Подавляющее большинство данных об обмене генетическим материалом у бактерий было получено в лабораторных экспериментах. Возникают вопросы, каковы масштабы процессов обмена генами у бактерий в природных условиях и какова роль этого обмена в адаптации бактериальных популяций к условиям среды; в какой мере обмен генетическим материалом между бактериями разных таксономических групп способствует нестабильности бактериальных геномов, а отсюда и видов. Решение эволюционных вопросов для бактерий осложняется отсутствием палеонтологических данных.

Выводы о гомологии бактериальных геномов или их фрагментов можно делать только на основании сравнения последовательностей нуклеотидов в ДНК или аминокислот в белках. За последнее время прочитаны последовательности полных геномов у большого количества бактерий, что сделало возможным их сравнение с целью ответа на поставленные выше вопросы.

Сейчас очевидно, что обмен плазмидами и мигрирующими элементами в природных бактериальных популяциях, даже между таксономически различными формами, происходит с высокой интенсивностью. Известно как быстро распространяется в бактериальных популяциях признак устойчивости к антибиотикам. Показано, что резистентность к ним существовала в популяциях бактерий до эры применения этих препаратов в медицинских целях. Так, в Англии в бактериальной коллекции лиофилизированных в 1937 г. культур были обнаружены плазмиды с генами резистентности к антибиотикам.

Предполагается, что гены резистентности были перенесены различным бактериям от актиномицетов — их природного резервуара (каждый продуцент антибиотиков имеет в геноме ген резистентности к этому антибиотику), а с наступлением эры медицинского применения антибиотиков необычайно быстро распространились по бактериальным популяциям.

При изучении устойчивости к препаратам ртути у бактерий в природных популяциях было обнаружено, что одинаковые по нуклеотидной последовательности группы генов (контролирующие устойчивость к соединениям ртути, часто в составе транспозонов) присутствуют в бактериях разных систематических групп, обитающих в географически отдаленных регионах земного шара. Среди них выявлены и рекомбинантные опероны и транспозоны. Другими словами, показан широкий горизонтальный перенос генов устойчивости к ртутным соединениям и рекомбинационный обмен между ними среди систематически отдаленных групп бактерий.

Многие варианты контролирующих устойчивость к ртути групп генов, первоначально найденные в почвенных бактериях, были обнаружены в бактериях, живущих в кишечнике животных и человека.

Очень быстро распространяются по бактериальным популяциям плазмиды биодеградации, особенно в условиях загрязнения почв пестицидами и гербицидами.

Интенсивно идет обмен генами и между разными репликонами бактерий, что видно на примере ряда генетических систем. Так, Е. coli способна сбраживать лактозу и имеет в хромосоме обеспечивающую этот процесс генетическую систему — lac-оперон (способность сбраживать лактозу—диагностический признак кишечной палочки). У близкородственных видов бактерий, таких как Salmonella, Shigella, Yersinia, способности сбраживать лактозу нет. Однако у Y. enterocolitica гены лактозного оперона, идентичные lac-оперону Е. coli, обнаружены в составе транспозона Tn951. Предполагают, что в хромосому кишечной палочки lac-гены попали из плазмиды, несущей этот транспозон.

В хромосоме Е. coli есть ген, обеспечивающий устойчивость к низким дозам ампициллина — ampС. У близкородственных бактерий кишечной группы такого гена на хромосоме нет. В то же время у Е. coli, Salmonella, Pseudomonas, Serratia и др. гены, определяющие устойчивость к ампициллину, входят в состав плазмидных транспозонов. Во всех этих случаях механизм резистентности к ампициллину один и тот же—гены устойчивости контролируют синтез фермента β-лактамазы, разрушающей ампициллин. В хромосоме, так же как на плазмидах, ген резистентности к ампициллину может мультиплицироваться за счет IS-последовательностей, что повышает устойчивость бактериальных клеток к антибиотику. Предполагается, что в хромосому Е. coli произошла транспозиция гена ampC из плазмиды.

Показательна локализация генов, контролирующих способность к фиксации азота воздуха у бактерий. Этим свойством обладают только определенные виды либо отдельные штаммы, имеющие комплекс генов, обеспечивающих этот процесс — nif-гены. У Klebsiella pneumoniae система nif-генов, представляющая собой ряд оперонов, локализована в составе одного кластера в хромосоме и входит в транспозон. У многих других штаммов Klebsiella nif-генов нет — они не способны фиксировать азот. У разных штаммов клубеньковых бактерий—классических азотфиксаторов — симбионтов бобовых nif-гены локализованы по-разному: у части—на хромосоме, у других—входят в состав плазмид, иногда нескольких. У свободноживущих фототрофных азотфиксирующих бактерий nif-гены расположены в хромосоме.

Очевидно, гены nif-оперонов переносились в составе транспозонов и плазмид от одной систематической группы бактерий к другой.

Наиболее яркой демонстрацией наличия переноса генов между систематически далекими группами бактерий являются обнаруженные в геномах различных бактерий и описанные в предыдущем разделе геномные острова—протяженные последовательности ДНК, представляющие собой гибридные мобильные элементы, отличающиеся по G-C-составу от несущего их генома. Последняя их особенность показывает, что эти структуры перенесены в геном современного хозяина из систематически далеких от него бактерий. При сравнении геномных последовательностей разных бактерий показано, что в геноме кишечной палочки, например, обнаруживается 17% нетипичных генов, у сальмонелл—10%. В геномах бактерий обнаружены даже гены эукариотов — около 0,5%.

Несмотря на доказанный широкий перенос генов между систематически отличными группами бактерий, общий порядок генов в бактериальных хромосомах достаточно стабилен. При этом консервативность последовательности генов в хромосомах обычно большая, чем консервативность последовательностей оснований в отдельных генах, т. е. стирания видовых границ не происходит. Чтобы объяснить эту стабильность, надо допустить наличие у бактерий определенных механизмов, ограничивающих частоту геномных перестроек. Выше в разделе об инсерционных элементах и транспозонах приводились косвенные данные о существовании регуляции частот переноса мобильных элементов у бактерий. По-видимому, есть и другие причины ограничения частот перестроек бактериального генома.

Так, например, при встраивании в геном какой-то последовательности ДНК нарушается функционирование генов-мишеней, что может приводить клетку к гибели, т.е. часть клеток с перестройками погибает. Кроме того, часть мобильных элементов, встроенных в какие-то репликоны в бактериальной клетке, теряет мобильность— в дальнейшем не может перемещаться.

При передаче отдельных генов и их групп между бактериями ведущую роль играют плазмиды и конъюгативные транспозоны. К тому же, как мы видели на примере конъюгативной плазмиды кишечной палочки, переход хромосомных генов на F-плазмиды осуществляется очень легко. Далее эти гены на плазмидах могут быть переданы другим клеткам того же вида либо другим видам (на широкотрансмиссивных плазмидах). Генов хромосомы хозяина плазмиды нести не могут, поскольку по гомологичным последовательностям будет осуществляться общая рекомбинация. Очевидно, в состав плазмид входят гены «промежуточных» хозяев, как, например, в плазмиды грамотрицательных бактерий — гены резистентности к антибиотикам из актиномицетов. В состав одной плазмиды могут входить гены из разных бактерий.

Приобретение плазмидами различных генов, повышающих шансы бактерии выжить в неблагоприятных условиях, выгодно всей бактериальной популяции. Однако для каждой отдельной бактериальной клетки плазмиды представляют дополнительную нагрузку, поскольку на их репликацию требуются энергетические затраты. Клетки, содержащие плазмиды, реплицируются медленнее, чем бесплазмидные. По-видимому, количество клеток с плазмидами в бактериальных популяциях каким-то образом регулируется. Так, показано, что при лечении больных антибиотиками в клинике количество бактериальных клеток с плазмидами, несущими ген резистентности к используемому антибиотику, в организме больных резко возрастает. После окончания курса антибиотиотерапии содержание бактерий с плазмидами у пациентов падает. Аналогичные данные были получены в лабораторных экспериментах при непрерывном культивировании бактериальных культур в хемостате.

В таких условиях, если бактериальная популяция, несущая плазмиды с генами устойчивости к антибиотикам, культивируется в среде без антибиотиков (в неселективных условиях), количество клеток с плазмидами резко падает. Однако какое-то небольшое число клеток с плазмидами резистентности всегда сохраняется в бактериальной популяции. Если в среду роста бактерий вносится соответствующий антибиотик, плазмиды с генами резистентности к нему быстро распространяются в бактериальной популяции, и вся она приобретает устойчивость к антибиотику. Таким образом, плазмиды и мигрирующие элементы — это «запас» генетической информации, который распределен в бактериальных популяциях между представителями одного или разных видов, а иногда и родов. Любой ген этого «запаса» потенциально является достоянием всей популяции, не перегружая геном каждой клетки. Сигналом к мультипликации и распространению определенного гена по бактериальной популяции является определенная смена условий существования этой популяции на такие, в которых выгодно иметь соответствующий ген, — селективное давление среды обитания.

Таким образом, в обычных условиях существования основным источником изменчивости бактерий является обмен генами, обусловленный в основном миграцией плазмид и мобильных элементов в микробных популяциях; перенос генов путем трансформации и трансдукции имеет меньшую значимость. Возникновение мутационных изменений тоже играет менее заметную роль, поскольку мутации возникают относительно редко и приводят обычно к единичным точечным изменениям генотипа. В последнее время показано, однако, что при возникновении стрессовых для бактерий ситуаций—изменении содержания питательных веществ в среде, температуры, воздействии различными неблагоприятными физическими и химическими факторами, включая лекарственные препараты, в бактериальном геноме включаются молчащие в обычных условиях регуляторные механизмы, обусловливающие резкое возрастание частоты мутационных изменений и появление множественных мутаций. Наряду с этим в условиях стресса резко возрастают частоты транспозиции различных мигрирующих элементов и передачи плазмид в бактериальных популяциях, в результате чего становится более вероятной передача их систематически отдаленным бактериям. Эти процессы приводят к вспышке изменчивости в переживающих неблагоприятные условия бактериальных популяциях и таким образом способствуют их выживанию.

В последние годы показано, что в природных условиях большое значение для проявления фенотипических свойств бактерий и механизмов их изменчивости имеет взаимодействие бактерий в популяциях. В конце первого раздела этой главы уже упоминалось, что при анализе отсеквенированных бактериальных геномов (геномов с полностью прочитанными последовательностями ДНК) было обнаружено, что функции приблизительно трети генов неизвестны. Предполагают, что это гены, не работающие в лабораторных условиях и экспрессирующиеся только при каких-то определенных обстоятельствах.

По-видимому, к таким генам можно отнести и упомянутые в предыдущем абзаце регуляторные системы, увеличивающие возможность изменчивости бактерий в стрессовых ситуациях. Кроме того, в настоящее время показано, что некоторые бактериальные гены экспрессируются только в плотных бактериальных скоплениях: различных пленках, корочках и других конгломератах на поверхностях различных субстратов, включая поверхности органов животных и человека. Иногда патогенные свойства бактерий проявляются только при определенных сочетаниях бактериальных сообществ, например в полости рта человека. К подобным же явлениям можно отнести и подробно исследуемый в последнее время эффект плотности популяции (quorum sensing), или эффект межклеточных взаимодействий. Показано, что возможность экспрессии ряда генов генома у бактерий зависит от плотности популяции. Несомненно, в ближайшем будущем у бактерий будет обнаружен ряд новых механизмов регуляции действия генов в природных условиях, а следовательно, и их изменчивости.

Закончить статью можно словами Р. Б. Хесина из его книги «Непостоянство генома»: «Выражая мысль в крайней форме, можно сказать, что ... генофонды всех организмов объединены в общий генофонд всего живого мира».

- Читать далее "Бактериофаги: строение, морфология, взаимодействие с бактериями"

Редактор: Искандер Милевски. Дата публикации: 21.07.2019