Plazmidok

A DNS-polimerázok nem tudnak DNS-láncot szintetizálni rövid RNS primer – primer – nélkül. A vezető lánc szintéziséhez csak egy magra van szükség, amellyel megkezdődik a megkettőződés, amely a molekula legvégéig folytatódik. A lemaradó szál szintetizálása szakaszosan történik: a rövid Okazaki fragmentumok szintéziséhez minden alkalommal új magra van szükség. Lineáris plazmidok megkettőzésekor a vezető szál replikációja eléri a végét, de a lemaradó szál megkettőződése nem fejeződik be: az RNS primer nem szintetizálható szigorúan a szál 3' végén. Ugyanez a probléma szembesül a lineáris bakteriális kromoszómákkal. Különböző baktériumok különböző módokat találtak a probléma megoldására. A Borrelia esetében mindkét lánc vége kovalens kötéssel kapcsolódik egymáshoz kis hajtűket képezve . Egy ilyen pszeudogyűrűs szerkezet tipikus kétirányú replikáción megy keresztül. Az így létrejövő gyűrűs szerkezetet speciális enzimek két lineáris plazmidra vágják, és a végükön hajtűket alakítanak ki. A Streptomycesben egy speciális TP fehérje kapcsolódik a DNS 5' végéhez (az angol  terminális fehérje  - terminális fehérje szóból). A késleltetett szálreplikáció során a TP speciális másodlagos struktúrákat hoz létre a nem duplázott régiók régiójában a bennük található fordított ismétlődések miatt [18] .

A plazmidok funkciói

Sok plazmid nem okoz észrevehető változásokat gazdája fenotípusában , ilyenkor rejtélyesnek nevezik őket. Mások éppen ellenkezőleg, felelősek azért, hogy a gazdasejtben olyan tulajdonságok nyilvánuljanak meg, amelyek elősegítik a túlélést bizonyos környezeti körülmények között, és e plazmidok nélkül a baktériumok elpusztulnának, vagy növekedésük lelassulna [19] .

A plazmidok különféle funkciókat tölthetnek be a baktériumsejtekben. A legtöbbet vizsgált plazmidok antibiotikum rezisztencia géneket tartalmaznak . Ezeket R-plazmidoknak , vagy R-faktoroknak (az angol  ellenállás  - rezisztencia szóból) nevezik [20] . Maguk a rezisztencia gének nagyon sokfélék, a plazmid által kódolt β-laktamázoktól , amelyek elpusztítják a penicillint , a membránfehérjékig, amelyek megakadályozzák a tetraciklin sejtekben való felhalmozódását. A rezisztenciaplazmidok gyors terjedése miatt a baktériumpopulációkban az antibiotikum-rezisztencia problémája egyre akutabbá válik. A baktériumok egyidejűleg több antibiotikummal szemben is rezisztenciát szerezhetnek, ha több plazmid véd a különböző antibiotikumokkal szemben, vagy ha egy plazmid különböző antibiotikumokkal szembeni rezisztenciagéneket tartalmaz. Az antibiotikum-rezisztencia géneket hordozó plazmidok kialakulásában fontos szerepet játszanak a transzpozonok , amelyek elősegítik a gének átvitelét egyik plazmidból a másikba, vagy bakteriális kromoszómából a plazmidba [21] . Az R-faktor a transzdukció és a normál sejtosztódás során továbbítódik. Egyes R-plazmidok átvihetők bakteriális konjugációval , azaz konjugatívak. Lehetséges az R-plazmidok átvitele különböző fajokhoz, nemzetségekhez , sőt családokhoz tartozó baktériumok között . Így az RP 1 , a Pseudomonadaceae családba tartozó Pseudomonas nemzetséghez tartozó baktériumok ampicillinnel , tetraciklinnel és kanamicinnel szembeni rezisztenciájáért felelős plazmid átvihető az Enterobacteriaceae családba tartozó E. coliba [22] .

Sok plazmid tartalmaz antimikrobiális tulajdonságokkal rendelkező fehérjéket kódoló géneket, amelyek általában csak a közeli rokon élőlényekre károsak. Például egyes E. coli törzsek olyan fehérjéket termelnek, amelyek elpusztítják más E. coli törzsek sejtjeit . Ezeket a fehérjéket colicinnek , a képződésükre képes törzseket pedig kolicinogénnek nevezik. A kolicin gének a plazmidokon (Col-plazmidokon) helyezkednek el, és ugyanazok a plazmidok tartalmaznak olyan géneket, amelyek megvédik az őket termelő sejteket a kolicinoktól [23] . Egyes baktériumok olyan fehérjéket kódolnak, amelyek mérgezőek a nem bakteriális szervezetekre. Az E. coli enteropatogén törzsei úgynevezett enterotoxinokat kódoló Ent plazmidokkal [24] rendelkeznek . Számos Gram-pozitív ( Staphylococcus aureus , Streptococcus pyogenes stb.) és Gram-negatív ( Pseudomonas aeruginosa , P. morgani , E. coli stb.) baktérium rendelkezik Hly-plazmidokkal, amelyeket hemolitikus aktivitású plazmidoknak is neveznek. Toxikus hemolizin fehérjék génjeit hordozzák, amelyek képesek feloldani az állati és emberi eritrociták membránját [25] .

Egyes patogén baktériumokban a gazdaszervezetre ható toxinokat kódoló gének a plazmidokon helyezkednek el. Az ilyen plazmidok miatt egyes E. coli törzsek koleraszerű betegséget okozhatnak . Az E. coli a koleratoxinhoz hasonló LT toxinokat választ ki , de Vibrio cholerae -ben a toxint kódoló gén a profágban található, és nem a plazmidban [26] . A plazmidok gyakran olyan fehérjéket kódolnak, amelyek szükségesek a patogén baktériumok virulenciájához, vagy fokozzák azt. Ilyen plazmid létezik például a Yersinia nemzetség fajaiban , beleértve a Yersinia pestist , amely a pestis  kórokozója . A plazmid olyan fehérjéket kódoló géneket tartalmaz, amelyek lehetővé teszik a baktérium számára, hogy olyan anyagokat fecskendezzen be az immunsejtekbe, amelyek megzavarják vagy akár elpusztítják azokat [27] . Számos patogén baktérium, például néhány patogén E. coli törzs rendelkezik antigén kolonizációs plazmidokkal , amelyek az antigénszintézisért felelős géneket tartalmazzák [28] .

A növényekben megbetegedést okozó baktériumok specifikus plazmidokkal rendelkeznek, mint például az Agrobacterium tumefaciens , amely daganatszerű képződményeket , úgynevezett gallákat okoz . Ennek a baktériumnak a patogén törzsei egy T-plazmidot vagy Ti-plazmidot (az angol  tumor inducing  - „causing a tumor” szóból) hordoznak, és ennek a plazmidnak egy része átkerül a növényi sejtekbe . A hüvelyesek gyökércsomóit okozó nitrogénkötő baktériumokban ( pl. Rhizobium ) a csomózáshoz és a nitrogénkötéshez szükséges gének a plazmidokon találhatók [27] .

A plazmidok gyakran új anyagcsere-utakat biztosítanak tulajdonosuknak . Például a laktóz fermentációs képessége átvihető a plazmidokkal együtt. Ebben a tekintetben a baktériumok laboratóriumi diagnózisa sajátos biokémiai tulajdonságaik alapján nagyon nehéz. Például a Salmonella nemzetség biokémiailag patogén képviselői a nem patogén E. coli törzsekből pontosan megkülönböztethetők laktóz fermentáló képességükről. A plazmidok olyan géneket tartalmazhatnak, amelyek más cukrok fermentációjáért felelősek , mint például a szacharóz , a karbamid hidrolízise vagy a hidrogén-szulfid képződése [10] .

A plazmidokban található gének lehetővé teszik tulajdonosaik számára, hogy elpusztítsák a potenciálisan mérgező vegyületeket. Például a Pseudomonas putida rendelkezik egy pWWO plazmiddal, amely számos olyan enzim génjét tartalmazza, amelyek a ciklikus szénhidrogéneket toluol és xilol benzoáttá alakítják . Tartalmazza a benzoát metabolitokká történő lebontásáért felelős operont is, amely felhasználható bioszintetikus folyamatokban vagy energiatermelésben . Ezért a Pseudomonas putida olyan körülmények között nőhet, ahol a toluol az egyetlen szénforrás . A baktériumok azon képessége, hogy le tudják bontani a környezetre káros vegyületeket, a bioremediáció alapja [29] .

Az alábbi táblázat példákat sorol fel az egyes természetes plazmidokra és az általuk betöltött funkciókra [19] :

Átvitel

A plazmidokat egy baktériumsejt megszerezheti egy másik sejttel való közvetlen érintkezés útján (konjugáció), vagy befoghatja a környezetből (transzformáció) [30] .

A plazmidok baktériumokból történő megszerzésének fő módszere a konjugáció. Ezt a folyamatot 1946-ban E. Tatum és J. Lederberg írta le E. coliban , később a konjugációt más baktériumokban is felfedezték, köztük Proteus , Klebsiella , Shigella , Salmonella és Pseudomonas [31] . A két sejt közötti érintkezést a plazmid-specifikus nemi pilusok közvetítik . Azokat a plazmidokat, amelyek konjugációt kezdenek el saját szaporodásukhoz, konjugatívnak nevezzük. Egyik sejtről a másikra mozogva néha nem konjugatív plazmidokat vagy genomi DNS másolatot visznek magukkal. A ragozási folyamat általános sémája a következő. A baktériumok közötti érintkezés üreges fehérjepilusok segítségével jön létre. A donor sejtben a plazmid DNS-láncait szétválasztják, az egyiket átvisszük a recipiens sejtbe, majd mindkét egyláncon kiteljesednek a komplementer láncok, és a plazmidok ismét kétszálúvá válnak [32] .

A legismertebb konjugatív plazmid az F-plazmid vagy F-faktor. Az F-plazmid egy körülbelül 100 kb hosszúságú epizóma. Megvan a maga replikációs origója ( oriV ) és töréspontja ( oriT ) [33] . Az F-plazmid, mint minden konjugatív plazmid, olyan fehérjéket kódol, amelyek megakadályozzák, hogy más baktériumok pilusai kapcsolódjanak a sejtfalhoz. Az F-plazmid egyéb genetikai információkon kívül a tra és trb lókuszt is hordozza egy operonba szervezve. A bennük található gének felelősek a konjugációs folyamat különböző aspektusaiért: a pilin szintéziséért és a szexuális pilusok összeállításáért, a genetikai anyag átviteli folyamatának beindításáért és szabályozásáért, az oriT lókusz megtöréséért és a DNS - lánc feltekercselődéséért. 34] [35] . A tra lókusz más F-szerű konjugatív plazmidokban is jelen van; a konjugatív transzfer origóját és a konjugációhoz szükséges fehérjéket kódoló 20 gént tartalmazza [36] . Érdekes módon az F-szerű plazmidok, például az R100, R6-5, R1 és ColV2 gátolják az F-plazmid transzfert [37] . Ismert az úgynevezett letális zigózis is, amely abból áll, hogy az életképes transzkonjugánsok száma csökken, ha a számszerűen túlsúlyban lévő donorsejtek összekeverednek a recipiens sejtek számához képest, mivel számos DNS transzfer híd képződik egy recipienshez. cella [38] .

Transzformáció alatt azt értjük, hogy egy sejt plazmid DNS-t kap a külső környezetből (az egy adott helyen található összes plazmidot plazmidnak nevezzük ). Transzformációt leírtak mind Gram-pozitív, mind Gram-negatív baktériumokban, különösen a Streptococcus , Hemophilus , Neisseria , Bacillus , Actinomycetes , cianobaktériumok és mások nemzetségeinek képviselőinél. Ahhoz, hogy a DNS behatoljon a baktériumsejtbe, a sejtnek kompetens állapotban kell lennie , vagyis fedőinek átjárhatóvá kell válniuk a nagy DNS-molekulák számára. A laboratóriumban kompetens sejteket nyerünk stressz alatt: kalcium-klorid hatására vagy elektroporáció segítségével . Egyes baktériumok esetében in vivo transzformációt mutatnak be, például a Streptococcus pneumoniae esetében egy fertőzött állat testében. Egyes baktériumok bármilyen eredetű DNS-t vesznek fel, míg mások, például a Hemophilus , csak a saját DNS-üket képesek felvenni. A baktériumsejtbe való belépés után az egyik plazmid DNS-szál elhasad, és az egyszálú fragmentum fizikailag egyesül a recipiens DNS-ével [39] .

Stabilitás

A plazmidokat instabilitás jellemzi. Az általuk meghatározott tulajdonságok sokkal gyakrabban tűnnek el a populációkból, mintha e mögött a mutációk normális felhalmozódásának folyamata állna . Egyes plazmidok stabilabbak, mint mások, a természetes plazmidok pedig sokkal stabilabbak, mint a mesterségesen előállítottak. A plazmid stabilitását befolyásolja integritása, osztódás közbeni átviteli képessége és a differenciális növekedési sebesség. A plazmidok gyakran elveszítik génjeik egy részét, mert rekombinációs hotspotokat tartalmaznak . Amikor rekombináció történik az ismétlődő régiók között, gyakran fordulnak elő inverziók és deléciók [40] .

Ahhoz, hogy egy plazmidot fenntarthassunk a baktériumpopulációban, osztódáskor át kell adni a leánysejteknek. A nagy kópiaszámú plazmidok általában véletlenszerűen oszlanak el a leánysejtek között. Az azonos plazmidok azonban gyakran képeznek multimer szerkezeteket a replikáció és a rekombináció során. Mivel a két plazmidból álló dimer két replikációs ori-t tartalmaz, replikációja hatékonyabb, mint a monomer replikációja, és a multimerek még gyorsabban replikálódnak. A végén megjelenhet az úgynevezett „dimer katasztrófa”: szinte minden plazmid része a dimereknek és multimereknek, ami megakadályozza azok átvitelét a sejtosztódás során. Egyes plazmidok azonban visszatérhetnek normál, monomer állapotukba. Így a ColE1 plazmid tartalmazza a cer helyet , amelyre a XerC és XerD fehérjék hatnak. Helyspecifikus rekombináció megy végbe , a dimert két monomerré alakítva. Az alacsony kópiaszámú plazmidok nem támaszkodhatnak a szomszédos sejtek közötti véletlenszerű eloszlásra, ezért sok toxin-antitoxin rendszert tartalmaz , amely biztosítja az osztódás során a plazmidot elvesztő sejtek elpusztítását [41] .

Néha eltér a plazmidot tartalmazó és az azt nem tartalmazó sejtek növekedési sebessége. A magasságkülönbség összefügghet a metabolikus jellemzőkkel, amelyek a plazmid megkettőzésének és génjei kifejezésének szükségességéből adódnak. A legtöbb természetes plazmid esetében ezek a költségek kicsik, és valószínűleg nincs jelentős hatással a növekedési sebességre. Ugyanakkor a mesterséges plazmidok gyakran hatalmas példányszámban vannak jelen a sejtekben, és génjeik aktívan expresszálódnak, ezért a mesterséges plazmidokat tartalmazó sejtek instabilitásának problémája különösen akut [42] .

Inkompatibilitás

A plazmidokat az inkompatibilitás jelensége jellemzi: gyakran két specifikus plazmid nem tud együtt élni egy sejtben. Az inkompatibilis plazmidok általában homológ szekvenciákat tartalmaznak. Az inkompatibilitást azonban az is okozhatja, hogy a plazmidban transzpozonok és egyéb genetikai elemek jelen vannak, amelyek instabillá teszik azt. Az összes jelenleg ismert plazmidot 30 inkompatibilitási csoportra osztották: az egyik csoporton belüli plazmidok nem kompatibilisek egymással, de kompatibilisek más csoportok plazmidjaival. Széles körben elterjedt azonban az úgynevezett atipikus inkompatibilitás, amelyben egyes plazmidok nem csak a saját inkompatibilitási csoportjukba tartozó plazmidokkal, hanem más csoportok egyes plazmidjaival is összeférhetetlenek [43] .

A plazmidok inkompatibilitásának számos modellje létezik. Feltételezték azt a hipotézist, hogy a plazmidok versengenek a sejtmembránon lévő kapcsolódási helyekért . Mivel az azonos inkompatibilitási csoportból származó plazmidok ugyanazokon a helyeken kapcsolódnak a membránhoz, kiszorítják egymást. Egy másik hipotézis szerint a plazmidok valamilyen represszor fehérjét kódolnak, amely gátolja az azonos inkompatibilitási csoportba tartozó plazmidok replikációját. Ez a hipotézis kapott némi kísérleti megerősítést [43] .

Bizonyítékok vannak arra, hogy a replikációs origók közelében található ismétlődések részt vesznek az inkompatibilitás kialakulásában. Ezenkívül az egyik plazmid elnyomhatja a másikat a nem kódoló RNS segítségével [43] .

Gazdasejt gének bevonása

Bár a plazmid replikációját saját fehérjéik és RNS-ük szabályozza, a gazdasejt is hozzájárul a plazmid kópiaszámának szabályozásához [14] . Az ismert plazmidok egyike sem tartalmazza a replikációjához szükséges teljes génkészletet. Például az F-plazmid replikációjához gazdasejt DNS-polimeráz III-ra és dnaB , dnaC és dnaA géntermékekre van szükség , amelyek a genomiális DNS-ben lokalizálódnak. Az RK2 plazmid megduplázódik, ha a dnaA gén fehérjeterméke és a sejtmembrán kötődik a DNS-éhez [44] .

Más baktériumok sejtjeiben való szaporodási képességük szerint a plazmidokat szűk gazdatartományú plazmidokra (csak egy bizonyos faj sejtjeiben képesek replikációra) vagy széles gazdakörre (fajon kívüli replikáció) osztani [45] . Például az NP1-1 plazmid normálisan replikálódik a Pseudomonas aeruginosa sejtekben, de a folyamat nehéz más baktériumokban. Egyes plazmidok sokféle baktérium sejtjében létezhetnek; ilyen plazmidok közé tartozik például a pC194, pMV158, pM3 és pMT2. Az okok, amelyek miatt a plazmid nem tud megduplikálódni egyes baktériumfajok sejtjeiben, a promoter szerkezeti jellemzői, a RepA iniciátor fehérje és a genomiális DNS által kódolt DnaA fehérje nem hatékony kölcsönhatása, valamint a bakteriális chaperonok . Ezenkívül az ori jellemzői befolyásolják a gazdagépek körének korlátozását. A plazmidok száma a gazdabaktérium típusától is függhet. Így a pER2 plazmid több kópiában létezik E. coliban , mint Corynebacterium sejtekben . A plazmid mennyiségét az is meghatározza, hogy a baktériumtenyészet milyen növekedési fázisban van. A növekedés logaritmikus fázisában a plazmidok száma nagyobb, mint az állófázisban, valószínűleg a replikációgátló sejtekben való felhalmozódása miatt. Egyes plazmidok kópiaszámát befolyásolhatja a táptalaj összetétele , amelyben a baktériumok szaporodnak [44] .

Amikor egy gazdasejt osztódik, a többkópiás plazmidok véletlenszerűen oszlanak el a leánysejtek között, és nagyon kicsi annak a valószínűsége, hogy az egyik leánysejt nem kap egyetlen másolatot sem a plazmidból. Az alacsony kópiaszámú plazmidok esetében azonban nagyon akut a sejtosztódás közbeni eloszlásuk szabályozásának kérdése. Mint fentebb említettük, a bennük található (par) plazmidelválasztó rendszer egy sor gént tartalmaz, amelyek biztosítják a plazmidmásolatok pontos eloszlását a leánysejtek között. Ez a rendszer önálló, nem kapcsolódik a replikációhoz, és nincs hatással a másolatszámra. A pSN19035 plazmid másolatainak eloszlását azonban a leánysejtek között a SegB régió szabályozza, amelynek egyik génje a plazmid kópiaszámát is befolyásolja. Az F és R1 plazmidok esetében kimutatták, hogy azok a fehérjék, amelyek a plazmidok eloszlását szabályozzák az osztódás során, negatív visszacsatolási mechanizmussal elnyomhatják saját transzkripciójukat . Lehetséges, hogy ezeknek a fehérjéknek a túlzott koncentrációja blokkolja a plazmidok helyes eloszlását. Ezek a fehérjék filamentumszerű struktúrákat alkothatnak , amelyek a plazmidok másolatait „nyomják” különböző leánysejtekbe a gazdasejt membránreceptor fehérjéinek részvétele nélkül [46] .

A plazmidok karbantartásának mechanizmusa

A toxin-antitoxin rendszer részt vesz a plazmidok fenntartásában a sejtben. A legegyszerűbb esetben a ccd régióban két gén képviseli, amelyek közül az egyik elpusztítja a sejtet és toxinnak nevezik, a másik pedig elnyomja és antitoxinnak nevezik, és a toxin sokkal stabilabb, mint az antitoxin. Ha az osztódás során az egyik leánysejt nem örökli a toxin-antitoxin rendszerrel rendelkező plazmidokat, akkor a bejutott antitoxin a toxin előtt teljesen elpusztul, ami antitoxin hiányában sejthalált okoz [47] .

A toxin-antioxin rendszer fontos változata a restrikciós-módosító rendszerek , amelyek a génsebészetben használt restrikciós enzimek forrásai [48] [49] . A toxin szerepét a rendszerekben a restrikciós enzim látja el, amely felismer bizonyos DNS-szekvenciákat. Ha a szekvencia nem tartalmaz metil-maradékokat, amelyek blokkolják a restrikciós enzim működését, akkor kétszálú szakadást vezet be, ami a cél-DNS lebomlásához vezet. A metiláz , amely ugyanazt a szekvenciát ismeri fel, mint a restrikciós enzim, antitoxinként működik, blokkolva a restrikciós enzim aktivitását. A restrikciós-módosító rendszerek a plazmid fenntartó szerepe mellett védelmi funkciót is ellátnak az idegen DNS-sel, különösen a bakteriofágokkal szemben [50] .

Osztályozás

A 21. század második évtizedére számos olyan osztályozási rendszer létezik a plazmidokra, amelyek figyelembe veszik a topológiájukban, a replikációs jellemzőikben mutatkozó különbségeket, a genetikai anyag átvitelének indukálására való képességüket vagy képtelenségüket, az antibiotikum-rezisztencia faktorok jelenlétét vagy hiányát, ill. egyéb tulajdonságok. A plazmid legfontosabb tulajdonsága, hogy a konjugáció során képes (vagy nem képes) egyik baktériumsejtből a másikba átvinni. A transzferálható plazmidokat konjugatívnak nevezzük. A plazmidok, amelyek önmagukban nem vihetők át a sejtek között, néha megteszik, a konjugatív plazmidok felveszik. A konjugatív plazmidok között vannak olyan plazmidok, amelyek csak transzfer replikációs géneket tartalmaznak, illetve konjugatív kointegratív plazmidok, amelyek a transzfer és replikációs gének mellett tartalmaznak néhány fenotípusos tulajdonságért felelős gént is. A kointegratív plazmidok közé tartoznak az R plazmidok, a Col plazmidok, amelyek lehetővé teszik az E. coli törzsek kolicin képzését és kiválasztását, a hemolizin géneket tartalmazó Hly plazmidok és az enterotoxinok szintéziséért felelős Ent plazmidok [51] .

Emellett széles körben elterjedt a plazmidok kompatibilitási/inkompatibilitásának tulajdonságán alapuló osztályozás. Az ismert plazmidokat több csoportra osztották, így az egyik csoportba tartozó baktériumok nem kompatibilisek egymással, de kompatibilisek egy másik inkompatibilitási csoportból származó bármely plazmiddal [52] .

Amint fentebb megjegyeztük, a sejtenkénti másolatok száma szerint a plazmidokat alacsony kópiaszámú és magas kópiaszámú plazmidokra osztják. A plazmidokat aszerint is osztályozzák, hogy gazdakörük szűk vagy széles [52] .

Gomba plazmidok

Az eukarióták közül gombákban találtak plazmidokat . A gombaplazmidokat lineáris vagy cirkuláris DNS-molekulák képviselik, amelyek lokalizálhatók a sejtmagban , citoplazmában, de többségük a mitokondriumban található, és nem okoz fenotípusos elváltozásokat. A gombás plazmidok közé tartoznak:

• a mitokondriális DNS -sel (mtDNS) nem homológiát mutató lineáris plazmidok ;
• cirkuláris plazmidok, amelyek nem homológiát mutatnak az mtDNS-sel;
• mtDNS-sel homológiát mutató cirkuláris plazmidok [53] .

Az utolsó két csoport plazmidjai az öregedési folyamat során jelennek meg . A plazmidokat olyan gombákban azonosították, mint a Saccharomyces cerevisiae , Neurospora , Aspergillus niger és Kluyveromyces lactis élesztőgombák . A gombaplazmidok micélium - anasztomózisokon (vízszintesen) és konídiumokon (függőlegesen) keresztül is átvihetők [53] .

Evolúció

1968-ban E. Meynell és társszerzői azt a hipotézist terjesztették elő, hogy a plazmidok evolúciójának első szakasza egy primitív replikon megjelenése volt , amely autonóm módon létezhet a kromoszómán kívül. A replikon származhatott nukleoid DNS-ből, vagy egy extrakromoszómális struktúrából, például a centroszómából fejlődhetett ki, mivel akkoriban lehetségesnek tartották, hogy mitózis létezhet a baktériumokban az evolúció korai szakaszában (ezt a hipotézist jelenleg hibásnak ismerik el). 1976-ban S. Cohen felvetette, hogy a replikáció origója de novo dezoxinukleotidokból származhatott , majd később az önreplikációhoz kapcsolódó gének és a genetikai transzferhez szükséges mindent kódoló gének csatlakoztak hozzá. Feltételezték, hogy a plazmidok a bakteriális genomiális DNS ismétlődő szekvenciáiból származnak, amelyek a kölcsönös keresztezés következtében a citoplazmában kötöttek ki . A fenti hipotézisek mindegyike azonban nem kapott kísérleti támogatást [54] .

Ezt követően felvetődött a vélemény a plazmidok és a mérsékelt égövi bakteriofágok közös eredetéről a szerveződésük hasonlósága miatt. A plazmidokat fágoknak tekintették, amelyekből hiányoztak a kapszidfehérjéket kódoló gének , de olyan gének vannak, amelyek felelősek azok megkettőződéséért és osztódáskor a leánysejtekbe való eloszlásáért. Így az N15 , øKO2 és PY54 bakteriofágok, hasonlóan a lambda fághoz, amely az első vektorok forrása lett , nem integrálódik a bakteriális genomba, hanem lineáris plazmidként léteznek a lizogén ciklus során [55] .

Meggyőző kísérleti megerősítést kapott az antibiotikum rezisztenciát biztosító R-plazmidok evolúciós elmélete. Rezisztenciagéneket hordozó extrakromoszómális elemekből származnak, vagy mutációk következtében szerezték meg azokat. Amikor ezeket az elemeket transzferfaktorokkal kombináltuk, konjugatív R-plazmidok keletkeztek. A plazmidok evolúciójában jelentős szerepet játszottak a transzpozonok, amelyek megváltoztatták bizonyos plazmidgének expresszióját [54] .

Alkalmazás

A plazmidok felhasználása a kutatási tevékenységekben óriási. A mesterséges plazmidokat aktívan használják a génsebészetben olyan vektorokként, amelyekbe célkódoló régiókat inszertálnak [56] . Az ilyen plazmidok baktériumsejtekben történő szaporításával hatalmas mennyiségű kívánt fehérje állítható elő. Például jelenleg így nyerik az inzulint [57] . A vektorként való felhasználásra szánt mesterséges plazmidok a kereskedelemben beszerezhetők, és mindig tartalmaznak replikációs origót, bizonyos antibiotikumokkal szemben rezisztenciát biztosító géneket (a plazmidot befogadó baktériumsejtek antibiotikus tápközegén történő szelekcióhoz), valamint számos, különböző restrikciós endonukleázok által felismert helyet. . A fragmens beépítését a plazmid és a fragmens restrikciójával, majd ezt követő ligálásával hajtjuk végre . Legfeljebb 15 kilobázis hosszúságú töredékek illeszthetők be normál vektorokba. Más vektorokat használnak nagyobb fragmentumok klónozására, mint például kozmidok ( a bakteriofág λ cos lókuszt tartalmazó plazmidok ), phasmidok , más néven fagemidek ( az f1 replikációs fág origót tartalmazó plazmidok [58] ), bakteriális és élesztő mesterséges kromoszómák . [59] .

A különböző kutatók által létrehozott plazmidszekvenciák megtalálhatók nyilvános adatbázisokban , például az Addgene , BCCM/LMBP és NCBI adatbázisokban . Számos bioinformatikai programot és eszközt hoztak létre a kívánt tulajdonságokkal rendelkező mesterséges plazmidok létrehozására. Használatuk segítségével restrikciós helyeket találhat , és inszertekkel ellátott plazmidszekvenciákat kaphat, azaz "virtuális klónozás" végrehajtásához. Ilyen eszközök például az ApE, Clone Manager , GeneConstructionKit, Geneious, Genome Compiler , LabGenius, Lasergene, MacVector , pDraw32, Serial Cloner, SnapGene, VectorFriends, Vector NTI és WebDSV [60 ] .

A plazmidokat a génterápia ígéretes eszközének tekintik , mivel képesek olyan fehérjéket expresszálni, amelyek hiányosak a páciens sejtjeiben. A plazmidokon lehetőség van a genomszerkesztéshez szükséges eszközöket kódoló géneket, például cink ujj domént tartalmazó nukleázokat és a CRISPR /Cas rendszer összetevőit: a Cas9 fehérjét és a vezető RNS -t [61] [62] juttatni a sejtekbe. .

Azok a plazmidok, amelyek lehetővé teszik a baktériumok számára a nehezen lebomló szubsztrátok lebontását, felhasználhatók a bioremediációban . A plazmidokat széles körben használják vakcinák és új gyógyszerek létrehozásában , valamint a biológiailag aktív anyagokat szintetizáló szervezetek termelékenységének növelésében [63] .

Tanulmánytörténet

1952-ben az F faktort (ma F-plazmid néven) fedezték fel E. coli -ban, amely konjugációval sejtről sejtre kerül át. Aztán 1952-ben Joshua Lederberg javasolta a "plazmid" kifejezést az F faktor megjelölésére, amelynél már kimutatható volt extrakromoszómális természete [64] . Eleinte a kifejezést bármely olyan bakteriális genetikai anyagra használták, amely a replikációs ciklusának legalább egy részében kromoszómán kívül létezik, de mivel ez a leírás bakteriális vírusokat is tartalmaz, a plazmid fogalmát finomították – ezek olyan genetikai elemek, amelyek autonóm módon replikálódnak. a kromoszómából [65] .

Ezt követően más típusú baktériumokban is találtak plazmidokat. Nyilvánvalóvá vált fizikai és molekuláris jellemzőik rendkívüli sokfélesége. Egyes tudósok azt javasolták, hogy a plazmidokat szimbiotikus vagy parazita sejten belüli organizmusoknak tekintsék. Az 1950-es évek végén megállapították az antibiotikum-rezisztencia egyik baktériumról a másikra való átvitelének tényét nukleoid részvétele nélkül. Így fedezték fel az R-plazmidokat. 1963-ban megmutatták az extrakromoszómális elemek és a nukleoid DNS közötti rekombináció lehetőségét. Az 1980-as években lineáris plazmidokat írtak le. Fokozatosan a plazmidokat elkezdték alkalmazni a molekuláris biológiai módszerekben [66] .

Jegyzetek

1. ↑ Sinkovics, J; Harvath J; Horak A. A vírusok eredete és evolúciója (áttekintés)  (angol)  // Acta Microbiologica et Immunologica Hungarica : folyóirat. - 1998. - 1. évf. 45 , sz. 3-4 . - P. 349-390 . — PMID 9873943 .
2. ↑ 1 2 Gigani, 2017 , p. tíz.
3. ↑ 1 2 Shintani M. , Sanchez ZK , Kimbara K. Mikrobiális plazmidok genomikája: osztályozás és azonosítás replikációs és átviteli rendszereken, valamint a gazdaszervezet taxonómiáján.  (angol)  // Frontiers In Microbiology. - 2015. - Kt. 6 . - P. 242-242 . - doi : 10.3389/fmicb.2015.00242 . — PMID 25873913 .
4. ↑ Dale & Park, 2004 , p. 142-143.
5. ↑ Hayes F. A plazmidok működése és szerveződése.  (angol)  // Methods In Molecular Biology (Clifton, NJ). - 2003. - 1. évf. 235 . - P. 1-17 . - doi : 10.1385/1-59259-409-3:1 . — PMID 12904641 .
6. ↑ Modern mikrobiológia / Szerk. J. Lengeler, G. Drews , G. Schlegel . - M .: Mir , 2005. - T. 1. - S. 437. - 654 p. - ISBN 978-5-03-003707-3 .
7. ↑ 1 2 3 4 Gigani, 2017 , p. 23-29.
8. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 del Solar G. , Giraldo R. , Ruiz-Echevarría MJ , Espinosa M. , Díaz-Orejas R. A körkörös bakteriális plazmidok replikációja és szabályozása.  (angol)  // Mikrobiológiai és molekuláris biológiai áttekintések: MMBR. - 1998. - június ( 62. évf. , 2. sz.). - P. 434-464 . — PMID 9618448 .
9. ↑ Dale & Park, 2004 , p. 142.
10. ↑ 12. Dale & Park, 2004 , p. 139-140.
11. ↑ Dale & Park, 2004 , p. 148.
12. ↑ Dale & Park, 2004 , p. 147.
13. ↑ Gigani, 2017 , p. 42.
14. ↑ 1 2 3 Gigani, 2017 , p. 47.
15. ↑ Arefiev V. A., Lisovenko L. A. rolling circle model, σ-type replikáció // English-Russian Explanatory Dictionary of Genetic Terms. - M . : VNIRO Kiadó, 1995. - ISBN 5-85382-132-6 .
16. ↑ Lorenzo-Díaz F. , Fernández-López C. , Garcillán-Barcia MP , Espinosa M. Összehozzuk őket: a pMV158 plazmid rolling circle replikációja és konjugációja evolúciós perspektívában.  (angol)  // Plazmid. - 2014. - július ( 74. köt. ). - P. 15-31 . - doi : 10.1016/j.plasmid.2014.05.004 . — PMID 24942190 .
17. ↑ Khan SA Bakteriális plazmidok gördülő körben történő replikációja.  (angol)  // Mikrobiológiai és molekuláris biológiai áttekintések: MMBR. - 1997. - December ( 61. évf. , 4. sz.). - P. 442-455 . — PMID 9409148 .
18. ↑ Dale & Park, 2004 , p. 151-154.
19. ↑ 1 2 A plazmidok funkciója és felépítése: Plazmid-kódolt tulajdonságok (lefelé irányuló kapcsolat) . Letöltve: 2013. július 24. Az eredetiből archiválva : 2013. augusztus 17.. (határozatlan) 
20. ↑ Gosmanov R. G. , Galiullin A. K., Volkov A. Kh., Ibragimova A. I. Mikrobiológia: tankönyv. - Szentpétervár. : Lan, 2011. - S. 126. - 496 p. - ISBN 978-5-8114-1180-1 .
21. ↑ Dale & Park, 2004 , p. 137-138.
22. ↑ R plazmidok és antibiotikumokkal szembeni rezisztencia .  (határozatlan) (nem elérhető link)
23. ↑ Dale & Park, 2004 , p. 138.
24. ↑ Gigani, 2017 , p. 82.
25. ↑ Gigani, 2017 , p. 82-83.
26. ↑ Dale & Park, 2004 , p. 138-139.
27. ↑ 12. Dale & Park, 2004 , p. 139.
28. ↑ Gigani, 2017 , p. 90.
29. ↑ Dale & Park, 2004 , p. 140-141.
30. ↑ Inge-Vechtomov, 2010 , p. 241.
31. ↑ Gigani, 2017 , p. 74.
32. ↑ Gigani, 2017 , p. 53.
33. ↑ Ryan KJ, Ray CG (szerkesztők). Sherris Orvosi Mikrobiológia. — 4. - N. Y .: McGraw-Hill Education , 2004. - S. 60-64. — ISBN 0-8385-8529-9 .
34. ↑ Sheela Srivastava. A baktériumok genetikája. - Delphi, India: Springer, 2013. - P. 79. - 215 p. - ISBN 978-81-322-1089-4 .
35. ↑ Inge-Vechtomov, 2010 , p. 247.
36. ↑ Gigani, 2017 , p. 54.
37. ↑ Gigani, 2017 , p. 67.
38. ↑ Gigani, 2017 , p. 72.
39. ↑ Inge-Vechtomov, 2010 , p. 250-251.
40. ↑ Dale & Park, 2004 , p. 155-156.
41. ↑ Dale & Park, 2004 , p. 157-160.
42. ↑ Dale & Park, 2004 , p. 160-161.
43. ↑ 1 2 3 Gigani, 2017 , p. 16-20.
44. ↑ 1 2 Gigani, 2017 , p. 50-52.
45. ↑ Loftie-Eaton W. , Yano H. , Burleigh S. , Simmons RS , Hughes JM , Rogers LM , Hunter SS , Settles ML , Forney LJ , Ponciano JM , Top EM Evolutionary Paths that Expand for Plasmidres:st az antibiotikum rezisztencia.  (angol)  // Molekuláris Biológia és Evolúció. - 2016. - április ( 33. évf. , 4. sz.). - P. 885-897 . - doi : 10.1093/molbev/msv339 . — PMID 26668183 .
46. ↑ Gigani, 2017 , p. 48-49.
47. ↑ Gigani, 2017 , p. 49-50.
48. ↑ Primrose, Sandy B.; Régi, RW A génmanipuláció alapelvei: bevezetés a  géntechnológiába . - Oxford: Blackwell Scientific , 1994. - ISBN 0-632-03712-1 .
49. ↑ Micklos, David A.; Bloom, Mark V.; Freyer, Greg A. Laboratóriumi DNS-tudomány: bevezetés a rekombináns DNS-technikákba és a genomelemzési  módszerekbe . – Menlo Park, Kalifornia: Benjamin/Cummings Pub. Co, 1996. - ISBN 0-8053-3040-2 .
50. ↑ Wilson Geoffrey G. , Murray Noreen E. Restriction and Modification Systems  //  Annual Review of Genetics. - 1991. - december ( 25. évf. , 1. sz.). - P. 585-627 . — ISSN 0066-4197 . - doi : 10.1146/annurev.ge.25.120191.003101 .
51. ↑ Gigani, 2017 , p. 13-15.
52. ↑ 1 2 Gigani, 2017 , p. tizenöt.
53. ↑ 1 2 Gigani, 2017 , p. 94-96.
54. ↑ 1 2 Gigani, 2017 , p. 106-109.
55. ↑ Casjens SR , Hendrix RW Bakteriofág lambda: Korai úttörő és még mindig aktuális.  (angol)  // Virológia. - 2015. - május ( 479-480. köt .). - P. 310-330 . - doi : 10.1016/j.virol.2015.02.010 . — PMID 25742714 .
56. ↑ Modern mikrobiális genetika / Uldis N. Streips, Ronald E. Yasbin. — 2. - Wiley-Blackwell , 2002. - P. 248. - ISBN 978-0471386650 .
57. ↑ Schmid R. Vizuális biotechnológia és géntechnológia. — M. : BINOM. Tudáslaboratórium, 2014. - P. 122. - 325 p. — ISBN 978-5-94774-767-6 .
58. ↑ Richard J. Reece. A gének és genomok elemzése. - John Wiley & Sons , 2004. - P. 140. - ISBN 9780470091579 .
59. ↑ 2. fejezet – Klónozó vektor kiválasztása // E. Coli plazmidvektorok: módszerek és alkalmazások  / Nicola Casali, Andrew Preston. – Totowa, NJ: Humana Press, 2003. - P. 19-26. - (Methods in Molecular Biology, 235. kötet). - ISBN 978-1-58829-151-6 .
60. ↑ Vector NTI visszajelzési videó . A DNS Lab . Letöltve: 2018. október 30. Az eredetiből archiválva : 2018. szeptember 29. (határozatlan)
61. ↑ Kandavelou K., Chandrasegaran S. Plasmids for Gene Therapy // Plasmids : Current Research and Future Trends  . – Norfolk, Egyesült Királyság: Caister Academic Press, 2008. - ISBN 978-1-904455-35-6 .
62. ↑ Shinmyo Y., Tanaka S., Tsunoda S., Hosomichi K., Tajima A., Kawasaki H.  CRISPR/Cas9-mediált génkiütés az egér agyában in utero elektroporáció használatával  // Tudományos jelentések. - 2016. - Kt. 6. - P. 20611. - doi : 10.1038/srep20611 . — PMID 26857612 .
63. ↑ Gigani, 2017 , p. 99.
64. ↑ LEDERBERG J. Sejtgenetika és örökletes szimbiózis.  (angol)  // Fiziológiai áttekintések. - 1952. - október ( 32. évf. , 4. sz.). - P. 403-430 . - doi : 10.1152/physrev.1952.32.4.403 . — PMID 13003535 .
65. ↑ Stanley Falkow. Mikrobiális genomika: Óriások vállán állva . Mikrobiológiai Társaság . Letöltve: 2018. november 2. Az eredetiből archiválva : 2018. október 26. (határozatlan)
66. ↑ Gigani, 2017 , p. 6-9.

Irodalom

• Gigani O. B. Plazmidok. - M. : RUSAYNS, 2017. - 154 p. — ISBN 978-5-4365-1976-0 .
• Inge- Vectomov S.G. Genetika a szelekció alapjaival. - Szentpétervár. : Kiadó N-L, 2010. - 718 p. — ISBN 978-5-94869-105-3 .
• Jeremy W. Dale, Simon F. Park. A baktériumok molekuláris genetikája . — 4. kiadás. – Chichester, West Sussex; Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Ltd, 2004. - ISBN 0-470-85084-1 .

Szótárak és enciklopédiák	Nagy dán Nagy katalán Nagy orosz Britannica (online) Universalis
Bibliográfiai katalógusokban	J9U : 987007553323105171 LCCN : sh85103093 NDL : 01031244 NKC : ph124095