Ядерный аппарат у бактерий и его особенности. Механизм репликаиии бактериальной хромосомы.

Репликация ДНК у бактерий начинается со строго фиксированного сайта хромосомы — оriС. Он включает в себя участки с так назы­ваемыми ДНК-боксами и расположенными между ними короткими последова­тельностями. Оба элемента примыкают к гену dnaА. Это и служит сигналом для действия ДНК-хеликазы. Репликация имеет полуконсервативный характер, идет одновременно в двух направлениях и заканчивается также в строго фиксиро­ванной точке - terminus. Поскольку цепи ДНК антипараллельны (если одна нить начинается с 5'-конца, другая — с З'-конца), а ДНК-полимераза III осуществляет синтез ДНК только в направлении 5'>3', репликация происходит своеобразно: на одной из расплетенных нитей — «прямой», или лидерной, или веду­щей, — она идет непрерывно, а на другой — отстающей — ДНК-полимераза III долж­на возвращаться, чтобы наращивать нить тоже в направлении 5'>3', прерывисто, че­рез образование сегментов Оказаки, длиной у бактерий около 1000 нуклеотидов (у эукариот - около 200—300 нуклеотидов).

2. Бактериальная хромосома, ее упаковка в клетке. Формы обмена генетическим материалом у бактерий: конъюгация, трансформация, трансдукция, трансфекция и сексдукция.

Бактериальная хромосома представлена одной двухцепочечной молекулой ДНК кольцевой фор­мы. Размеры бактериальной хромосомы у различ­ных представителей царства Procaryotae варьируют. Бактериальная хромосома формиру­ет компактный нуклеоид бактериальной клетки. Бактериальная хромосома имеет гаплоидный на­бор генов. Она кодирует жизненно важные для бактериальной клетки функции.

Плазмиды бактерий представляют собой двухцепочечные молекулы ДНК. Они кодируют не основные для жизнедеятельности бактериальной клетки функции, но придающие бактерии преиму­щества при попадании в неблагоприятные условия существования.

Помимо основного механизма передачи генов — по наследству (по вертикали), у бактерий существуют следующие формы обмена генетическим материалом по го­ризонтали, т. е. между отдельными особями в популяции клеток: трансформация, трансфекция, трансдукция, конъюгация и сексдукция.

1.Трансформация — перенос генетического материала, заключающийся в том, что бактерия-реципиент захватывает (поглощает) из внешней среды фрагменты чу­жеродной ДНК. Трансформация может быть спонтанной или индуцированной. Ин­дуцированная (искусственно получаемая) трансформация происходит при добавле­нии к культуре бактерий очищенной ДНК, полученной из культур тех бактерий, генетические признаки которых стремятся передать исследуемой культуре. Спон­танная трансформация происходит в естественных условиях и проявляется в воз­никновении рекомбинантов при смешивании генетически различающихся клеток. Она протекает за счет ДНК, выделяющейся клетками в окружающую среду вслед­ствие их лизиса или в результате активного выделения ДНК жизнеспособными клет­ками-донорами. Как спонтанная, так и индуцированная трансформация сводится, по сути, к поглощению трансформирующей ДНК и образованию рекомбинантов, причем спонтанная трансформация может происходить в результате взаимного об­мена ДНК. Эффективность индуцируемой трансформации во многом зависит от фи­зиологического состояния клеток-реципиентов. Они должны находиться в состоя­нии своеобразной компетентности для этого процесса. Предполагается, что в фазе компетентности происходят значительные изменения поверхностных слоев клетки, которые способствуют поглощению ДНК. В частности, аутолитические ферменты клетки растворяют клеточную стенку в тех участках, где происходит ее синтез. При этом мезосомы через образовавшиеся отверстия соприкасаются с внешней средой, адсорбируют и втягивают внутрь клетки трансформирующую ДНК, где она и всту­пает в рекомбинацию с ДНК реципиента. В результате этого образуется мерозигота, клетка делится, и ее потомки наследуют признаки, полученные от донора и реципи­ента. Однако в других случаях поглощенные фрагменты ДНК разрушаются нуклеазами клетки-реципиента, и трансформации не происходит. Ее эффективность зависит также от размеров трансформирующей ДНК: высокомолекулярная ДНК поглощается труднее, чем менее крупные ее фрагменты. Способность к трансформации обнару­жена у ряда родов бактерий, но, по-видимому, роль ее в обмене генетическим мате­риалом среди бактерий в естественных условиях менее существенна, чем роль других механизмов. Дело в том, что у многих бактерий имеются особые системы рестрик­ции и модификации. Эти системы модифицируют свою ДНК (чаще всего путем ее метилирования) и разрушают чужеродную ДНК, если она подобным образом не мо­дифицирована, с помощью особых ферментов — рестрикционных эндонуклеаз.

Эффективность метода генетической трансформации во много раз повышается в том случае, если смесь ДНК и трансформируемых клеток с помощью специаль­ного прибора подвергнуть обработке электрическим импульсом. Метод электро­трансформации является универсальным, он применим к любым видам бактерий. С помощью этого метода осуществлена трансформация более 100 видов бактерий, и он может стать важным инструментом получения ценных рекомбинантных штам­мов бактерий.

2.Трансфекция — вариант трансформации бактериальных клеток, лишенных клеточной стенки, осуществляемый вирусной (фаговой) нуклеиновой кислотой. С помощью трансфекции удается вызвать у таких бактерий (без клеточной стенки) вирусную инфекцию. Трансфекцию можно осуществить и с другими (не бактери­альными) клетками, если ввести в них чужеродную ДНК, способную рекомбинировать с ДНК этих клеток, или воспроизводить вирионы, или самостоятельно реплицироваться.

3.Трансдукция — перенос генетического материала от клетки-донора клетке-ре­ципиенту с помощью бактериофагов. Различают трансдукцию неспецифическую и специфическую.

Неспецифическая трансдукция — случайный перенос фрагментов ДНК от одной бактериальной клетки к другой.

Специфическая трансдукция осуществляется только умеренными фагами, обла­дающими способностью включаться в строго определенные участки хромосомы бактериальной клетки и трансдуцировать определенные гены.

4.Конъюгация — это процесс обмена генетическим материалом (хромосомным и плазмидным), осуществляемый при непосредственном контакте клеток донора и ре­ципиента. Процесс контролируется только конъюгативными плазмидами, имеющими совокупность генов, называемую tra-опероном. Этот оперон контролирует синтез аппарата переноса, конъюгативную репликацию и явление по­верхностного исключения. Аппаратом переноса являются специальные донорные ворсинки, с помощью которых устанавливается контакт между конъюгирующими клетками.

5.Сексдукция — перенос генетического материала между бактериальными клет­ками, осуществляемый F-плазмидой с помощью механизма, аналогичного специ­фической транcдукции.