Кроме мигрирующих элементов, встраивающихся в различные репликоны бактериальной клетки при помощи транспозаз — ферментов, осуществляющих негомологичную рекомбинацию, называемую транспозицией, существуют и МЭ, процесс включения которых в ДНК-мишень обусловлен интегразами, близкими к интегразам умеренных бактериофагов, контролирующим встройку фага в бактериальную ДНК. К таким МЭ относятся конъюгативные транспозоны.

Конъюгативные транспозоны (CTn) — мобильные генетические элементы, встроенные в хромосомы и плазмиды бактерий и способные к эксцизии, циркуляции и передаче в другое место того же репликона, в другой репликон либо в другую клетку за счет собственной генетической системы, контролирующей способность бактериальных клеток к конъюгации, — tra-генов.

Этот тип транспозонов был обнаружен в конце 70-х годов XX века у грамположителыюй бактерии Enterococcus faecalis, а позже выявлен у многих грамположительных и грамотрицательных форм. В настоящее время известно два семейства конъюгативных транспозонов: у грамположительных бактерий — это CTn протяженностью от 18,5 до 60 тпо, а у грамотрицательных—протяженностью от 65 до 150 тпо.

Конъюгативные транспозоны сочетают свойства разных генетических элементов: транспозонов, плазмид и умеренных фагов. Подобно обычным транспозонам они встраиваются в разные репликоны бактериальной клетки, исключаются из них и переносятся в новое место того же репликона или в новый репликон в той же либо другой клетке; несут гены резистентности к антибиотикам и любые другие гены. Плазмиды они напоминают тем, что имеют собственные tra-системы, т. е. могут обеспечивать конъюгацию бактериальных клеток и собственный перенос или перенос различных репликонов в клетку реципиента; имеют широкий круг хозяев.

С умеренными бактериофагами CTn сближает механизмы встраивания в ДНК-мишень и исключения из нее, контролируемые интегразой (int) и белком эксцизии (xis), аналогичным ферментам бактериофага.

Строение CTn отличается от организации обычных транспозонов: по концам у них нет повторов, а в ДНК-мишени при их внедрении не возникает дуплецированных последовательностей. У семейства более мелких CTn почти всю протяженность занимают гены, контролирующие способность к конъюгации, — tra-система; здесь же находятся гены, обусловливающие возможность их интеграции в мишень и эксцизии из нее. Кроме того, CTn несут гены резистентности к антибиотикам: всегда—к тетрациклину, часто — к канамицину, эритромицину, низину и др. Так же как обычные транспозоны, CTn могут нести и любые другие гены бактериального генома.

Tra-система конъюгативных транспозонов не идентична аналогичной системе классических конъюгативных плазмид грамотрицательных бактерий. В ней не обнаружен ген, контролирующий образование половых пилей; весь комплекс tra-генов CTn имеет меньшую протяженность, чем tra-система плазмид. По-видимому, tra-комплекс CTn проще, чем у плазмид, а образование пар при контролируемой транспозонами конъюгации происходит без половых пилей за счет поверхностных белковых рецепторов донора, как при феромониндуцируемой конъюгации грамположительных кокков. Крупные CTn несут в центре tra-район, занимающий около 18 тпо, рядом с ним расположены четыре гена, имеющие регуляторные функции; в их число входит ген резистентности к тетрациклину — tet Q.

Эта регуляторная система контролирует частоту перемещения крупных CTn. При наличии в среде низких доз тетрациклина частота перемещения CTn увеличивается. Многие из крупных CTn, кроме гена устойчивости к тетрациклину, несут еще и гены устойчивости к другим антибиотикам: эритромицину, клиндамицину и др. Гены резистентности к антибиотикам, гомологичные генам резистентности конъюгативных транспозонов, встречаются и в плазмидах.

Перенос CTn осуществляется в три этапа. Сначала происходит его вырезание (эксцизия) из содержащей его ДНК и образование из него циркулярной (ковалентно замкнутой) структуры. Вторым этапом является конъюгационный перенос этой циркулярной структуры в клетку реципиента с образованием однонитевого разрыва в ori Т транспозона, переносом одной нити ДНК транспозона через конъюгационную пору и синтезом ДНК в донорной и реципиентной клетках, как при переносе плазмид. Циркулярная форма транспозона может быть и не перенесена в клетку реципиента, а встроена в исходный или другой репликон в клетке донора.

Процесс завершается включением циркулярной формы транспозона в новую мишень либо в исходной клетке, либо в клетке реципиента. Интеграция CTn в новое место происходит относительно случайно, но предпочтительно в АТ-богатые участки. У крупных CTn интеграция более специфична, чем у мелких: показано, что они встраиваются в специфичные последовательности мишени из 14 по, близкие аналогичной последовательности CTn. Эти последовательности опознаются интегразой транспозона. В один репликон в бактериальной клетке может поочередно внедряться несколько транспозонов.

Конъюгативные транспозоны могут обеспечивать не только собственный конъюгационный перенос в клетки реципиента, но и перенос плазмид и некоторых обычных транспозонов in trans (в разных структурах) и in cis (в коинтеграте). Если плазмида переносится in trans, то транспозон обеспечивает конъюгацию, а разрез нити ДНК в ori Т и инициация ее переноса в клетку реципиента контролируются mob-системой плазмиды; если перенос осуществляется in cis, за все его этапы отвечает tra-система CTn. Мобилизационная способность СТп разных семейств (более мелкие и крупные) несколько различается.

Конъюгативные транспозоны широко распространены у стрептококков и бактериодов, обнаружены они и у вибрионов и энтеробактерий. В экспериментальных условиях они передаются между бактериальными клетками с высокими частотами — 10^-4—10^-5 на клетку реципиента. Показано, что в природных условиях (в организме животных) тоже обнаруживается передача конъюгативных транспозонов не только внутри одного вида бактерий, но и между видами. Интересно, что в организме животных передача CTn осуществляется даже между бактериями, обитающими в разных экологических нишах, например в ротовой полости и прямой кишке.

Очевидно, что конъюгативные транспозоны вносят большой вклад в процессы передачи генов между бактериями в природе: они могут контролировать конъюгацию у видов, в клетках которых не реплицируются конъюгативные плазмиды. Кроме того, присутствие CTn увеличивает суммарную способность к передаче генов в бактериальной популяции благодаря их способности мобилизовать плазмиды и обычные транспозоны.

- Читать далее "Геномные острова бактерий"

Редактор: Искандер Милевски. Дата публикации: 21.07.2019