Каминская Э.А. Общая генетика

Подождите немного. Документ загружается.

Внехромосомные наследственные структуры

прокариот и эукариот

Установлено, что у прокариот и эукариот нуклеиновые кислоты

содержатся не только в хромосомах, но и в некоторых цитоплазма-

тических структурах. Наследственность, связанная с этой ДНК, назы-

вается внехромосомной.

У прокариот цитоплазматическими носителями наследственной

информации являются плазмиды — генетические элементы, которые

существуют в бактериальной клетке обособленно от хромосом. Они

представляют собой участки молекулы ДНК длиной от 2250 (крип-

тические плазмиды) до 4 000 000 нуклеотидных пар (плазмиды

Плазмидная ДНК может иметь форму закрытого или открытого

кольца. Например, ДНК плазмид

F и F

{

представляет собой двух-

цепочечные ковалентно закрытые кольцевые молекулы.

Плазмиды подразделяются на три группы: конъюгативные,

неконъюгативные и криптические.

Конъюгативные плазмиды способны индуцировать конъюгацию

бактерий и осуществлять перенос ДНК из клеток-доноров в клетки-

реципиенты. К ним относятся такие плазмиды, как

F, F , FBI,

Col/6,

V, В

и др.

Неконъюгативные плазмиды не способны переносить ДНК и де-

лать клетки генетическими донорами. Перенос же их самих осущест-

вляется конъюгативными плазмидами.

Криптические плазмиды (от гр. криптос — тайный, скрытый) —

очень мелкие, мало изученные плазмиды.

Плазмиды способны бесконечно долго воспроизводиться, нахо-

дясь в автономном состоянии. Они не имеют существенного значения

для роста и размножения бактерий. Тем не менее благодаря плаз-

мидам бактерии обладают рядом важных для их жизни свойств.

Например, половой фактор, или фактор фертильности,

контролиру-

ет способность кишечной палочки к воспроизводству и генетической

рекомбинации; плазмиды R обеспечивают резистентность целого

ряда бактерий к антибиотикам; Со1-фактор детерминирует образова-

ние колицинов — белков, убивающих собственный или близкий вид

бактерий.

Установлено, что некоторые плазмиды могут существовать в клет-

ке в двух альтернативных состояних: автономном цитоплазмати-

ческом и интегрированном (включенном) в хромосому как ее фраг-

мент. Такие плазмиды называются эписомами. Они бывают вирусного

it невирусного происхождения. Примером невирусной эписомы у бак-

терий является половой фактор

Включаясь в хромосому, он приоб-

ретает несколько иные свойства по сравнению с теми, которые его

характеризовали как цитоплазматическую структуру, за что он и по-

лучил другое название — фактор

Hfr

(см. гл. 2).

Как указывалось выше, умеренный фаг, попадая в клетку бакте-

рии, может существовать в ней также в двух формах: либо в виде

фрагмента хромосомы, либо в свободной цитоплазматической форме.

К примеру, хромосома фага К после внедрения в клетку превра-

щается в эписому вирусного происхождения. В бактериальной хромо-

соме она принимает форму профага. При изменении условий этот

профаг покидает хромосому бактерии и превращается в авто-

номную плазмиду. Последняя размножается, и бактериальная клетка

гибнет.

Особенностью плазмид является их способность к гибридизации:

плазмиды даже из разных клеток могут легко объединяться и обра-

зовывать гибридную молекулу. Последняя свободно перемещается

из одной клетки в другую, что успешно используется в генной инже-

нерии (рис. 26).

Генная система эукариот (идиотип) представлена генотипом

(ядерным наследственным аппаратом) и плазмотипом (цитоплазма-

тическими наследственными факторами). Плазмотип состоит из на-

следственного аппарата пластид (пластом), митохондрий (хондри-

ом) и ДНК, локализующейся в гиалоплазме (цитоплазмон). Еди-

ницей наследственности в генотипе является ген, в плазмотипе —

плазмоген.

У эукариот цитоплазматические наследственные структуры

имеют сложное строение и являются автономными клеточными

системами с определенным запасом наследственной информации. Они

могут выполнять функции носителей наследственной информации

лишь при наличии собственной ДНК с необходимым набором генов

и собственной белоксинтезирующей системы. В клетках эукариот

это свойственно митохондриям и пластидам. Они принимают уча-

стие в обмене веществ и энергии и способны к удвоению. Однако

при делении носители внеядерной наследственности в отличие

от хромосом (см. гл. 3) распределяются в дочерние клетки слу-

чайно и неравномерно.

В хлоронластах ДНК. была обнаружена в 1963 г., а через год была

выделена и из митохондрий. По нуклеотидному составу хлоропласт-

ная (хлп) и митохондриальная (мтх) ДНК отличаются от хромо-

сомной и в покоящейся клетке составляют примерно 0,1 % всей ее

ДНК. В оплодотворенных и делящихся клетках содержание их зна-

чительно возрастает, поскольку увеличивается количество мито-

хондрий.

Молекулы ДНКхлп и ДНКмтх имеют двухцепочечную кольцевую

структуру и поэтому похожи на хромосомную ДНК прокариот. Такое

структурное сходство может свидетельствовать о том, что мито-

хондриальная и хлоропластная ДНК являются остатком хромосом

древних бактерий. Это согласуется с теорией клеточного симбиоза

Л. Маргулис, которая утверждает, что в процессе эволюции бакте-

рии объединились в сложную структуру, вступили в симбиотические

взаимоотношения друг с другом и дали начало эукариотической

клетке.

Длина молекулы ДНКхлп составляет 35—40 мкм. Эта молекула

несет генетическую информацию для синтеза р-РНК хлоропластов

и ряда рибосомных белков. В растительной клетке насчитывается

около 10 пластид, и каждая из них содержит 8—10 копий хлоро-

пластной ДНК длиной до 132 000 нуклеотидных пар.

Содержание молекул ДНКмтх в клетках варьирует от 50 до 2000.

Каждая из них в длину не превышает 4—5 мкм и включает при-

близительно по 15 000 пар азотистых оснований. Этого количества

достаточно для кодирования 5000 аминокислот и соответственно

30 белков. Но так как ДНКмтх кодирует еще р-РНК и т-РНК, то оче-

видно, что заложенной в ней информации хватит лишь для

20 белков.

Геномы митохондрий и пластид отделены друг от друга тополо-

гически. Нет у них и общих нуклеотидных последовательностей. По-

этому и-РНК одной системы не может транслироваться в другой.

Различные у митохондрий и пластид также белоксинтезирующие си-

стемы: размеры и структура их рибосом неодинаковые. В 70-е годы

установлено также, что имеются существенные различия и в систе-

мах хромосомного и митохондриального кодирования.

Однако генетическая автономия митохондрий и пластид не абсо-

лютна. Во-первых, активность митохондриальных и пластидных

геномов контролируется ядром — в отсутствие его количество ми-

тохондрий и пластид не увеличивается. Во-вторых, структурные бел-

ки митохондрий и пластид кодируются как их собственными, так

и ядерными генами. Например, часть митохондриальных белков

кодируется ДНК ядра и синтезируется в цитоплазме, а затем их

молекулы проникают в митохондрии. Примерно только 20 % белков

внутренней митохондриальной мембраны синтезируется в мито-

хондриях, а 80 % — на рибосомах цитоплазмы. При изменении

< груктуры ядерных генов, контролирующих синтез митохондриаль-

ных и пластидных белков, нарушается строение всех митохондрий

и пластид. Если же мутация возникает в генах самих этих структур,

|о она проявляется лишь там, где возникла. В результате образу-

ются клетки, в которых наряду с нормальными цитоплазматиче-

гкими структурами появляются и мутантные. Важной особенностью

I 1ак 5107

цитоплазматических структур является то, что наследование призна-

ков, связанных с ними, осуществляется в основном по материнской

линии (см. гл. 4).

ЛИТЕРАТУРА

Айала Ф., Кайгер Дж. Современная генетика. М., 1987. Т. 1.

Дубинин Н. П. Общая генетика. Кишинев, 1985.

Зенгбуш П. Молекулярная и клеточная биология. М, 1982. Т. 1—2.

Инге-Вечтомов С. Г. Введение в молекулярную генетику. М., 1983.

Инге-Вентомов С. Г. Генетика с основами селекции. М., 1989.

Ленинджер А. Основы биохимии. М., 1985. Т. 3.

Льюин Б. Гены. М., 1987.

Стент Г., Кэлиндар Р. Молекулярная генетика. М., 1981.

Уотсон Дж. Молекулярная биология гена. М., 1978.

Хенниг В. Функциональные единицы хромосом // Генетика и благосостояние

человечества. М., 1981.

Глава 2. ГЕНЕТИЧЕСКАЯ РОЛЬ ДНК

Изучение наследственных структур у выс-

ших организмов связано со значительными трудностями. Поэтому,

чтобы выяснить, какая химическая часть хроматина может выпол-

нять функции носителя наследственной информации, необходимо

было вести исследование на относительно менее сложно устроенных

объектах. Самым удобным из них оказались микроорганизмы.

В 40-х годах XX в. началась новая эра в изучении генетических

закономерностей. Генетическими исследованиями занялись не только

генетики, но и физики, химики, микробиологи. Объектом исследова-

ний стали прокариоты. Долгое время существовало мнение, что

микроорганизмы не обладают наследственностью. Микробиологи

и генетики по-разному оценивали их с точки зрения целостной

единицы. Первые считали организмом, т. е. живой единицей, огром-

ную популяцию клеток, иными словами, бактериальную культуру.

Вторые же рассматривали культуру микроорганизмов как сооб-

щество свободно живущих клеток, а колонию — как потомство

одной клетки. Информация, по их мнению, должна передаваться

от клетки к клетке, а не от культуры к культуре. В связи с этим раз-

личным было и представление об изменчивости бактерий. Так, по

мнению микробиологов, кишечная палочка, обычно культивирую-

щаяся на лактозе, в результате адаптации к условиям существо-

вания спустя определенное время после посева может дать рост и на

среде с другим сахаром (глюкозой). Генетики же полагают, что

способность бактерий расти на глюкозе может развиться и без вся-

кой связи с углеводом при условии, если в культуре будет хотя бы

одна клетка, сбраживающая этот сахар, и будет время для ее

размножения.

Сталкиваясь с разнообразием клеток в культуре, микробиологи

по-разному объясняли это явление. Некоторые утверждали, что бак-

терии, обладая огромной биологической пластичностью, могут при-

нимать любую биологическую форму и изменять физиологиче-

скую функцию. Такое направление получило название плейомор-

физм.

Последователи другого направления — мономорфизма — счи-

тали, что потомки одной бактерии обладают строго постоянной

структурой и функцией и изменчивость их является результатом

засорения культуры.

По мере более глубокого изучения изменчивости бактерий, их

способности адаптироваться к условиям обитания существующие

концепции оказывались все более несостоятельными и вытеснялись

новыми гипотезами.

Согласно концепции диссоциации, изменчивость обусловлива-

ется превращением одной формы бактерий в другую. Например,

шероховатая форма непатогенных пневмококков может диссоцииро-

вать в гладкую патогенную:

R-+S.

В то же время сторонники онтогенной (циклогенной) теории

считали, что гладкие и шероховатые формы пневмококков — это

лишь различные фазы жизненного цикла одних и тех же бактерий.

Все это свидетельствовало об отсутствии четких представлений о при-

чинах изменчивости бактериальных клеток.

Бактерии долго не включались в генетические исследования

из-за малых размеров, исключающих возможность достаточно чет-

кого цитологического анализа их, отсутствия конкретных представ-

лений о причинах изменчивости микроорганизмов, а также навыков

по гибридологическому анализу.

Датой рождения генетики микроорганизмов следует считать

1943 г., когда появились работы С. Луриа и М. Дельбрюка, которые

показали, как следует строить опыты с микроорганизмами, вести учет

их признаков, проводить количественный анализ полученных резуль-

татов.

Микроорганизмы оказались очень удобным объектом для гене-

тических исследований прежде всего потому, что они являются

гаплоидными организмами, у них одна хромосома и она представляет

собой молекулу нуклеиновой кислоты, не связанную с белком. Кроме

того, микроорганизмы обладают коротким жизненным циклом: не-

которые вирусы и бактериофаги живут 20—30 мин, грибы — 1 —

2 ч. За такой промежуток времени вследствие большой скорости

размножения они дают многочисленное потомство. Это позволяет

уловить генетические события, происходящие с частотой одно на

I млн клеток и реже. И, наконец, микроорганизмам присущи два

способа размножения — половой и бесполый.

Микроорганизмы как объект генетических исследований должны

обладать рядом достаточно хорошо регистрируемых признаков. Это

прежде всего морфологические признаки, т. е. форма и размер коло-

ний, отдельных бактериальных клеток, окраска и характер поверх-

ности (гладкая, шероховатая) колоний и т. д. Данные признаки

можно оценить визуально с помощью светового микроскопа или же

цитоплазматических структур является то, что наследование призна-

ков, связанных с ними, осуществляется в основном по материнской

линии (см. гл. 4).

ЛИТЕРАТУРА

Айала Ф., Кайгер Дж. Современная генетика. М., 1987. Т. 1.

Дубинин И. П. Общая генетика. Кишинев, 1985.

Зенгбуш П. Молекулярная и клеточная биология. М, 1982. Т. 1—2.

Инге-Вечтомов С. Г. Введение в молекулярную генетику. М., 1983.

Инге-Вечтомов С. Г. Генетика с основами селекции. М., 1989.

Ленинджер А. Основы биохимии. М., 1985. Т. 3.

Льюин Б. Гены. М., 1987.

Стент Г., Кэлиндар Р. Молекулярная генетика. М., 1981.

Уотсон Дж. Молекулярная биология гена. М., 1978.

Хенниг В. Функциональные единицы хромосом // Генетика и благосостояние

человечества. М., 1981.

Глава 2. ГЕНЕТИЧЕСКАЯ РОЛЬ ДНК

Изучение наследственных структур у выс-

ших организмов связано со значительными трудностями. Поэтому,

чтобы выяснить, какая химическая часть хроматина может выпол-

нять функции носителя наследственной информации, необходимо

было вести исследование на относительно менее сложно устроенных

объектах. Самым удобным из них оказались микроорганизмы.

В 40-х годах XX в. началась новая эра в изучении генетических

закономерностей. Генетическими исследованиями занялись не только

генетики, но и физики, химики, микробиологи. Объектом исследова-

ний стали прокариоты. Долгое время существовало мнение, что

микроорганизмы не обладают наследственностью. Микробиологи

и генетики по-разному оценивали их с точки зрения целостной

единицы. Первые считали организмом, т. е. живой единицей, огром-

ную популяцию клеток, иными словами, бактериальную культуру.

Вторые же рассматривали культуру микроорганизмов как сооб-

щество свободно живущих клеток, а колонию — как потомство

одной клетки. Информация, по их мнению, должна передаваться

от клетки к клетке, а не от культуры к культуре. В связи с этим раз-

личным было и представление об изменчивости бактерий. Так, по

мнению микробиологов, кишечная палочка, обычно культивирую-

щаяся на лактозе, в результате адаптации к условиям существо-

вания спустя определенное время после посева может дать рост и на

среде с другим сахаром (глюкозой). Генетики же полагают, что

способность бактерий расти на глюкозе может развиться и без вся-

кой связи с углеводом при условии, если в культуре будет хотя бы

одна клетка, сбраживающая этот сахар, и будет время для ее

размножения.

Сталкиваясь с разнообразием клеток в культуре, микробиологи

по-разному объясняли это явление. Некоторые утверждали, что бак-

терии, обладая огромной биологической пластичностью, могут при-

нимать любую биологическую форму и изменять физиологиче-

скую функцию. Такое направление получило название плейомор-

физм.

Последователи другого направления — мономорфизма — счи-

тали, что потомки одной бактерии обладают строго постоянной

структурой и функцией и изменчивость их является результатом

засорения культуры.

По мере более глубокого изучения изменчивости бактерий, их

способности адаптироваться к условиям обитания существующие

концепции оказывались все более несостоятельными и вытеснялись

новыми гипотезами.

Согласно концепции диссоциации, изменчивость обусловлива-

ется превращением одной формы бактерий в другую. Например,

шероховатая форма непатогенных пневмококков может диссоцииро-

вать в гладкую патогенную:

R-+S.

В то же время сторонники онтогенной (циклогенной) теории

считали, что гладкие и шероховатые формы пневмококков — это

лишь различные фазы жизненного цикла одних и тех же бактерий.

Все это свидетельствовало об отсутствии четких представлений о при-

чинах изменчивости бактериальных клеток.

Бактерии долго не включались в генетические исследования

из-за малых размеров, исключающих возможность достаточно чет-

кого цитологического анализа их, отсутствия конкретных представ-

лений о причинах изменчивости микроорганизмов, а также навыков

по гибридологическому анализу.

Датой рождения генетики микроорганизмов следует считать

1943 г., когда появились работы С. Луриа и М. Дельбрюка, которые

показали, как следует строить опыты с микроорганизмами, вести учет

их признаков, проводить количественный анализ полученных резуль-

татов.

Микроорганизмы оказались очень удобным объектом для гене-

тических исследований прежде всего потому, что они являются

гаплоидными организмами, у них одна хромосома и она представляет

собой молекулу нуклеиновой кислоты, не связанную с белком. Кроме

того, микроорганизмы обладают коротким жизненным циклом: не-

которые вирусы и бактериофаги живут 20—30 мин, грибы — 1 —

2 ч. За такой промежуток времени вследствие большой скорости

размножения они дают многочисленное потомство. Это позволяет

уловить генетические события, происходящие с частотой одно на

1 млн клеток и реже. И, наконец, микроорганизмам присущи два

способа размножения — половой и бесполый.

Микроорганизмы как объект генетических исследований должны

обладать рядом достаточно хорошо регистрируемых признаков. Это

прежде всего морфологические признаки, т. е. форма и размер коло-

ний, отдельных бактериальных клеток, окраска и характер поверх-

ности (гладкая, шероховатая) колоний и т. д. Данные признаки

можно оценить визуально с помощью светового микроскопа или же

без специальных приборов и инструментов. Сравнительно несложно

учитываются и физиологические (функциональные) признаки бак-

терий — устойчивость к температуре, свету, химическим веществам,

в том числе антибиотикам. Например, фенол или этиловый спирт вы-

зывает у некоторых бактерий образование добавочных жгутиков,

а избыток солей кальция подавляет спорообразование. При исключе-

нии из среды этих факторов морфологические признаки микро-

организмов восстанавливаются. Нарушение способности синтези-

ровать те или иные необходимые для нормальной жизнедеятель-

ности бактерий вещества лежит в основе биохимических признаков.

Все микроорганизмы по способу питания делятся на две группы:

прототрофы и ауксотрофы. Прототрофы — бактерии дикого типа.

Они могут жить на минимальной питательной среде, содержащей

лишь минеральные соли и углеводы, и нужные им вещества (амино-

кислоты, витамины и пр.) синтезируют сами. Ауксотрофы — микро-

организмы, потерявшие способность синтезировать определенные

вещества. Они живут только на полной питательной среде, содер-

жащей все нужные для них метаболиты.

Для учета биохимических изменений (мутаций) используется

метод отпечатков и метод селективных сред. Первый сводится к тому,

что на чашку Петри с полной питательной средой высевается иссле-

дуемый штамм микроорганизмов и после роста колоний делается их

отпечаток на чашки Петри (с минимальной и полной питательной

средой) с помощью кусочка бархата, натянутого на диск, одинаковый

по диаметру с чашкой. Затем сравнивают колонии, появившиеся на

обеих чашках, и отмечают те, которые не дали роста на минимальной

среде. Это ауксотрофные мутанты, требующие дальнейшего анализа

для того, чтобы выяснить, какие же вещества они не способны син-

тезировать. Данный анализ проводится методом селективных сред,

Рис. 28. Схема эксперимента Э. Виткин.

Рис. 29. Листья табака, пораженные различными штаммами

вируса табачной мозаики (по X. Френкель-Конрату, 1972).

т. е. путем набора сред, содержащих только какой-то один из метабо-

литов (витамин, аминокислоту, азотистое основание). По наличию

роста ауксотрофного мутанта на той или иной среде можно опреде-

лить его биохимический дефект (рис. 27).

В течение последних 40—50 лет объектом генетических исследо-

ваний является кишечная палочка Е. coli. Она хорошо культиви-

руется в лабораторных условиях при 37 °С, не патогенна, длина

ее около 2 мкм, диаметр 1 мкм. Е. coli при размножении делится попо-

лам с образованием двух одинаковых палочек и в процессе роста

и развития проходит несколько стадий, в результате которых изме-

няется численность клеток в культуре и число нуклеоидов в клетках.

В покоящихся клетках Е. coli обычно содержится один нуклеоид.

При росте ее на свежей питательной среде число нуклеоидов в клетке

увеличивается: в первую фазу (лаг-фаза) их становится 2, во вторую

(фаза экспоненциального роста) — 4. Кишечная палочка — гапло-

ид, поэтому у нее легко регистрируется даже рецессивная мутация.