Свойства плазмид
Плазмиды
Плазмиды - это кольцевые двухцепочечные молекулы ДНК, которые могут существовать автономно либо интегрироваться в другие элементы генома. Молекулярная масса плазмид достигает 1-300 Мега Да, количество пар нуклеотидов - 2-600 тыс.. Одна плазмида с её идентичными копиями может составлять от 0,01 до 8% генома. Путём амплификации (увеличения числа копий) количество плазмидной ДНК в клетке может быть увеличено до 50% и более, а число копий может достигать нескольких сотен и даже 3 тысяч на клетку. Приём амплификации используется в генной инженерии, если плазмида является вектором, несущим встроенный ген, и ее необходимо размножить. Для этого используют обработку плазмидосодержащих клеток хлорамфениколом или же выращивают клетки при повышенной температуре (42ОС).
Плазмиды обнаруживаются в основном у бактерий, но встречаются также у дрожжей, некоторых растений и животных. В клетках они могут существовать в 3 формах:
I. ССС-форма – (от англ. covalently closed cirkle) – ковалентно замкнутое кольцо. Это суперскрученная плазмида с 8-10 супервитками.
II. Форма релаксированого кольца. Для этой формы плазмид характерно наличие разрыва в одной из цепей ДНК. Очевидно, плазмиды переходят в такую форму перед началом собственной репликации (удвоения), так как в суперскрученном состоянии продвижение репликативной вилки невозможно.
III. Линейная форма плазмиды – образуется в результате двухцепочечного разрыва ДНК. Переход в такую форму может предшествовать интеграции плазмиды в хромосому или другой элемент генома.
Плазмиды проявляют качества общие с другими элементами генома, но и имеют специфические особенности. Для плазмид характерны следующие свойства:
1. Способность к саморепликации – это способность к самоудвоению. Репликация плазмид осуществляется с помощью ферментов репликации клетки, но по-разному у крупных и мелких плазмид. Крупные плазмиды являются малокопийными, в клетке их не более 2-3 копий. Это плазмиды со строгим контроем репликации. Их синтез идёт параллельно с репликацией основной хромосомы у бактерий под воздействием ДНК-полимеразы III – основного фермента репликации хромосомной ДНК. Мелкие плазмиды являются мультикопийными, число их копий в клетке от 10 до 300 и выше. Это плазмиды с ослабленным контролем репликации, их репликация осуществляется с помощью ДНК-полимеразы I (вспомогательной репаративной репликазы).
2. Трансмисивность (инфекционность или коньюгативность) – способность плазмид переходить из клетки в клетку с помощью процесса коньюгации и соответственно заражать клетки реципиента. Для всех плазмид, обладающих трансмисивностью, характерно наличие tra-оперона – группы генов, ответственных за перенос плазмиды из одной клетки в другую.
В tra-опероне выявлены следующие гены:
· гены белков, формирующих F-пили – цитоплазматические мостики, по которым плазмида транспортируется из клетки-донора в клетку-реципиент;
· ген фермента хеликазы, разрывающей водородные связи между комплементарными цепями ДНК;
· ген фермента эндонуклеазы, делающей одноцепочечный разрыв в плазмиде, что позволяет одной цепи ДНК освобождаться из дуплекса и по F-пиле переходить к реципиенту. После того как одна цепь перейдет в другую клетку разомкнутая цепь снова замыкается и потом удваивается благодаря репаративной репликации. В клетке-доноре плазмида также восстанавливается. В результате такого переноса количество клеток с плазмидами увеличивается.
3. Интегративность или интегрируемость – это способность плазмид встраиваться в хромосомы и другие элементы генома (другие плазмиды, фаги). Обычно это свойство имеется у большинства крупных плазмид содержащих tra-оперон.
4. Поверхностное исключение. Если в бактериальную клетку уже проникла крупная плазмида, то близкие по структуре другие плазмиды в эту клетку не проникают или же частота их переноса резко снижается, это может быть связано с изменением конформации поверхностных рецепторных белков, которые участвуют в проведении плазмиды во внутрь клетки.
5. Несовместимость. Это свойство характерно для близкородственных плазмид, Такие плазмиды обычно конкурируют между собой за центр связывания на цитоплазматической мембране, где обычно перед репликацией прикрепляется бактериальная хромосома. Поэтому близкородственные плазмиды относят к одной группе несовместимости. Таким образом, одновременно реплицироваться в клетке могут несколько плазмид, но из разных групп несовместимости.
6. Фенотипические признаки. Обычно плазмиды несут гены необязательные для метаболизма клетки, но играющие важную роль в адаптации к факторам окружающей среды. Эти дополнительные гены как раз и обусловливают фенотипические свойства плазмид. Наиболее часто в геноме плазмид выявляются следующие гены: гены устойчивости к антибиотикам, тяжелым металлам, ксенобиотикам (камфаре, нафталину, нефтепродуктам, арсенату), гены устойчивости к бактериоцинам. Последние обеспечивают бактериям невосприимчивость к бактерицидным веществам близкородственных штаммов. Плазмиды включают также гены синтеза антибиотиков, токсинов, гемолизинов, ферментов инвазии и других факторов патогенности. У кишечной палочки хорошо изучен F-фактор – фактор ферильности, не несет никаких специфических генов, однако включает гены, участвующие в коньюгации и собственном переносе. У некоторых бактерий выявлены криптические плазмиды с неизвестными свойствами.
Последние годы в молекулярной биологии широко обсуждается вопрос о существовании так называемых геномных островов. Геномные острова, возможно, являются модифицированными плазмидами, которые содержат целый ряд генов, обслуживающих группу определённых свойств. Так, геномные острова патогенности представляют собой кластеры (группы) генов, кодирующих синтез антибиотика, устойчивость к нему, белка, регулирующего их активность, а также содержат гены факторов патогенности.