Институт Медицинской Климатологии
Ядерная зона и генетический аппарат клеток прокариот.

Бактериальные хромосомы были открыты много позднее, чем эукариотические, так как они не проявляют свойства конденсироваться в метафазе. В 1956 г. внутри бактериальных клеток была обнаружена «ядерная зона» (нуклеоид), в которой размещена бактериальная хромосома. В середине 60-х гг. прошлого века было установлено состояние суперскрученности бактериальной ДНК, а затем в течение 10 лет исследовали ферменты, которые отвечают за ее сверхспирализацию и раскручивание (топоизомеразы, гиразы). В 70-х гг. XX в. стало возможным выделение компактной формы тотальной ДНК из клеток бактерий.

По современным представлениям молекулярной биологии, хромосома содержит: большие молекулы ДНК как носители генетической информации; молекулы РНК, копирующие и передающие информацию с определенных генов; белки-ферменты, которые репарируют повреждения ДНК, удваивают ДНК и контролируют модели экспрессии генов. Ферменты также скручивают и складывают ДНК внутри клетки. Бактериальная ДНК обнаружена у большинства прокариот в форме кольца и связана с выростом ЦПМ (мезосомой). Находясь в состоянии суперскрученности, она собрана в крупные петли (домены). Считают, что ДНК прикреплена к ЦПМ и в других участках. С мезосомой связаны сайты начала (on С) и окончания (Тег) репликации. Репликация бактериальной хромосомы происходит постоянно в течение клеточного цикла. Комплекс ферментов, ответственный за образование репликативной вилки, узнает участок on С. После образования репликативной вилки в работу включается ДНК-полимераза III. Две копии хромосомы после репликации разъединяются путем разрастания ЦПМ и клеточной стенки и после построения поперечной перегородки оказываются в дочерних клетках. Также есть данные об участии в этом процессе миозинподобных белков, располагающихся на дистальных концах расходящихся нуклеоидов.

Прокариотическая ДНК обнаружена также в линейной форме. Линейные ДНК найдены в клетках Borrelia burgdorferi, Streptomyces spp., Rhodococcus fascines и Agrobacterium tumefaciens. У стрептомицетов на концах линейной хромосомы могут присутствовать молекулы «замыкающего» белка или инвертированные повторы. Такие хромосомы могут находиться в клетках как в линейном, так и в кольцевом состоянии. Считают, что репликация линейных хромосом, находящихся в форме кольца, идет от on С в двух направлениях, а у находящихся в линейной форме — от концов к центру. У В. burgdorferi на концах имеются шпильки, которые функционируют подобно теломерам линейных хромосом эукариот и облегчают полную репликацию. Участок ori С находится в центре. У микроорганизмов с линейными хромосомами обнаруживаются и линейные плазмиды. Индивидуальная клетка прокариот может содержать несколько идентичных копий одной хромосомы. У некоторых видов в клетке обнаружены две и даже три неидентичные хромосомы. Когда клетка содержит одну очень большую плазмиду, трудно определить разницу между плазмидой и хромосомой, так как обе молекулы могут нести гены, необходимые для роста.

Наличие множественных копий хромосомы (полиплоидия) хорошо известно у эукариот. Индивидуальная клетка прокариот в физиологически активном состоянии также может содержать несколько идентичных копий одной хромосомы и мультикопийные гены. Например, Е. coli содержит примерно 11 геномных эквивалентов на клетку при росте в богатой среде, в то время как количество хромосом в медленно растущих клетках равно 1—2. У самой крупной бактерии Epulopiscium fishelsoni на разных стадиях жизненного цикла количество копий ДНК может различаться в 4—5 раз. Предполагают, что клетки используют ДНК как запасное вещество, подобно крахмалу, жиру или гликогену для других организмов. У видов рода Vibrio, Leptospira interrogans, Rhodobacter sphaeroides, Brucella spp. обнаружены две кольцевые хромосомы, у Rhizobium meliloti — три, у различных изолятов Burkholderia (Pseudomonas) cepacia — от двух до четырех. У некоторых видов, как и у прокариот, в клетке находят две-три неидентичные хромосомы. Например, некоторые виды рода Agrobacterium содержат одну кольцевую и одну линейную хромосомы. Клетки Azotobacter chroococcum могут на определенных стадиях жизненного цикла содержать до 140 хромосом. У Deinococcus radiodurans плоидность может достигать 10 в клетках из экспоненциальной фазы роста и 4 — в клетках стационарной фазы. Даже медленно растущие клетки (например, Borrelia hermsii со временем удвоения 8 ч) могут быть полиплоидными. У этой бактерии число копий генома достигает 8—11, когда клетки растут in vitro, и до 16 копий — при развитии в организме мыши. Таким образом, хромосомы про и эукариот не могут больше рассматриваться как совершенно разные по форме молекулы ДНК (оба типа могут быть линейными), по уровню плоидности (оба типа могут быть полиплоидными) и по числу групп сцепления. Самое существенное различие между эу — и прокариотами в организации наследственного аппарата — это наличие ядерной мембраны, гистонов и нуклеосом, в виде которых упакована ДНК эукариот. Действительно, бактерии не имеют таких белков и не образуют нуклеосомы, однако некоторые археи синтезируют гистоноподобные белки и формируют стабильные нуклеосомы. Имеются данные об обнаружении зачатков ядерной мембраны у некоторых бактерий — планктомицетов. Следовательно, различия в организации генетического материала прокариот и эукариот уже не являются столь явными, как считали ранее.

Данные, полученные на Е. coli, показывают, что при протяженности хромосомы 3,8 х 106 пар оснований (п.о.) средняя величина гена составляет 1 тыс. п.о. (от 7 до 18 тыс. п.о.). Кодирующие области занимают 85% хромосомы. 10% генома составляют некодирующие последовательности (мигрирующие элементы, сайты рекомбинации, регуляторы транскрипции, поврежденные умеренные фаги и т.д.). Регуляторные области малы и располагаются между структурными генами. Функции около одной трети генов хромосомы не установлены.

Добавить комментарий