Что может находиться на плазмиде
Внехромосомные факторы наследственности бактерий представлены плазмидами, вставочными последовательностями и транспозонами. Все они образованы молекулами ДНК, различающимися между собой по молекулярной массе, кодирующей ёмкости, способности к автономному реплицированию и др.
Плазмиды бактерии. Виды плазмид. Функции плазмид бактерий.
Плазмиды — фрагменты ДНК с молекулярной массой порядка 10 6
10 8 D, несущие от 40 до 50 генов. Выделяют автономные (не связанные с хромосомой бактерии) и интегрированные (встроенные в хромосому) плазмиды.
• Автономные плазмиды существуют в цитоплазме бактерий и способны самостоятельно репродуцироваться; в клетке может присутствовать несколько их копий.
• Интегрированные плазмиды репродуцируются одновременно с бактериальной хромосомой. Интеграция плазмид происходит при наличии гомологичных последовательностей ДНК, при которых возможна рекомбинация хромосомной и плазмидной ДНК (что сближает их с профагами).
• Плазмиды также подразделяют на трансмиссивные (например, F- или R-плазмиды), способные передаваться посредством конъюгации, и нетрансмиссивные.
Плазмиды выполняют регуляторные или кодирующие функции. Регуляторные плазмиды участвуют в компенсировании тех или иных дефектов метаболизма бактериальной клетки посредством встраивания в повреждённый геном и восстановления его функций. Кодирующие плазмиды привносят в бактериальную клетку новую генетическую информацию, кодирующую новые, необычные свойства (например, устойчивость к антибиотикам).
В соответствии с определёнными признаками, кодируемыми плазмидными генами, выделяют следующие группы плазмид:
F-плазмиды. При изучении процесса скрещивания бактерий оказалось, что способность клетки быть донором генетического материала связана с присутствием особого F-фактора [от англ. fertility, плодовитость]. F-плазмиды контролируют синтез F-пилей, способствующих спариванию бактерий-доноров (F+) с бактериями-реципиентами (F»). В связи с этим можно указать, что сам термин «плазмида» был предложен для обозначения «полового» фактора бактерий (Джошуа Лёдерберг, 1952). F-плазмиды могут быть автономными и интегрированными. Встроенная в хромосому F-плазмида обеспечивает высокую частоту рекомбинации бактерий данного типа, поэтому их также обозначают как Hfr-плазмиды от англ. high frequency of recombinations, высокая частота рекомбинаций].
R-плазмиды [от англ. resistance, устойчивость] кодируют устойчивость к лекарственным препаратам (например, к антибиотикам и сульфаниламидам, хотя некоторые детерминанты устойчивости правильнее рассматривать как связанные с транспозонами [см. ниже]), а также к тяжёлым металлам. R-плазмиды включают все гены, ответственные за перенос факторов устойчивости из клетки в клетку.
Неконъюгативные плазмиды обычно характерны для грамположительных кокков, но встречаются также у некоторых грамотрицательных микроорганизмов (например, у Haemophilus influenzae, Neisseria gonorrhoeae). Они обычно имеют небольшие размеры (молекулярная масса примерно 1 — 10*10 6 D). Обнаруживают большое количество мелких плазмид (более 30 на клетку), так как только наличие такого количества обеспечивает их распределение в потомстве при клеточном делении. Неконъюгативные плазмиды могут быть также перенесены из клетки в клетку при наличии в бактерии одновременно конъюгативных и неконъюгативных плазмид. При конъюгации донор может передать и неконъюгативные плазмиды за счёт связывания генетического материала последних с конъюгативной плазмидой.
Плазмиды бактериоциногении кодируют синтез бактериоцинов — белковых продуктов, вызывающих гибель бактерий того же или близких видов. Многие плазмиды, кодирующие образование бактериоцинов, также содержат набор генов, ответственных за конъюгацию и перенос плазмид. Подобные плазмиды относительно крупные (молекулярная масса 25-150*10 6 D), их довольно часто выявляют у грамотрицательных палочек. Большие плазмиды обычно присутствуют в количестве 1
2 копий на клетку. Их репликация тесно связана с репликацией бактериальной хромосомы.
Плазмиды патогенности контролируют вирулентные свойства многих видов, особенно энтеробактерий. В частности F-, R-плазмиды и плазмиды бактериоциногении включают tox+-транспозоны (мигрирующий генетический элемент, см. ниже), кодирующие токсинообразова-ние. Нередко tox+-транспозоны кодируют синтез интактных протоксинов (например, дифтерийного или ботулинического), активируемых клеточными протеазами, образование которых контролируют гены бактериальных хромосом.
Скрытые плазмиды. Криптические (скрытые) плазмиды не содержат генов, которые можно было бы обнаружить по их фенотипическому проявлению.
Плазмиды биодеградации. Обнаружен также ряд плазмид, кодирующих ферменты деградации природных (мочевина, углеводы) и неприродных (толуол, камфора, нафталин) соединений, необходимых для использования в качестве источников углерода или энергии, что обеспечивает им селективные преимущества перед другими бактериями данного вида. Патогенным бактериям подобные плазмиды придают преимущества перед представителями аутомикрофлоры.
— Вернуться в оглавление раздела «Микробиология.»
Мобильные генетические элементы прокариот: стратификация «общества» бродяжек и домоседов
Многообразие мобильных генетических элементов
Автор
Редакторы
Статья на конкурс «био/мол/текст»: Мобильные элементы генома прокариот обсуждаются в отечественных научных и научно-популярных изданиях незаслуженно редко. Однако именно эти агенты распространяют в популяциях микроорганизмов устойчивость к физическим и химическим факторам, в том числе ультрафиолету и антибиотикам. Или дарят приютившим их клеткам селективные преимущества, кодируя метаболические пути и факторы патогенности. Эти «путешественники» преодолевают не только межклеточные и межвидовые границы, но даже междоменные, перетаскивая с собой внушительный багаж ценной генетической информации. Прокариотический мобилом поразительно мозаичен, сложно стратифицирован и напоминает своеобразный «парк юрского периода», предоставляя возможность исследовать ранние этапы эволюции механизмов наследственности и изменчивости.
Конкурс «био/мол/текст»-2014
Эта статья представлена на конкурс научно-популярных работ «био/мол/текст»-2014 в номинации «Биоинформатика и молекулярная эволюция».
Главный спонсор конкурса — дальновидная компания Генотек.
Конкурс поддержан ОАО «РВК».
Спонсором номинации «Биоинформатика» является Институт биоинформатики.
Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма Helicon.
Свой приз также вручает Фонд поддержки передовых биотехнологий.
Организмы и геномы можно таким образом расценивать как секции биосферы, по которым гены глобально циркулируют с различной интенсивностью, и в которые персональные гены и опероны могут включаться, если они предоставляют достаточные преимущества.
K. Jeon и J. Danielli [1]
Характерная, но не уникальная, особенность прокариотических организмов (бактерий и архей) — способность передавать наследственную информацию не только «вертикально» (от предков к потомкам), но и активно обмениваться ею «горизонтально» (между «соседями») — путем конъюгации, трансформации и трансдукции. Горизонтальный генетический перенос (ГГП) может происходить между прокариотическими, эукариотическими и даже между прокариотическими и эукариотическими клетками, а также в пределах одной клетки. В настоящее время ГГП признан одним из основных механизмов адаптивной эволюции [2].
ГГП осуществляют мобильные генетические элементы (МГЭ) — чрезвычайно пёстрая группа «мигрантов» с различной склонностью к оседлости, в которую входят вирусы, плазмиды, транспозоны, интегроны, геномные острова и др. Революционные темпы развития молекулярно-биологического инструментария и пополнения баз «прочитанных» нуклеотидных последовательностей способствовали открытию удивительного мира МГЭ, или мобилома. Оказалось, что в геномах бактерий эти «бродяги» не только не являются маргиналами, но и выстроили сложную иерархию. И не так их легко различить. Основной виновник этого — всё тот же ГГП, предоставляющий неисчерпаемые возможности для генетической изменчивости. В результате наследственный материал организован модульно (рис. 1) и подобно матрёшке: МГЭ меньшего размера входят в состав более крупных и т.д. И не все они легки на подъём — иногда им нужны приличные стрессы или помощь товарища. Они часто путешествуют в другие клетки «зайцами», эксплуатируя элементы более высокого ранга. А могут и предательски обездвиживать друг друга. Итак, рассмотрим основные группы прокариотического «мобильного социума».
Рисунок 1. Мозаичная структура мобилизуемых и конъюгативных генетических элементов. В пунктирном круге приведены МГЭ (плазмиды, фаги, транспозоны), предоставляющие функциональные модули (указаны под чертой). Чёрные треугольники в функциональных модулях «заякоренного» геномного острова обозначают существование мутантных, нефункциональных форм этих модулей.
Основные сокращения
Вирусы: суперпаразиты и помощники
Вирусы (в т.ч. бактериофаги) и вироиды — субклеточные инфекционные агенты, которые могут воспроизводиться только внутри живых клеток («переключают» на собственное воспроизведение системы экспрессии наследственной информации клеток-хозяев), а вне клеток ведут себя как органические полимеры. Здесь я немного отклонюсь от прокариотических перипетий — уж очень интересны недавние открытия в мобиломе эукариот и даже вирусов.
«Мир РНК» — это гипотетический сценарий возникновения жизни на Земле, в основе которого лежит предположение о том, что исходно жизнь была основана только на молекулах РНК, а не ДНК или белках: «РНК у истоков жизни?». — Ред.
Вирусы паразитируют в клетках всех известных доменов — Eukarya, Archaea и Bacteria. Недавно был обнаружен ДНК-содержащий вирус «Спутник», паразитирующий на гигантском (различим с помощью светового микроскопа) мимивирусе акантамёбы (APMV) и названный по аналогии с бактериофагами вирофагом [4]. Вирофаг способен размножаться только при коинфицировании клетки амёбы мимивирусом, используя его «фабрику воспроизводства» и вызывая образование абортивных форм или патологически измененных капсидов APMV (рис. 2). ДНК «Спутника» — химера, совмещающая гены, заимствованные как у APMV, так и вирусов архей и неохарактеризованных морских вирусов.
Захватывающая история открытия вирусов вирусов рассказана в статье «. А на блохе — блошиночка поменьше». — Ред.
Рисунок 2. Частицы вирофага «Спутник» в мимивирусе.
В 2011 году были описаны еще 2 вирофага — OLV (Organic Lake Virophage) и Mavirus (Maverick Virus), причем множественные генетические параллели между Мавирусом и МП-транспозонами (гигантские транспозоны эукариот типа Maverick/Polinton) позволили предположить, что они эволюционировали от общего предка [6]. Отбор способствовал широкому распространению вирофага в клетках, поскольку паразитизм по отношению к гигантским вирусам повышал выживаемость инфицированных ими клеток, а приобретенная ретровирусная интеграза повышала шансы «закрепиться» в эукариотической клетке и трансформироваться в МП-транспозон.
В 2012 году охарактеризовали интегрированную в ДНК мимивирусов форму вирофага и даже новый класс МГЭ — трансповироны, способные встраиваться в ДНК и мимимирусов, и вирофагов [7]. Подобно бактериофагам, переносящим гены от одних бактерий к другим, вирофаги могут играть важную роль в ГГП между разными группами вирусов и их хозяевами.
Бактериофаги за счёт собственных тирозиновых рекомбиназ (интеграз) способны существовать в интегрированном (чаще в хромосому) состоянии — в форме профага. Однако при вырезании профага могут захватываться и упаковываться в вирусные «головки» фрагменты ДНК хозяина, которые в дальнейшем трансдуцируются в новые клетки и вместе с фаговой ДНК часто становятся «плацдармом» для рекомбинационных событий. Профаговая ДНК в некоторых случаях может составлять до 16% бактериального генома, причём постоянный обмен функциональными модулями между профагами, инфицировавшими одну клетку, приводит к формированию химерных фагов (P22 из Salmonella), а часто — к утрате способности к вырезанию и перманентному участию в эволюции бактериального генома.
Многие профаги кодируют факторы вирулентности, трансформируя нетоксигенные бактерии в агентов-убийц: профаг CTXphi из Vibrio cholerae кодирует холерный токсин, а упомянутый выше P22 — ферменты конверсии О-антигена сальмонеллы, позволяя ей уходить от иммунного надзора.
В составе фагов обнаруживают другие МГЭ (например, транспозоны, несущие гены антибиотикорезистентности) и их модули (системы репликации и переноса конъюгативных плазмид). Самый известный пример слияния модулей фагового и плазмидного происхождения — фаг Р1, способный реплицироваться и длительно поддерживаться вне хромосомы, ничем не отличаясь от плазмиды. Профаги разных бактерий детально рассмотрены в обзоре [8].
Плазмиды — маленькие гиганты больших процессов
Плазмиды — внехромосомные двуцепочечные молекулы ДНК, способные к длительному автономному существованию в клетках прокариот и некоторых эукариот. Чаще всего плазмидные ДНК суперскручены и ковалентно замкнуты в кольцо, однако у актиномицетов и спирохет встречаются и линейные формы, что обычно сочетается с линейной организацией хромосом. Размер плазмид обычно варьирует от 0,85 т.п.н. (pRKU1 из Thermotoga petrophila) до 600 т.п.н., но у бруцелл и ризобий описаны мегаплазмиды размером более 1 млн п.н., что иногда делает вопрос их дифференцировки от дополнительных хромосом риторическим [9]. Элиминация мегаплазмид, в отличие от хромосом, обычно не вызывает фатальных для бактериальной клетки последствий, однако вместе с плазмидами могут утратиться такие важные функции, как способность к фиксации азота и формированию симбиотических клубеньков (у ризобий).
На долю плазмидной ДНК может приходиться 1–15% наследственной информации бактериальной клетки, однако известны случаи, когда плазмидами контролируется до 25% (у некоторых Archaea) и даже до 40% информации (2 мегаплазмиды размером около 1,4 и 1,6 млн п.н. у Sinorhizobium meliloti).
Не являясь обязательными элементами генома, плазмиды обеспечивают селективное преимущество содержащим их микроорганизмам при освоении различных экологических ниш. При стабильном поддержании в клетке они «даруют» хозяину устойчивость к антибиотикам (R-плазмиды), солям тяжёлых металлов, ультрафиолетовому облучению, кодируют факторы патогенности, пути биосинтеза антибиотиков и бактериоцинов, системы рестрикции-модификации, симбиотические факторы, пути деградации органических и неорганических соединений (D-плазмиды), фиксации атмосферного азота [2]. Недавно показано, что некоторые плазмиды, кодируя специфические регуляторы транскрипции (AraC-, H-NS-типов и др.), могут изменять экспрессию и хозяйских генов.
Участие плазмид в ГГП обусловлено свойствами плазмидного «остова», в состав которого входят области, обеспечивающие инициацию репликации (rep-oriV, иногда — cop), стабильное наследование (у многих плазмид за это отвечают локусы par и mrs, системы постсегрегационной гибели бесплазмидных клеток), а также кластеры, обеспечивающие миграцию плазмид — системы мобилизации и конъюгации (mob, tra). Плазмиды классифицируют по размеру, копийности, кодируемым фенотипическим признакам и т.д., однако филогенетически обоснована только классификация по группам несовместимости на основе гомологии области rep-oriV.
Плазмидами часто мобилизуются сосуществующие с ними в одной клетке неконъюгативные МГЭ (но обладающие как минимум сайтом начала переноса oriT, а чаще и генами mob) и даже хромосомы. Мобилизация генов хромосомы возможна в случае интеграции в неё конъюгативной плазмиды. Это возможно, когда в обеих молекулах присутствуют одинаковые инсерционные последовательности (IS-элементы), обеспечивающие гомологичную рекомбинацию (типичный пример — F-фактор E.coli). Однако интеграция может быть и RecA-независимой, если плазмида кодирует тирозиновую интегразу (плазмиды стрептомицетов pSE101, pSAM2 и псевдомонад pKLK106). В этом случае интеграция чаще происходит в гены тРНК, но в некоторых хозяевах эта закономерность нарушается [3].
Плазмиды служат донорами функциональных модулей для других МГЭ (рис. 1), в результате чего формируются сложные мобильные мозаичные конструкции, осваивающие новые геномы. Плазмидные репликоны — «каркасы» многочисленных векторных систем и прекрасные модели для изучения механизмов экспрессии наследственной информации.
Транспозоны — универсальные генетические челноки
Транспозоны — МГЭ, перемещающиеся как в пределах одной молекулы ДНК, так и между разными репликонами одного генома (конъюгативные транспозоны — и между геномами). Фланкированы инвертированными повторами, а в центральной части содержат гены, ответственные за перемещение. Транспозоны прокариот подразделяют на IS-элементы, Tn-элементы и Mu-подобные фаги [10].
Интегроны — природные системы клонирования и экспрессии
Интегроны представляют собой «заякоренные» в транспозонах, плазмидах и хромосомах «платформы», включающие ген intI тирозиновой рекомбиназы (интегразы), промотор и сайт интеграции attI для «улавливаемых» генных кассет — ДНК-сегментов, содержащих только беспромоторную ОРС с уникальным рекомбинационным сайтом attC (рис. 3, а).
В процессе перемещения от одного интегрона к другому или от одного сайта в интегроне к другому сайту, генная кассета существует как автономная и неспособная к репликации двунитевая кольцевая молекула ДНК. Кассеты, захватываемые интегронами и суперинтегронами, могут содержать гены факторов патогенности, метаболических путей, детерминанты антибиотико- и дезинфектантоустойчивости или гены рестрикционных ферментов. Интеграза IntI катализирует сайт-специфическую рекомбинацию между сайтами attI и attC, в результате чего происходит интеграция или вырезание кассеты. Множество событий интеграции ведет к образованию мультикассетных рядов, в которых все кассеты фланкированы attC-сайтами. Известны хромосомные суперинтегроны, включающие до 179 генных кассет (у Vibrio cholerae), однако среди клинически значимых бактерий большинство интегронов содержит до 5–8 генных кассет. Наиболее эффективно экспрессируются кассеты, расположенные ближе к промотору, но изменение селективного давления может способствовать перестройкам в составе интегрона.
Рисунок 3. Интегрон — ДНК, улавливающая генные кассеты и распространяемая в составе более высокоорганизованных МГЭ. а — Структура интегрона класса 1. Pint — промотор интегразы, Pant — промотор кассет антибиотикорезистентности. Остальные элементы объяснены в тексте; б — Иерархическая организация МГЭ.
Все интегроны, несущие кассеты антибиотикорезистентности, разделяют на 5 классов на основании гомологии последовательностей кодируемых ими интеграз. Большинство интегронов антибиотикорезистентности относится к классу 1 (часто ассоциированы с Tn21-семейством). Они включают два концевых невариабельных региона, называемых константными последовательностями (constant sequences, CS), и высоковариабельный центральный участок. В одном конце интегрона (5’-CS), обычно находятся intI, attI и промотор, от которого экспрессируются гены кассеты. В другом конце (3’-CS), находится часть гена qacEΔ1, который, будучи интактным, несёт устойчивость к четвертичным аммониевым соединениям. За ним расположен ген sul, определяющий резистентность микроорганизма к сульфаниламидам, и 1–2 гена с неустановленной функцией — orf5 и иногда orf6 (рис. 3, а). Интегроны класса 2 ассоциированы с Tn7-семейством, классов 3 и 5 — с плазмидами, класса 4 — с конъюгативным геномным островом SXT Vibrio cholerae.
Не являясь «самораспространяемыми» элементами, интегроны активно переносятся в бактериальных популяциях за счёт МГЭ, в которых они локализованы (рис. 3, б), подвергаются рекомбинации (известны химерные интегроны из модулей разных классов), деградации, «улавливают» новые кассеты, причем функции огромного числа кассет до сих пор не известны [13].
Геномные острова — «пластилин» для эволюционного процесса
Геномные острова (genomic islands, ГО) — сегменты ДНК, присутствующие в геноме одних штаммов и отсутствующие у других, даже близкородственных штаммов одного вида. Строение «усредненного» ГО показано на рис. 4. Для геномных островов характерно:
Рисунок 4. Схематическое изображение структуры геномного острова в составе бактериальной хромосомы. DR — прямые повторы ДНК хромосомы, фланкирующие ГО; IS — инсерционные элементы.
Недавно у штаммов клона С Pseudomonas aeruginosa был обнаружен ГО — pKLC102 (103,5 т.п.н.) — плазмидно-фаговый гибрид, предположительно несущий детерминанты патогенности, способный существовать как в интегрированном в хромосому состоянии, так и в форме автономной плазмиды [15]. Различные ОРС pKLC102 гомологичны типичным генам бактерий, ассоциированных с ризосферой растений, что может указывать на эволюционирование этого ГО в соответствующих микробных сообществах. У некоторых штаммов клона С, выделенных из лёгких больных муковисцидозом, этот ГО был необратимо «заякорен» в хромосоме из-за внедрения в него транспозона TNCP23 (химера из IS6100, интегрона класса 1 и плазмиды), что вело и к крупным хромосомным инверсиям. Внедрению транспозона, несущего интегрон с кассетой устойчивости к аминогликозидам, видимо, способствует лечение больных муковисцидозом соответствующими антибиотиками.
Геномные острова гонококков (GGI) кодируют систему секреции типа IV (T4SS), родственную плазмидным системам конъюгационного переноса. Посредством T4SS распространяется не только сам элемент и его продукты, но секретируется в окружающую среду и хромосома Neisseria gonorrhoeae, которая затем может трансформировать другие бактерии и участвовать в рекомбинационных событиях.
Помимо островов патогенности огромный интерес представляют «экологические» острова β- и γ-протеобактерий, многие из которых конъюгативны и кодируют ферменты биодеградации хлорированных и нитроароматических соединений. В частности, clc-элемент из Pseudomonas sp. B13 несёт amn-кластер биодеградации аминофенола.
Эксцизия, а, следовательно, и распространение ГО, строго регулируется. Часто это происходит под quorum-sensing-контролем («чувством кворума») в стационарной фазе бактериального роста. Мобилизация многих ГО происходит в результате SOS-ответа на повреждения ДНК, вызванные антибиотиками (SXT-элемент V. cholerae, способный мобилизовать и «приютившую» его ДНК) или другими факторами среды [14].
Главные нарушители границ и их мекка
Крупнейшие из самых подвижных «платформ» для сборки всевозможных мобильных элементов и модулей — плазмиды и бактериофаги, но последние обычно имеют очень ограниченный круг хозяев. Плазмиды — более широко представленный и разнообразный МГЭ прокариотического мира, поскольку этот элемент способен преодолевать не только межвидовые барьеры, но и междоменные (энциклопедический пример — Ti-плазмиды Agrobacterium tumefaciens, инфицирующие эукариотические клетки). Плазмидные модули входят в состав конъюгативных транспозонов и геномных островов (рис. 1), а в самих плазмидах находят приют IS-элементы, транспозоны, интегроны, фаговые модули и даже геномные острова. Оказалось, что влияния ГГП не избежали и внутриклеточные паразиты, которые, считалось, должны быть изолированы от потенциальных доноров ДНК: конъюгативные плазмиды, причастные к вирулентности, обнаружены у Rickettsia felis, как найдены плазмиды и у внутриклеточной бактерии Buchnera — эндосимбионта тли.
Можно выделить несколько «горячих точек» ГГП: ризосфера растений, биоплёнки, разлагающиеся материалы, клетки простейших (жизнеспособные Chlamydiae и Rickettsia обнаружены в амёбах) [16]. Всё перечисленное можно встретить в отстойниках (станциях очистки воды), где смешиваются сточные воды различного происхождения, в т.ч. больничные и фармпроизводств, обеспечивающие селективное давление для обмена МГЭ в условиях высокой бактериальной плотности и метаболической активности. Процесс трансформации клеток молекулами ДНК происходит в среде постоянно. Свободная ДНК может сохраняться в окружающей среде тысячелетиями, а природной компетентностью обладает как минимум 90 видов почвенных и водных прокариот. Однако ведущую роль в распространении между бактериями детерминант резистентности и биодеградации играют конъюгативные и мобилизуемые плазмиды.
Из обитателей отстойников, а что самое опасное — из бактерий вод, уже прошедших очистку, — в большом количестве выделяют плазмиды IncP-1-группы несовместимости (в системе классификации плазмид псевдомонад) [12]. Эти относительно небольшие молекулы дарят хозяевам массу селективных преимуществ (от множественной резистентности до биодеградации хлорорганики) и способны распространяться не только среди псевдомонад, но и практически всех грамотрицательных и некоторых грамположительных бактерий. Кроме того, они способны мобилизовать неконъюгативные R-плазмиды (например, IncP-4) к переносу в ещё более широкий спектр бактерий, а также в дрожжи и клеточные линии млекопитающих [17].
Селективное давление, оказываемое присутствием в сточных водах как лекарств, так и нефтепродуктов, тяжёлых металлов и сурфактантов, стабилизирует соответствующую плазмидную ДНК в бактериальных популяциях отстойников. Интересно, что возможна неспецифическая, «побочная», селекция R- и D-плазмид присутствием тяжёлых металлов, устойчивость к которым часто кодируется плазмидами этих двух типов. Возможна и селекция R-плазмид присутствием в среде детергентов, содержащих четвертичные аммонии: детерминанты антибиотикорезистентности и ген qacEΔ1 часто «соседствуют» в плазмидных интегронах. Кроме того, кодируемые R-плазмидами эффлюкс-помпы бактерии используют не только для выброса поступающих в клетку антибиотиков, но и для транспортировки других соединений, поэтому даже при отсутствии в среде антибиотиков соответствующие плазмиды могут оказаться полезными и стабильно поддерживаться в бактериальных популяциях. Отстойники, по сути, служат котлами по переплавке геномов, где под множественным селективным давлением происходит обмен наследственной информацией между патогенными и сапротрофными микроорганизмами, отбор оптимальных комбинаций генов, которым ничто не мешает распространяться за пределами очистных сооружений. И именно плазмиды играют важнейшую роль в поддержании бактериального «коммунального генетического пула» [9].
Биология плазмид в России и за рубежом. Что же можно возвести на крепком фундаменте?
Несмотря на колоссальный вклад плазмид в распространение бактериальной резистентности, в биодеградативный потенциал среды, в эволюцию геномов и биотехнологию, заниматься изучением этих молекул в России теперь не модно. Показательно, что в огромной стране работает всего одна (!) лаборатория, специализирующаяся на биологии плазмид (ИБФМ РАН, г. Пущино). Особо неблагодарное дело — исследовать не антибиотикорезистентность, практическая значимость которой так очевидна, а фундаментальные процессы — репликацию, сегрегацию, конъюгацию. Но именно эти процессы позволяют исследователю заглянуть в «эволюционные ясли» механизмов наследственности, лежат в основе классификации плазмид и определяют возможность поддержания клинически/биотехнологически важных признаков в конкретной бактериальной популяции.
Как же относятся к плазмидам зарубежные биологи? Статьи коллективов из Японии, Германии и Испании, посвящённые структуре и функционированию внехромосомных ДНК бактерий, регулярно появляются на страницах таких авторитетных изданий, как Nature, Journal of Bacteriology, EMBO и др. В последние годы признанных экспертов в области биологии плазмид «догнали» учёные из США, Китая, Польши, Белоруссии.
Как и в любой другой науке, практически и мировоззренчески ценные открытия в биологии плазмид опираются на возводимый десятилетиями теоретический фундамент. В этом отношении показательна «биография» плазмиды pPS10 фитопатогена Pseudomonas savastanoi. Испанские биологи копили знания о механизмах её поддержания 30 лет! В итоге на базе белка-инициатора репликации этой плазмиды (RepA) была разработана модель для изучения амилоидных протеинопатий, наблюдаемых при нейродегенеративных заболеваниях человека [18]. Кроме того, обнаружение структурного сходства белка RepA с компонентами эукариотического origin recognition complex заставило учёных выдвинуть предположение о слиянии на каком-то эволюционном этапе гена инициатора репликации хромосомы общего предка эукариот и архей и гена repA бактериальных плазмид типа pPS10 [19]. Таким образом, некоторые молекулярные модули эукариотических организмов, включая человека, могут быть унаследованы напрямую от плазмид прокариот.
Внушителен и «послужной список» плазмиды биодеградации карбазола pCAR1: японские микробиологи по ней написали не менее пяти работ, причём именно гены биодеградации их интересовали в последнюю очередь, а в первую — механизмы поддержания и распространения, взаимодействие с бактериальной хромосомой. Авторы «CARологии» показали, например, что глобальный регулятор транскрипции H-NS-семейства, кодируемый pCAR1, модулирует экспрессию хромосомных генов, в том числе, усиливает транскрипцию mexEF-oprN-оперона (гены эффлюкс-системы), повышая устойчивость бактерии-хозяина к антибиотикам [20].
С годами становится ясно, что самое интересное лежит не на поверхности. Связь плазмид с распространением антибиотикорезистентности очевидна, и соответстующие гены изучаются давно, однако борьба с этим опасным явлением пока успехом не увенчалась. И вот тут-то на помощь могут прийти всё те же, такие «неинтересные», области rep-ori-par, ответственные за поддержание плазмидной ДНК. Именно их рассматривают в качестве мишеней антиплазмидной терапии, которой в перспективе можно было бы дополнить лечение некоторых бактериальных инфекций.
Потенциал мобильных элементов прокариот как объектов исследования почти неиссякаем. На какие же аспекты функционирования «мобильного социума» будут направлены взгляды учёных в будущем? Разумеется, микробиологи продолжат «вербовать» эти элементы для удовлетворения биотехнологических нужд общества (векторы, препараты для биоремедиации) и искать способы борьбы с негативными для человека последствиями горизонтального генетического переноса (бактериальная резистентность и вирулентность). В то же время, внимание научного сообщества будет направлено и на дальнейшее вскрытие вклада МГЭ в эволюцию организмов. В ближайшие годы также прогнозируется массовое обращение микробиологов к мобилому кишечной микрофлоры: публикации о циркуляции плазмид в этих загадочных бактериальных коллективах уже появляются в респектабельных изданиях. Поиски будут направлены, в том числе, на выяснение роли МГЭ наших симбионтов в формировании метаболических путей и развитии заболеваний.
