Модификиции, мутации и репарации у бактерий

12.1. Модификации у бактерий

Модификациями называются фенотипическая изменчивость у бактерий.

А. Модификации не сопровождаются первичными изменениями в ДНК.

Б. Вследствие этого, модификации, как правило, вскоре утрачиваются.

12.2. Мутации у бактерий

При мутационной изменчивости у бактерий происходят изменения в первичной структуре ДНК, которые выражаются в наследственно закреплённой утрате или изменении какого-либо признака (или признаков).

А. По происхождению мутации у бактерий классифицируются на спонтанные и индуцированные.

1. Спонтанные мутации трудно или невозможно связать с действием определённого фактора (мутагена).

а. Наиболее часто спонтанные мутации происходят вследствие ошибки в работе ДНК-полимеразы при репликации ДНК.

б. Вторую группу спонтанных мутаций составляют инсертационные мутации, которые происходят вследствие встраивания в нуклеоид внехромосомных факторов наследственности.

2. Индуцированные мутации у бактерий вызываются в эксперименте действием конкретного мутагена.

Б. По направленности мутации у бактерий классифицируются на прямые и обратные.

1. Прямые мутации сопровождаются потерей или изменением признака и появлением мутантного генотипа.

2. Обратные мутации, или реверсии, происходят в мутантном генотипе и вызывают его возврат к нормальному, до появления прямой мутации, генотипу.

а. При истинных реверсиях происходит восстановления и генотипа и фенотипа.

б. При супрессорных реверсиях восстанавливается только фенотип, а генотип продолжает оставаться мутантным.

12.3. SR-диссоциация

SR-диссоциацией называется такое явление, когда в чистой культуре, образующей S-формы колоний, появляются R-формы. При этом изменение формы колонии является внешним проявлением изменений свойств образующих ее бактериальных клеток. У бактерий, в норме образующих R-формы колоний, также наблюдается диссоциация, которая, наоборот, проявляется в появлении S-форм колоний. Однако, механизм RS-диссоциации не известен и этот вид диссоциации здесь не рассматривается.

А. По своему механизму SR-диссоциация – это инсертационная мутация, приводящая к утрате генов, контролирующих синтез полисахаридных звеньев ЛПС наружной мембраны клеточной стенки. Из-за этого все свойства, функционально связанные с клеточной стенкой (форма, наличие капсулы и жгутиков, чувствительность к бактериофагам, метаболическая активность и т.д.) изменяются и как конечный результат – изменяется форма колонии.

Б. Диссоциация имеет для бактерий важное биологическое значение.

1. R-формы колоний более устойчивы к физико-химическим факторам внешней среды.

2. S-формы более устойчивы к фагоцитозу и действию антител.

В. Диссоциация значительно усложняют выделение и идентификацию чистой культуры. В этом заключается большое значение диссоциации для микробиологической диагностики.

12.4. Мутагены

Под мутагенами понимают химические вещества или физические факторы, вызывающие предмутационные изменения в ДНК, которые в результате ошибок репарирующих ферментов или в процессе репарации переходят в мутацию. Важно понимать, что мутагены вызывают не мутацию, а состояние, которое может перейти в мутацию, если клетка будет не в состоянии «справиться с ситуацией». По механизму своего действия мутагены можно классифицировать на четыре основных группы.

А. Мутагены могут вызывать замену пар оснований. Так действуют, например, аналоги азотистых оснований.

Б. Мутагены могут вызывать выпадения или вставки оснований. Так действуют, например, акридиновые красители.

В. Мутагены могут таким образом нарушать работу ДНК-полимеразы, что в молекуле ДНК будут образовываться тиминовые димеры. Так, например, действует на бактерии ультрафиолет.

Г. И, наконец, некоторые мутагены оказывают множественный эффект действия. Такие мутагены (например, нитрозосоединения) называются супермутагенами.

12.5. Репарации

Этим термином обозначают процесс восстановления повреждённой ДНК ферментами репарационных систем бактериальной клетки. в качестве примера разберем экспериментальные модели фотореактивации (как пример репарации, осуществляемой одним ферментом) и систему темновой репарации (как пример репарации, осуществляемой последовательной активацией группы ферментов).

А. Репарация путем фотореактивации осуществляется следующим образом.

1. Бактериальная культура облучается ультрафиолетом, (в качестве мутагена).

2. Ультрафиолет вызывает в геноме бактериальной культуры образование тиминовых димеров (т.е. появляется индуцированная мутация).

3. Затем культура освещается видимым светом.

4. Видимый свет вызывает активация специального репарационного фермента.

5. Активированный репарационный фермент одномоментно расщепляет тиминовые димеры, ликвидирую тем самым мутацию.

Б. Система темновой репарации работает следующим образом.

Рис. 12.5-1. Система темновой репарации. Появление мутации (отмечена красным цветом)	Рис. 12.5-2. Система темновой репарации. Надрезание мутантного участка	Рис. 12.5-3. Система темновой репарации. Удаление мутантного участка
Рис. 12.5-4. Система темновой репарации. Синтез нового, не содержащего мутации участка	Рис. 12.5-5. Система темновой репарации. Вшивание нового участка «конец в конец»

1. Бактериальная культура облучается ультрафиолетом, в результате чего в ее геноме (рассмотрим для простоты случай с появлением мутации только в одной нити ДНК) появляется мутация – на определенном участке формируются тиминовые димеры (Рис. 12.5-1).

2. Мутантная культура помещается в темноту для активации ферментов темновой репарации. Первой активируется эндонуклеаза, которая надрезает с обеих сторон мутантный участок (Рис. 12.5-2).

3. Затем ДНК-полимераза I удаляет поврежденный участок (Рис. 12.5-3).

4. Вслед за этим на матрице второй, неповрежденной, нити ДНК синтезируется новый, не содержащий мутации, участок (с помощью ДНК-полимеразы I или III) (Рис. 12.5-4).

5. И, наконец, лигаза «вшивает» новый участок в цепь ДНК (Рис. 12.5-5).