название бактериоцииов, а феномен — бактериоциногении.
Colфакторы Е. coli детерминируют синтез различных типов колицинов, отличающихся рядом химических и физических свойств.
Механизм действия колицинов заключается в следующем: колицины адсорбируются на чувствительных клетках (лишенных Colфактора) и, не проникая внутрь клетки, вызывают нарушение метаболизма, приводя клетку к гибели.
Носительство плазмид — широко распространенное явление в мире микробов, их наличие придает клетке определенные преимущества. Плазмиды играют важную роль в эволюции бактерий, участвуя в процессе естественного отбора.
Возможность введения генетической информации от одного вида бактерий другому виду различными методами привела к созданию нового направления в генетике—генной инженерии. При получении «искусственных» особей широко используется генетический материал плазмид. Так, методом генной инженерии с помощью бактерий получен интерферон. Для этого культуры клеток человеческих лейкоцитов заражают вирусом и в клетках начинает вырабатываться интерферон. Из этих клеток выделяется РНК, на которой с помощью фермента ревертазы синтезируется ДНК, затем отбирается молекула ДНК, в которой закодирована информация о продукции интерферона. Эту молекулу включают в плазмиду кишечной палочки, благодаря чему она приобретает способность вырабатывать человеческий интерферон. Полученный интерферон уже испытан на противовирусную активность. Таким образом, интерферон, полученный с помощью бактерий методом генной инженерии, является фактически первым фармакологическим препаратом, который можно будет получать в большом количестве без существенных затрат.