BAKTĒRIJU ĢENĒTIKA: ORGANIZĀCIJA, MEHĀNISMI, REGULĒŠANA, PĀRNEŠANA - BIOLOĢIJA - 2025

Par baktēriju ģenētika ir pētījums par pamatiem ģenētiskās informācijas ietvaros baktēriju šūnas. Tas ietver ģenētiskās informācijas organizāciju, kā tā tiek regulēta, kā tā tiek izteikta un kā tā mainās.

Pirmie baktēriju ģenētikas eksperimenti tika veikti 19. gadsimtā, vēsturiskā kontekstā, kad vēl nebija zināms, vai baktērijām ir ģenētiskās informācijas apmaiņas mehānismi, pat nebija zināms, vai tām ir hromosoma.

Baktēriju DNS (Avots: Vidējais_prokariotu_šūnu-_en.svg: Mariana Ruiz Villarreal, LadyofHatsDifference_DNA_RNA-EN.svg: * Difference_DNA_RNA-DE.svg: Sponk (saruna): Sponk (talk) atvasināts darbs: Radio89 caur Wikimedia Commons)

Vienīgais, kas bija patiesi pārliecināts, bija tas, ka baktērijas varēja izveidot stabilas līnijas ar dažādiem fenotipiem, vismaz dažādu barības savienojumu asimilācijai, un ka reizēm parādījās jaunas formas, acīmredzot ģenētisku mutāciju dēļ.

Ar lielu nenoteiktību, kas tajā laikā pastāvēja par baktērijām, bija obligāti eksperimentāli jāatbild uz dažiem jautājumiem par "baktēriju ģenētiku", it īpaši, lai saprastu, vai baktērijas atbilst iedzimtības pamatprincipiem.

Visbeidzot, 1946. gadā Džošua Lederbergs un Eduards Tatums šos pamatjautājumus atrisināja, izmantojot divus Escherichia coli baktēriju celmus - celmu A un celmu B - katram ar atšķirīgām uzturvērtības prasībām.

A un B tipa šūnas nespēja augt minimālā barotnē, jo abām bija mutācijas, kas neļāva tām asimilēt barības vielas no minētās barotnes.

Tomēr, kad A un B dažas stundas tika sajaukti un pēc tam iesēja uz minimālās barotnes plāksnes, minimālās barotnes plāksnēs parādījās dažas kolonijas, t.i., tās auga.

Šīs kolonijas radās no atsevišķām šūnām, kuras bija apmainījušās ar ģenētisko materiālu un pēc apmaiņas spēja izteikt ģenētisko informāciju fenotipā un tādējādi asimilēt barības vielas no minimālās barotnes.

Ģenētiskās informācijas organizēšana

Visa ģenētiskā informācija, kas nepieciešama baktērijas dzīvībai, ir atrodama “baktēriju hromosomā”, kas ir vienas molekulas divpavedienu dezoksiribonukleīnskābe (DNS).

Šī DNS molekula ir izkārtota apļveida struktūrā, slēgta ar kovalentām saitēm un kopā ar dažiem proteīniem veido baktēriju hromosomu.

Baktērijām papildus baktēriju hromosomai var būt arī mazāka izmēra ekstrahromosomu DNS fragmenti, bet arī strukturēti slēgtā apļveida veidā. Šīs DNS molekulas kolektīvi sauc par “plazmīdām” vai “plazmīdu DNS”.

Baktērijas baktērijas izmanto plazmīdu DNS molekulas, lai savstarpēji apmainītos ar īpašu ģenētisko informāciju.

Parasti, kad vienai no baktēriju šūnām rodas rezistence pret antibiotikām, tā var pārnest šo rezistenci uz citām baktēriju šūnām caur plazmidēm.

Baktērijās esošās plazmīdu DNS molekulas lielums var mainīties no 3 līdz 10 kilo bāzēm, un daudzām baktēriju sugām var atrast simtiem viena veida plazmīdu kopiju.

Baktēriju DNS sastāvs un struktūra ir tāda pati kā visās dzīvās būtnēs un vīrusos. Tās struktūru veido cukura skelets, slāpekļa bāzes un fosfātu grupas.

Pilnīga Escherichia coli baktēriju hromosomas karte tika iegūta 1963. gadā. Tajā tika precīzi noteikts aptuveni 100 gēnu novietojums, taču šodien ir zināms, ka E. coli hromosomā ir vairāk nekā 1000 gēnu, un tā izmērs ir 4,2. miljons bāzes pāru.

Gēnu ekspresijas mehānismi

Gēnu ekspresijas mehānisms baktērijās dažos aspektos ir līdzīgs gēnu ekspresijas procesam, kas notiek citās dzīvās būtnēs, un tas ir atkarīgs arī no transkripcijas un tulkošanas procesiem.

Informācija par gēniem tiek transkribēta uz RNS molekulu un pēc tam uz aminoskābju secību, kas veido olbaltumvielas. Šis process veic informācijas izpausmi, kas ietverta genotipā, un fenotipa struktūru.

Transkripcija

Transkripcijā RNS polimerāzes enzīms rada papildinošu produktu DNS segmentam, kuru tas izmanto kā šablonu, bet šis produkts ir ribonukleīnskābe (RNS).

Šī molekula nes informāciju par DNS segmenta kodēto olbaltumvielu sintēzi, tā ir viena josla un to sauc par Messenger RNS. Baktēriju RNS polimerāze baktērijās un eikariotu organismos ir atšķirīga.

RNS polimerāze identificē noteiktu vietu uz DNS (promotoru), kur tā saistās, lai sāktu transkripciju. Viena Messenger RNS molekula var saturēt informāciju par vairākiem gēniem.

Atšķirībā no eikariotu organismiem, baktēriju gēnu secībā nav "intronu", jo baktērijām nav kodola, kas atdala hromosomu no citiem citoplazmas elementiem.

Tulkošana

Tā kā baktēriju šūnu citoplazmā visi elementi ir "vaļīgi", tikko sintezētās kurjera RNS molekulas var nonākt saskarē ar ribosomām un nekavējoties sākt olbaltumvielu sintēzi.

Tas ļauj baktērijām gūt priekšrocības, reaģējot un pielāgojoties ārkārtējām vides izmaiņām.

Ribosomu RNS, pārneses RNS un dažādi ribosomu proteīni piedalās tulkošanā. Prokariotu šūnu ribosomu struktūra un sastāvs atšķiras atkarībā no eikariotu šūnu ribosomām.

Šie elementi "nolasa" nukleotīdu tripletu (kodonu) veidā instrukcijas, kas ietvertas kurjers RNS molekulu ģenētiskajā kodā, un tajā pašā laikā viņi saliek katru no aminoskābēm, veidojot polipeptīdu.

Ģenētiskā koda “universālums” ļauj zinātniekiem izmantot baktēriju tulkošanu kā svarīgu instrumentu peptīdu un olbaltumvielu sintēzē ar tehnoloģiskām interesēm.

Gēnu ekspresijas regulēšana

Mehānisms, kas kontrolē gēnu ekspresiju baktērijās, ir ārkārtīgi precīzs; tas ļauj viņiem precīzi regulēt gēnu produktu sintēzes daudzumu un laiku, lai tie notiktu tikai nepieciešamības gadījumā.

Baktēriju genoma reģionu, kas sagrupē vairākus gēnus, sauc par “operonu”. Šis reģions aktivizē vai deaktivizē tā transkripciju atkarībā no apstākļiem, kādos baktērija atrodas.

Visi gēni, kas ir daļa no tā paša operona, tiek koordinēti transkribēti Messenger RNS, kas satur daudz gēnu (sauktu par “policistronisko” RNS). Šīs RNS tiek translatētas secīgi uz ribosomām.

Operonus var regulēt pozitīvi vai negatīvi. Gēni pārstāj sevi izteikt tikai tad, kad inhibējošie proteīni, ko sauc par represoriem, saistās ar noteiktu secību to struktūrā.

Specifiskā gēna secība tiek saukta par "promotoru", kad represora olbaltumviela ir piesaistīta promotoram, RNS polimerāze nevar ierosināt attiecīgās ģenētiskās secības transkripciju.

No otras puses, kad operoni tiek augšupielādēti, šī ģenētiskā reģiona transkripcija nesākas, kamēr nebūs klāt aktivatora proteīna, kas saistās ar specifisko DNS secību.

Zinātnieki izmanto šo operonu "induktivitāti", lai palielinātu vai samazinātu noteiktu baktēriju interesējošo reģionu gēnu ekspresiju. Ieviešot dažus substrātus, var palielināt metabolismam nepieciešamo enzīmu ekspresiju.

Gēnu pārnešana

Baktērijas, atšķirībā no eikariotu šūnām, nenodod savus gēnus seksuālās reprodukcijas ceļā, tā vietā tās var izdarīt trīs dažādos procesos: transformācijā, transdukcijā un konjugācijā.

Gēnu horizontālā pārnešana baktērijās (Avots: 2013MMG320B, izmantojot Wikimedia Commons)

Pārveidošanās

Pārveidojot , dažas baktēriju šūnas populācijā kļūst "kompetentas". Kad viņi ir "kompetenti", viņi spēj saņemt eksogēnu DNS no citām baktērijām, kas atrodamas ārpusšūnu vidē.

Kad DNS ir iestrādāts šūnas iekšpusē, baktērijas veic procesu, kurā hromosomā esošie gēni tiek apvienoti ar svešo DNS, kas tajā tikko ir iestrādāts. Šis process ir pazīstams kā ģenētiskā rekombinācija.

Pārveidošana

Transdukcijā baktērijas iekļauj DNS no citām baktērijām savā DNS molekulā caur vīrusiem, kas inficē baktērijas (bakteriofāgi). To var sniegt specializētā vai vispārinātā veidā.

Specializētā transdukcijā tas notiek, kad fāgs, kas iepriekš inficēja citu baktēriju, infekcijas cikla laikā iegūst savus gēnus.

Vēlāk, inficējot jaunu baktēriju un iekļaujot tās gēnus jaunās inficētās baktērijas hromosomā, tajā tiek iekļauti arī gēni no baktērijas, kuru tā iepriekš inficēja.

Ģeneralizētas transdukcijas laikā bojātas fāgu daļiņas, kuru tukšie kapsīdi vīrusa replikācijas laikā iekļauj baktēriju hromosomu, pēc tam, kad tās ir inficējušas citu baktēriju, tās var ieviest gēnus, kas ņemti no iepriekšējās baktērijas.

Konjugācija

Konjugācijas procesā baktērijas apmainās ar ģenētisko materiālu vienvirziena veidā, fiziskā kontakta ceļā. Viena no baktērijām darbojas kā donors, bet otra - kā saņēmēja. Šajā procesā donoru baktērijas saņēmēj baktērijām parasti piešķir plazmīda DNS molekulu.

Konjugācija baktērijās nav raksturīga visām sugām, konjugācijas spēja tiek piešķirta caur gēniem, kas tiek pārnesti caur plazmīdu DNS molekulu.

Atsauces

1. Brauns, W. (1953). Baktēriju ģenētika. Baktēriju ģenētika.
2. Brock, TD (1990). Baktēriju ģenētikas rašanās (Nr. 579: 575 BRO). Cold Spring Harbor, NY: Aukstā pavasara ostas laboratorijas prese.
3. Fry, JC, & Day, MJ (Red.). (1990). Baktēriju ģenētika dabiskā vidē (55.-80. Lpp.). Londona: Chapman un Hall.
4. Griffiths, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT, & Miller, JH (2005). Ievads ģenētiskajā analīzē. Makmillans.
5. Lūrija, SE (1947). Nesenie sasniegumi baktēriju ģenētikā. Bakterioloģiskie pārskati, 11 (1), 1.