Plazmidė: kas tai, struktūra ir vaidmuo bakterijų genetikoje

Plazmidė: sužinokite apie struktūrą, funkcijas ir vaidmenį bakterijų genetikoje — konjugacija, genų perdavimas, antibiotikų atsparumas ir biologiniai poveikiai.

Plazmidė - tai DNR molekulė, kuri yra atskirta nuo chromosominės DNR ir gali replikuotis (kopijuotis) nepriklausomai.

Plazmidės terminą 1952 m. pirmą kartą pavartojo amerikiečių molekulinis biologas Joshua Lederbergas.

Plazmidės yra dvigrandės ir daugeliu atvejų apskritiminės. Plazmidės paprastai natūraliai randamos bakterijose, tačiau kartais jų pasitaiko ir eukariotiniuose organizmuose (pvz., 2 mikrometrų žiedas Saccharomyces cerevisiae).

Plazmidės dydis svyruoja nuo 1 iki daugiau nei 1000 kilobaze porų (kbp). Vienoje ląstelėje identiškų plazmidžių gali būti nuo vienos iki tūkstančių. Plazmidės dažnai siejamos su konjugacija - horizontalaus genų perdavimo mechanizmu.

Plazmidės yra perkeliamieji genetiniai elementai, arba replikonai, galintys savarankiškai kopijuotis tinkamame šeimininke. Plazmidės aptinkamos visose trijose pagrindinėse srityse: Archaea, Bacteria ir Eukarya. Panašiai kaip ir virusai, plazmidės nelaikomos "gyvybės" forma, kaip ji šiuo metu apibrėžiama. Skirtingai nei virusai, plazmidės yra "nuoga" DNR ir nekoduoja genų, būtinų genetinei medžiagai užkoduoti, kad ją būtų galima perkelti į naują šeimininką.

Plazmidės perdavimui iš šeimininko šeimininkui reikalingas tiesioginis mechaninis perdavimas konjugacijos būdu arba šeimininko genų raiškos pokyčiai, leidžiantys sąmoningai įsisavinti genetinį elementą transformacijos būdu.

Mikrobų transformacija naudojant plazmidinę DNR nėra nei parazitinė, nei simbiotinė, nes kiekviena iš jų reiškia, kad yra nepriklausoma rūšis, gyvenanti komensalinėje arba žalingoje būsenoje su šeimininko organizmu. Plazmidės veikiau yra horizontalaus genų perdavimo mikrobų populiacijoje mechanizmas, kuris gali suteikti selektyvų pranašumą tam tikroje aplinkos būklėje.

Plazmidėse gali būti genų, suteikiančių atsparumą natūraliems antibiotikams konkurencingoje aplinkos nišoje, arba gaminami baltymai panašiomis aplinkybėmis gali veikti kaip toksinai. Plazmidės taip pat gali suteikti bakterijoms gebėjimą fiksuoti elementinį azotą arba skaidyti sudėtingus organinius junginius. Tai gali suteikti pranašumą maisto medžiagų trūkumo sąlygomis.

Struktūra ir replikacija

Tipiška plazmidė yra dvigrandė (du heliksai) DNR molekulė, dažniausiai apskritiminė, tačiau egzistuoja ir linearių plazmičių formos. Plazmidė turi replikacijos pradžios vietą – ori (origin of replication), kuri kontroliuoja jos dauginimąsi šeimininko ląstelėje. Pagal replikacijos mechanizmą plazmidės skirstomos į skirtingas klases: theta tipo replikacija (dažna E. coli plazmidėse) ir rolling-circle tipo replikacija (dažna kai kuriuose mažesniuose plazmidėse).

Plazmidės kopijos skaičius (copy number) labai skiriasi: mažos plazmidės dažnai yra vienos ar kelių kopijų ląstelėje (low-copy), o kai kurios mažesnės gali būti daug šimtų ar tūkstančių kopijų (high-copy). Kopijų skaičių lemia replikacijos kontrolės genai, ori vieta ir sąveika su šeimininko replikacijos aparatu.

Perdavimo mechanizmai

Plazmidės perdavimas vyksta keliais būdais:

• Konjugacija – tiesioginis kontaktas tarp dviejų bakterijų per pilusą ir genų perdavimas. Kai kurios plazmidės turi tra genus, kurie koduoja konjugacijos aparatūrą; tokios plazmidės vadinamos konjuguojančiomis.
• Transformacija – laisvos DNR uptakas iš aplinkos, kurią ląstelė gali integruoti ar laikyti kaip plazmidę.
• Transdukcija – virusų (bakteriofagų) tarpininkavimas, kai fagai netyčia perneša plazmidinę arba chromosominę DNR tarp ląstelių.

Reikėtų pažymėti, kad kai kurios plazmidės yra mobilizuojamos (mobilizable) – jos neturi pilnos konjugacijos mašinerijos, bet turi oriT ar kitus elementus, leidžiančius kitai konjuguojančiai plazmidei jas pernešti.

Tipai pagal funkciją

Plazmidės klasifikuojamos pagal turimas savybes ir funkcijas. Svarbiausi pavyzdžiai:

• F (fertility) plazmidės – koduoja konjugacijos aparatus ir leidžia perduoti DNR kitiems.
• R (resistance) plazmidės – neša genus, suteikiančius atsparumą antibiotikams ar metalams.
• Col plasmidės – koduoja kolicinus ar kitus baktericidinius peptidus, kurie gali naikinti konkurentus.
• Virulentiškumo plazmidės – padidina šeimininko patogeniškumą (pvz., toksinai, adhezinai).
• Metabolinės plazmidės – leidžia skaidyti neįprastus substratus ar fiksuoti azotą.

Plazmidžių palaikymas šeimininke

Kad plazmidė išliktų populiacijoje, ji turi mechanizmus, užtikrinančius palaikymą:

• Particionavimo sistemos – užtikrina tolygią plazmidžių paskirstymą dalijantis ląstelei.
• Toxin–antitoxin (addiction) sistemos – koduoja stabilų toksiną ir trumpalaikį antitoksiną; ląstelės, kurios praranda plazmidę, žūsta dėl antitoksino nebuvimo.
• Konkurencinis pranašumas – plazmidės suteikiamos savybės (pvz., antibiotikų atsparumas) palaiko jų išlikimą esant specifiniams aplinkos veiksniams.

Genetinė įvairovė ir suderinamumo (incompatibility) grupės

Plazmidės, naudojančios tą patį replikacijos arba reguliavimo mechanizmą, dažnai yra nesuderinamos – jos negali stabiliai koegzistuoti toje pačioje ląstelėje. Tokios plazmidės suskirstomos į incompatibility (Inc) grupes. Ši klasifikacija svarbi epidemiologijoje ir laboratorinėje mikrobiologijoje, nes leidžia sekti plazmidžių sklaidą ir sąveikas.

Plazmidės moksliniuose tyrimuose ir biotechnologijoje

Plazmidės tapo kertiniu įrankiu genetinėje inžinerijoje. Dažniausi panaudojimo būdai:

• Klonavimas ir genų ekspresija – plazmidai kaip vektoriai leidžia įterpti, išreikšti ar mutuoti genus.
• Vakcinų ir terapijų kūrimas – plazmidinės DNR naudojamos DNR vakcinose ar genų terapijos sistemose.
• Metabolinė inžinerija – plazmidai leidžia įdiegti naujus biosintetinius kelių maršrutus mikroorganizmuose.
• CRISPR sistemų pristatymas – plazmidai dažnai naudojami Cas baltymų ir gRNA tiekimui.

Detekcija, analizė ir valdymas

Plazmidžių buvimas ir tipas nustatomi keliais metodais: agarozės gėlių elektroforezė, restrikcinių fermentų skirstymas, PCR (tikslinių genų aptikimui), plazmidų sekoskaita ir biologinis tipavimas. Klinikiniuose ir pramoniniuose kontekstuose svarbu stebėti R plazmidžių plitimą ir imtis priemonių užkirsti kelią jų plitimui.

Klinikinė ir ekologinė reikšmė

Plazmidės yra svarbios sveikatos apsaugos ir ekologijos požiūriu dėl gebėjimo pernešti atsparumo genus tarp bakterijų. Tai prisideda prie daugiavaistinės atsparumo krizės. Ekologiškai plazmidės palaiko mikroorganizmų adaptaciją prie naujų maisto šaltinių ar toksinių junginių ir taip formuoja bendruomenių funkcijas bei biologinę įvairovę.

Pabaigos pastabos

Plazmidės – lankstūs ir dinamiški genetiniai elementai, turintys didelę įtaką bakterijų evoliucijai, ekologijai ir žmogaus veiklai. Nors jos pačios nėra „gyvybės formos“, jos veikia kaip genetinės informacijos pavarėlės, leidžiančios organizmams greitai prisitaikyti prie besikeičiančių sąlygų. Plazmidžių savybės ir mechanizmai yra intensyviai tiriami ir plačiai naudojami biotechnologijoje bei molekulinėje biologijoje.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra plazmidė?

K: Kas įvedė terminą "plazmidė"?

K: Kokio dydžio yra plazmidės?

K: Kur natūraliai pasitaiko plazmidžių?

K: Kaip horizontalus genų perdavimas susijęs su plazmidėmis?

K: Ar plazmidės laikomos gyvomis?

K: Kokių privalumų gali suteikti tam tikrų genų nešiojimas plazmidėje?

Paieška pagal raidę