Микроорганизмдер-биотехнологияның негізгі объектілері. Вироидтар. плазмидтер, приондар

Дәріс 5. 

Микроорганизмдер  – биотех-нологияның негізгі объектілері. Вироидтар, плазмидтер, приондар (4-дәрістің жалғасы)

 

Тіршілік әрекеті жасушалы деңгейде пайда болады деп есептеп, вирустарды, вироидтарды, плазмидтер мен приондарды молекулалы инфекциялы агенттер деп қарастырады. Кейде вирустарды тірі жүйелер деп, ал вироидтарды, плазмидтер мен приондарды молекулалы инфекциялы агенттер деп қарастырады.

Вироидтар — өзінің ақуыздарын кодтамайтын, төмен молекулалы бір тізбекті сақиналы РНҚ болып табылатын, өте майда инфекциялық агенттер (молекулярлық массасы 150 000-170 000) болып табылады. 

Вироидтар – төмен молекулалы, сақиналы, РНҚ бір тізбекті болып келетін, инфекциялы агенттер болып табылады. Олардың вирустарға тән ақуызды қабықшасы жоқ. Өсімдіктердің ауруларын туғызады. Вироидтарды 1967 жылы Теодор О. Динер ашты.

Вироидтардың қасиеттері. Ең кішкентай вироидтар сары күріш дақтарының вирустары небәрі 220 нуклеотидтер ұзындығына ие. Инфекция туғызуға қабілеті бар ең кішкентай вирус геномының өлшемі шамамен 2000 негізден тұрады. Вироидты РНҚ-ғы нуклеотидтер саны 246-371 аралығында болады. Вироидты РНҚ химиялық және физикалық факторларға аса тұрақты болып келеді. Вирустармен салыстырғанда, вироидтар жоғары температураға да берік болады. Мысалы, хризантемалардың ергежейлік вироиды қайнату барысында да өзінің инфекциялық қабілетін сақтайды. Вироидтардың морфологиялық қасиеттерін зерттеу барысында 2 құрылымдық пішін байқалады: сызықты (37-50 нм) және сақиналы (100 нм-ге дейін) және олар инфекциялық қабілетке ие. Препараттардағы сызықты молекулалар саны әлдеқайда көп (шамамен 70%). Mg++ иондары бар болса сақиналы құрылымдар сызықтық құрылымға айнала алады. Вироидтар өздігінен гибридизациялану қабілетіне ие. Сондықтан оларды анықтау барысында нитроцеллюлозды қағазда гибридизациялау әдістерін пайдаланады.

Вироидтардың репликациясы. Вироидтар қожайын жасушаларында өздігінен репликацияланады. Репликация жасушалы ферменттермен жүзеге асырылады. Бірақ, вироидтардың репликация механизмі әлі толық зерттелмеген. Дегенмен, репликация қожайын – өсімдігінің репликаза ферментінің қатысында жасуша ядросында өтетіндігі белгілі болып отыр. Түзілетін комплементарлы РНҚ-ның минус-тізбектерінен плюс-тізбектері көшіріледі (копируются). Осы плюс-тізбектері оларды кескен соң және сақиналаған соң РНҚ-ның вироидты молекуласын түзеді.

Вироидтардың патогенезі. Вироидтар әдетте қожайыннан қожайынға вегетативті көбею барысында беріледі, кейбір түрлері тұқым мен тозаң арқылы, немесе тасымалдағыш шыбын-шіркейлер арқылы беріледі. Патогенез механизмі қожайынның физиологиялық маңызды гендерінің сайленсинг РНҚ есебінен репрессиялануына негізделе алады. Ол кіші интерферирленетін РНҚ-мен (siРНК) басқарылады. siРНК рөлінде вироидтардың екі тізбекті және шпилькалы фрагменттері қызмет атқарады. Олар қожайын РНҚ-ның комплементарлы бөліктерімен және рибонеуклеазамен байланысады. Түзілген кешен қожайын РНҚ-сын деградациялайды.

Приондар (ағыл.тіл.— ақуызды жұқпалы бөлшектер) — адамдар мен жануарлардың жүйке жүйесінде бірқатар ауруларды туызатын және нуклеин қышқылдары жоқ ақуызды инфекциялы агенттер.

Прион – бас миының дегенерациясына әкелетін, субмикроскопты инфекциялы бөлшек. Ақуыз бен нуклеин қышқылынан (ДНҚ және РНҚ) құралған вирустармен салыстырғанда, приондар нуклеин қышқылы – тектік зат молекулалары болмайтын, вирустардан да майда ақуызды бөлшектер болып табылады. Прион негізінен прионды ақуыздан тұрады, ол жүйке жасушаларының бетінде байқалады. Қалыпты прионды ақуыз кодталады. Бірақ осы қалыпты ақуызды синтездеу барысындағы ақаулар,  өзгеше, атипті молекулалардың пайда болуына әкеліп соқтырады, олар инфекциялы болады.

Прионды ауруларға жүйке ұлпаларында  вакуолялардың және амилоидты бляшкалардың пайда болуы тән; нәтижесінде  мидың өзіндік губка тәрізді  ұлпалары қалыптасады. Қазіргі күні адамның жүйке ауруларының кем дегенде үшеуінің прионды екендігі анықталды. Олардың барлығы бақытымызға орай сирек кездесетіндер тобына жатады.

Плазмидтер – экстрахромосомалы генетикалық материал (ДНҚ), вирустармен салыстырғанда қарапайым болып келетін ағзалар, бактерияларға қосымша пайдалы қасиеттер береді. Молекулярлы массасы бойынша хромосомалы ДНҚ-дан әлдеқайда аз, құрамында 40-50 гендер бар. Вирустарға ұқсас бірқатар қасиеттері бар – энергияны бөліп шығару мен ақуызды синтездеу жүйесі жоқ, геномды өздігінен репликациялайды, жасуша ішілік паразит болып табылады.

Олардың жеке класс болып бөлінуі вирустардан  бірқатар айырмашылықтарының барымен  анықталады.

1.Олардың  тіршілік ету ортасы – тек  қана бактериялар

2.Плазмидтер  бактерияларға қосымша қасиеттер  бере отырып, бактериялармен бірге  тіршілік етеді.

3.Олардың  геномы екітізбекті ДНҚ түрінде  болады.

4.Плазмидтер  ешқандай қабықшасы жоқ «жалаңаш»  геномдар болып табылады, олардың  репликациясы құрылымдық ақуыздардың  синтезін және өздігінен жинақтау  поцестерін қажет етпейді.

 

Плазмиды могут распространяться по вертикали (при клеточном делении) и по горизонтали, прежде всего путем конъюгационного переноса. В зависимости от наличия или отсутствия механизма самопереноса (его контролируют гены tra- оперона) выделяют конъюгативные и неконъюгативные плазмиды. Плазмиды могут встраиваться в хромосому бактерий- интегративные плазмиды или находиться в виде отдельной структуры- автономные плазмиды ( эписомы).

Классификация и биологическая  роль плазмид.

Функциональная классификация  плазмид основана на свойствах, которыми они наделяют бактерии. Среди них- способность продуцировать экзотоксины и ферменты, устойчивость к лекарственным препаратам, синтез бактериоцинов.

Основные категории плазмид.

1.F- плазмиды - донорские функции, индуцируют деление (от fertility - плодовитость). Интегрированные F - плазмиды- Hfr- плазмиды (высокой частоты рекомбинаций).

2.R- плазмиды (resistance) - устойчивость к лекарственным препаратам.

3.Col- плазмиды- синтез колицинов (бактериоцинов)- факторов конкуренции близкородственных бактерий (антогонизм). На этом свойстве основано колицинотипирование штаммов.

4.Hly- плазмиды- синтез гемолизинов.

5.Ent- плазмиды- синтез энтеротоксинов.

6.Tox- плазмиды- токсинообразование.

Близкородственные плазмиды не способны стабильно сосуществовать, что позволило объединить их по степени родства в Inc- группы (incompatibility- несовместимость).

Биологическая роль плазмид многообразна, в том числе:

- контроль генетического  обмена бактерий;

- контроль синтеза факторов  патогенности;

- совершенствование защиты  бактерий.

Бактерии для плазмид- среда обитания, плазмиды для них- переносимые между ними дополнительные геномы с наборами генов, благоприятствующих сохранению бактерий в природе.

№ 38 Плазмиды бактерий, их функции и свойства. Использование плазмид в генной инженерии. 
 
 
Плазмиды — внехромосомные мобильные генетические структуры бактерий, представляющие собой замкнутые кольца двунитчатой ДНК. По размерам составляют 0,1—5 % ДНК хромосомы. Плазмиды способны автономно копироваться (реплицироваться) и существовать в цитоплазме клетки, поэтому в клетке может быть несколько копий плазмид. Плазмиды могут включаться (интегрировать) в хромосому и реплицироваться вместе с ней. Различают трансмиссивные и нетрансмиссивные плазмиды. Трансмиссивные (конъюгативные) плазмиды могут передаваться из одной бактерии в другую. 
 
^ Среди фенотипических признаков, сообщаемых бактериальной клетке плазмидами, можно выделить следующие: 
 
1) устойчивость к антибиотикам; 
 
2) образование колицинов; 
 
3) продукция факторов патогенности; 
 
4) способность к синтезу антибиотических веществ; 
 
5) расщепление сложных органических веществ; 
 
6) образование ферментов рестрикции и модификации. 
 
Термин «плазмиды» впервые введен американским ученым Дж. Ледербергом (1952) для обозначения полового фактора бактерий. Плазмиды несут гены, не обязательные для клетки-хозяина, придают бактериям дополнительные свойства, которые в определенных условиях окружающей среды обеспечивают их временные преимущества по сравнению с бесплазмидными бактериями. 
 
^ Некоторые плазмиды находятся под строгим контролем. Это означает, что их репликация сопряжена с репликацией хромосомы так, что в каждой бактериальной клетке присутствует одна или, по крайней мере, несколько копий плазмид. 
 
Число копий плазмид, находящихся под слабым контролем, может достигать от 10 до 200 на бактериальную клетку. 
 
Для характеристики плазмидных реплико-нов их принято разбивать на группы совместимости.Несовместимость плазмид связана с неспособностью двух плазмид стабильно сохраняться в одной и той же бактериальной клетке. Несовместимость свойственна тем плазмидам, которые обладают высоким сходством репликонов, поддержание которых в клетке регулируется одним и тем же механизмом. 
 
Некоторые плазмиды могут обратимо встраиваться в бактериальную хромосому и функционировать в виде единого репликона. Такие плазмиды называются интегративными или эписомами. 
 
У бактерий различных видов обнаружены R-плазмиды, несущие гены, ответственные за множественную устойчивость к лекарственным препаратам — антибиотикам, сульфаниламидам и др., F-плазмиды, или половой фактор бактерий, определяющий их способность к конъюгации и образованию половых пилей, Ent-плазмиды,детерминирующие продукцию энтеротоксина. 
 
Плазмиды могут определять вирулентность бактерий, например возбудителей чумы, столбняка, способность почвенных бактерий использовать необычные источники углерода, контролировать синтез белковых антибиотикоподобных веществ — бактериоцинов, детерминируемых плазмидами бактериоциногении, и т. д. Существование множества других плазмид у микроорганизмов позволяет полагать, что аналогичные структуры широко распространены у самых разнообразных микроорганизмов. 
 
Плазмиды подвержены рекомбинациям, мутациям, могут быть элиминированы (удалены) из бактерий, что, однако, не влияет на их основные свойства. Плазмиды являются удобной моделью для экспериментов по искусственной реконструкции генетического материала, широко используются в генетической инженерии для получения рекомбинантных штаммов. Благодаря быстрому самокопированию и возможности конъюгаци-онной передачи плазмид внутри вида, между видами или даже родами плазмиды играют важную роль в эволюции бактерий. 

Классификация[править]

Классификация вироидов основана на анализе нуклеотидной последовательности. Если уровень гомологии выше 90%, то сравниваемые вироиды считаются одного вида ^[2]. Различают два семейства Pospiviroidae и Avsunviroidae. Названы по сокращению первых найденных представителей: Potato spindle tuber viroid (PSTVd) и Avocado sunblotch viroid (ASBVd). Pospiviroidae отличается наличием центральной консервативной части и отсутствием в составе генома рибозимов типа hammerhead. Avsunviroidae напротив не имеют центральной консервативной части, но обладают в составе генома рибозимами типа hammerhead. Pospiviroidae, как правило располагаются в ядре клетки генома-хозяина, а Avsunviroidae в хлоропласте.

Особо выделен класс вироидов, так называемых сателлитных РНКs, репликация которых определяется вирусом помощником (helper virus).

Связь с вирусами[править]

Hepatitis D virus (HDV) филогенетически близок к вирусам растений - вироидам, сателлитным РНК. Его называют "вироидоподобной сателлитной РНК", "субвирусным патогеном человека" ^[3]. Общими с вироидами являются особенности структуры, необходимость во вспомогательном вирусе, а также сам механизм репликации, получивший наименование "катящегося кольца" (rolling circle). В структуре HDV, в отличие от HBV, нет собственной полимеразы. Ее функции, как полагают, компенсирует клеточная полимераза. Ни HDV, ни вироиды не кодируют их собственную полимеразу. Вместо этого ответ HDV и вироидов требует полимеразы хозяина, которая может использовать РНК как шаблон ^[4]. Такой механизм доказан при репликации вироидов. Также HDV и вироиды содержат рибозимы - последовательности РНК, которые обладают каталитической активностью.

Таким образом имеются основания полагать, что HDV занимает как бы промежуточное место между вирусами растений и вирусами животных и, по-видимому, относится к наиболее древним формам жизни ^[5] [6].

Значительная разница между  вироидами и HDV - это то, что, в то время как вироиды не производят белков, HDV производит два белка, названные маленькими и большими антигенами дельты (HDAg-S и HDAg-L).