Строение нуклеоида и цитоплазмы бактерий

Функции нуклеоида бактерий

• Нуклеоид бактерий выглядит как диффузная масса ДНК, однако для него характерна высокая упорядоченность и неслучайное расположение генов

• У бактерий нет нуклеосом, однако организации ДНК способствуют различные белки, связанные с нуклеоидом

• Подобно тому как это имеет место для ядра и цитоплазмы эукариотической клетки, у бактерий транскрипция происходит по всей массе нуклеоида, трансляция — на его периферической зоне

• Важную роль в организации нуклеоида играет РНК полимераза

Фундаментальное отличие клеток прокариот от клеток эукариот заключается в отсутствии у них ядерной оболочки. Присутствие ядерной мембраны у эукариот обеспечивает существование компартментов, которые разделяют процессы транскрипции и трансляции. У прокариот эти процессы не разделены мембраной, и мРНК может транслироваться во время транскрипции. Одновременное протекание этих процессов имеет важные последствия для регуляции активности некоторых генов.

Как показано на рисунке ниже, хромосомальная ДНК бактерий имеет вид аморфной массы, нуклеоида, занимающего большую часть объема в центре цитоплазмы. Нуклеоид состоит из хромосомальной ДНК и связанных с ней белков. Бактерии не содержат нуклеосом, которые участвуют в упаковке ДНК хромосом эукариотов и архей. Однако бактериальная ДНК компактна и упакована с участием многочисленных белков, ассоциированных с нуклеоидом, которые перчислены на рисунке ниже.

Электронная микрофотография, демонстрирующая,
что нуклеоид представляет собой диффузную массу, находящуюся внутри клетки бактерии.

К числу наиболее важных из этих белков относятся топоизомеразы. Они контролируют суперспирализацию ДНК, которая играет важную роль в ее компактизации, и обеспечивают протекание таких процессов, как репликация и транскрипция, для которых требуется раскручивание молекулы ДНК. Белки семейства SMC, поддерживающие структурную организацию хромосом, также участвуют в организации нуклеоида. Об этом свидетельствует фенотип соответствующих мутантов, однако конкретный механизм их участия остается неясным.

В клетках эукариот белки, близкие к SMC, участвуют в скреплении хромосом между собой и их конденсации в митозе и мейозе. Эти белки различной природы, связанные с нуклеоидом, участвуют в поддержании необходимого уровня его суперспирализации и компактизации. Однако предстоит еще выяснить, каким образом достигается и поддерживается такое состояние гомеостаза нуклеоида.

Хотя нуклеоид обладает аморфной структурой, отдельные гены располагаются в нем упорядоченно. Положение генов в нуклеоиде отражает их относительное расположение на карте хромосомы. По счастью, первое подтверждение этого было получено при исследовании свойств мутантов бактерий В. subtilis, дефектных по гену spoIIIE. Мутант этого организма не способен правильно сегрегировать хромосому при асимметрическом делении, которое сопровождает ранние стадии образования споры. Вместо этого септа деления замыкается вокруг одной копии хромосомы. У этого мутанта определенные гены почти всегда попадают в небольшой компартмент, поблизости от полюса, в то время как другие из него всегда исключаются.

Это наблюдение позволяет предполагать, что до деления хромосома всегда находится в определенном месте и в определенной ориентации.

Прямые данные были получены в исследованиях с использованием гибридизации in situ и флуоресцентной метки (FISH). Этот метод позволяет непосредственно отслеживать положение в клетке определенных генов. Однако при его использовании, перед гибридизацией зонда с ДНК, необходима фиксация препаратов и проведение других жестких воздействий. Еще один подход заключается в использовании конъюгата зеленого флуоресцирующего белка с белком LacI, связывающимся с ДНК. Этот конъюгат может присоединяться к сайтам связывания, находящимся в разных местах клетки. На основании всех этих экспериментов было показано, что гены не диффундируют по бактериальной клетке свободно, а локализованы в определенных, строго ограниченных местах.

Вообще говоря, область хромосомы, содержащая oriC, находится на одном конце нуклеоида, а область, содержащая terC, — на противоположном. Гены, которые на генетической карте расположены между двумя этими точками, распределены по нуклеоиду более или менее пропорционально.

У бактерий в аппарате транскрипции используется одна каталитическая основная РНК-полимераза, состоящая из двух а-, одной b- и одной b-субъединиц. Специфичность промотора определяется на начальном уровне различными сигма (а) факторами, которые также необходимы для инициации транскрипции, однако после этого отщепляются от кора. Регуляция транскрипции осуществляется большим набором дополнительных регуляторов, которые обычно связываются с ДНК вблизи от промотора, с тем чтобы активировать или подавлять инициацию транскрипции. Другие факторы регуляции действуют на уровне терминации (прекращения) транскрипции или изменения стабильности мРНК.

Читайте также:  КМН — Саб симплекс, инструкция по применению, как принимать, когда принимать, противопоказания, побо

Большая часть молекул основной РНК-полимеразы находится в нуклеоиде в центре клетки. Поэтому, вероятно, здесь в основном происходит транскрипция. Напротив, рибосомы и различные белки, принимающие участие в трансляции, сосредоточены по периферии клетки. Таким образом, даже при отсутствии ядерной оболочки, в бактериальной клетке транскрипция и трансляция пространственно разобщены, подобно тому как это имеет место в клетке эукариот. Однако существуют различные данные в пользу того, что иногда у бактерий транскрипция и трансляция тесно сопряжены друг с другом.

Эти данные не противоречат имеющимся результатам, которые свидетельствуют о том, что РНК-полимеразы и рибосомы локализованы в разных местах клетки. Возможно, что оба процесса происходят на границе центральной, или сердцевинной, и периферийной областях клетки. Пока мы мало знаем об организации центральной, или сердцевинной, и периферийной областей нуклеоида, так же как и о деталях общей организации этой структуры.

Белки, участвующие в организации нуклеоида Escherichia coli.
У большинства других бактерий вместо белков MukB, MukE и MukF присутствуют белки SMC (белки, поддерживающие структуру хромосом),
а также связанные с ними факторы, родственные когезину и конденсинам эукариот.
Сегрегация хромосом после образования полярной септы при наступлении споруляции.
В холе споруляции В. subtilis клетки делятся асимметрично, образуя материнскую клетку и небольшую преспору.
Каждая клетка получает одну копию хромосомы. Сегрегация хромосом с образованием преспоры представляет собой двухэтапный процесс.
Вначале полярная разделительная септа замыкается вокруг хромосомы,
а затем белок SpoIIIE активно транспортирует оставшиеся 2/3 хромосомы в преспоровый компартмент.
У мутантов по гену spoIIIE только 1/3 хромосомы сегрегирует в преспору.
Анализ ДНК, захваченной в небольшой компартмент клеток мутанта по гену spoIIIE, показывает, что всегда захватывается специфический участок ДНК.
Это указывает на то, что до деления хромосома должна быть строго ориентирована и упорядочена.
На фотографиях, полученных во флуоресцентном микроскопе, представлены клетки спорулирующих spoIIIE-мутантов и клетки дикого типа, окрашенные на ДНК.
Несмотря на отсутствие ядерной оболочки, аппараты транскрипции и трансляции локализуются в отдельных частях бактериальной клетки.
Представлены делящиеся клетки В. subtilis.
Они экспрессируют конъюгаты белка рибосомальной субъединицы RpsB с зеленым флуоресцирующим белком (GFP)
и субъединицы РНК-полимеразы RpoC с GFP-UV, обладающие зеленой и красной флуоресценцией соответственно.

Нуклеоид бактериальной клетки

Каждый, кому приходилось разрушать бактериальные клетки в мягких условиях, например с помощью лизоцима или детергентов, наблюдал

Рис. I.1. Нуклеоид E. coli

а– электронно-микроскопические фотографии срезов бактериальных клеток, полученные методом криофиксации.1и2– один и тот же снимок (последний ретуширован). На фотографии2белыми пятнами отмечены области цитоплазмы, свободные от рибосом. На фотографии3видны молекулы ДНК, специфически окрашенные с помощью антител;

б– модель нуклеоида в функционально-активном состоянии А. Райтера и А. Чанга. Изображены многочисленные петли активно транскрибируемой ДНК

замечательную картину превращения легко подвижной суспензии бактериальных клеток в вязкую желеобразную массу, простое перемешивание которой требует усилий. Это происходит из-за того, что компактно упакованные гигантские хромосомы бактериальных клеток (длина хромосомной ДНК E. coli составляет 4,6 млн. п.о.) после разрушения оболочки клеток выходят в окружающую среду и свободно в ней распределяются. В лизатах бактериальных клеток их ДНК прочно ассоциированы с белками, освобождение от которых требует проведения многократных фенольных депротеинизаций. Такой простой опыт наглядно указывает на то, что в бактериальных клетках их единственная хромосома сильно компактизована и, возможно, пространственно упорядочена.

Электронно-микроскопическое изучение срезов бактериальных клеток в разных условиях и более ранние исследования бактерий с помощью светового микроскопа продемонстрировали компактное распределение ДНК в бактериальной клетке. Поскольку такие структуры отдаленно напоминали ядра эукариот, они получили название нуклеоидов, или ДНК-плазмы. Эти термины подчеркивают генетические функции нуклеоида, но в то же время и существенные морфологические отличия от обычных интерфазных ядер эукариот, прежде всего, отсутствие ядерной оболочки, которая бы отделяла гены бактерии от окружающей их цитоплазмы. Исследование бактериальных клеток с помощью электронной микроскопии в мягких условиях без предварительной химической фиксации показало, что нуклеоиды представлены в виде диффузно окрашенных областей, свободных от рибосом (рис. I.1,а). При этом вытянутые участки ДНК на внешней части нуклеоидов направлены в окружающую цитоплазму. С помощью специфических антител установлено, что молекулы РНК-полимеразы, ДНК-топоизомеразы I и гистоноподобного белка HU ассоциированы с нуклеоидами. Вытянутые участки ДНК по периферии нуклеоидов обычно интерпретируют как сегменты бактериальной хромосомы, вовлеченные в транскрипцию. Полагают, что эти участки состоят из петель ДНК бактериальной хромосомы, которые в зависимости от физиологического состояния клетки находятся в транскрипционно-активном состоянии или втягиваются внутрь нуклеоидов при подавлении транскрипции. Модель функционально-активного нуклеоида А.Райтера и А.Чанга представлена на рис. I.1,б. По мнению авторов, размытая структура поверхности нуклеоидов, видимая под электронным микроскопом, отражает подвижное состояние активно транскрибируемых петель ДНК. В этой модели четко прослеживается аналогия со структурой хромосом типа ламповых щеток у животных.

Читайте также:  Давление (высокое, низкое) при (перед) месячных Причины, ПМС и давление

Таким образом, нуклеоид бактериальных клеток не является статическим внутриклеточным образованием или компартментом, которые можно четко определять морфологически. Напротив, во время различных фаз роста бактериальных клеток нуклеоид непрерывно меняет форму, что, по-видимому, сопряжено с транскрипционной активностью определенных бактериальных генов. Так же как и в хромосомах эукариот, ДНК нуклеоида ассоциирована со многими ДНК-связывающими белками, в частности гистоноподобными белками HU, H-NS и IHF, а также топоизомеразами, которые оказывают большое влияние на функционирование бактериальных хромосом и их внутриклеточную компактизацию. Однако детальные молекулярные механизмы конденсации бактериальной ДНК с образованием лабильных «компактосом» (по аналогии со стабильными нуклеосомами эукариот) пока неизвестны. В последнее время возрастает интерес к бактериальному так называемому LP-хроматину (low protein chromatin), для которого характерно относительно низкое содержание белкового компонента. Аналогичный LP-хроматин обнаруживают у вирусов, в митохондриях, пластидах и у динофлагеллят (жгутиконосцев). Следовательно, этот тип структурной организации генетического материала претендует на универсальность и ассоциирован с определенными формами регуляции экспрессии генов, свойственными прокариотическим организмам.

В последние годы наблюдается прогресс в исследовании первичной структуры бактериальных хромосом. Определена полная последовательность нуклеотидов хромосом паразитических бактерий: микоплазмы Mycoplasma genitalium и Haemophilus influenzae. В 1997 г. усилиями интернационального коллектива ученых была определена полная первичная структура хромосом E. coli и Bacillus subtilis длиной в 4,6 и 4,2 млн п.о. соответственно Все это позволяет надеяться, что в ближайшее время произойдут новые открытия в области исследований структуры бактериальных геномов и функционирования их генов.

Нуклеоид бактерий: функции и методы выявления

В отличие от эукариот бактерии не имеют оформленного ядра, однако их ДНК не разбросана по всей клетке, а сосредоточена в компактной структуре, которую называют нуклеоидом. В функциональном отношении он представляет собой функциональный аналог ядерного аппарата.

Что такое нуклеоид

Нуклеоид бактерий — это область в их клетках, содержащая структурированный генетический материал. В отличие от ядра эукариот она не отделена мембраной от остального клеточного содержимого и не имеет постоянной формы. Несмотря на это генетический аппарат бактерий четко отграничен от цитоплазмы.

Сам термин означает «подобный ядру» или «ядерная область». Впервые эту структуру обнаружил в 1890 г. зоолог Отто Бючли, но ее отличия от генетического аппарата эукариот были выявлены аж в начале 1950-х годов благодаря технологии электронной микроскопии. Название «нуклеоид» соответствует понятию «бактериальная хромосома», если последняя содержится в клетке в единственном экземпляре.

Нуклеоид не включает в себя плазмиды, которые являются внехромосомными элементами бактериального генома.

Особенности нуклеоида бактерий

Обычно нуклеоид занимает центральный участок бактериальной клетки и ориентирован вдоль ее оси. Объем этого компактного образования не превышает 0,5 мкм 3 , а молекулярная масса варьирует от 1×10 9 до 3×10 9 дальтон. В определенных точках нуклеоид связан с клеточной мембраной.

В состав нуклеоида бактерий входят три компонента:

  • ДНК.
  • Структурные и регуляторные белки.
  • РНК.

ДНК имеет хромосомную организацию, отличную от эукариотической. Чаще всего нуклеоид бактерий содержит одну хромосому или несколько ее копий (при активном росте их количество достигает 8 и более). Этот показатель варьирует в зависимости от вида и стадии жизненного цикла микроорганизма. Некоторые бактерии имеют несколько хромосом с разным набором генов.

В центре нуклеоида ДНК укомплектована достаточно плотно. Эта зона недоступна для рибосом, ферментов репликации и транскрипции. Напротив, дезоксирибонуклеиновые петли периферической области нуклеоида напрямую контактируют с цитоплазмой и представляют собой активные участки бактериального генома.

Количество белкового компонента в нуклеоиде бактерий не превышает 10 %, что примерно в 5 раз меньше, чем в хроматине эукариот. Большая часть белков ассоциирована с ДНК и участвует в ее структурировании. РНК представляет собой продукт транскрипции бактериальных генов, которая осуществляется на периферии нуклеоида.

Читайте также:  Неврит солнечного сплетения

Генетический аппарат бактерий является динамическим образованием, способным менять свою форму и структурную конформацию. В нем отсутствуют характерные для ядра эукариотической клетки ядрышки и митотический аппарат.

Бактериальная хромосома

В большинстве случаев хромосомы нуклеоида бактерий имеют замкнутую кольцевую форму. Значительно реже встречаются линейные хромосомы. В любом случае эти структуры состоят из одной молекулы ДНК, которая содержит набор генов, необходимых для выживания бактерии.

Хромосомная ДНК укомплектована в виде суперспирализованных петель. Количество петель на хромосому варьирует от 12 до 80. Каждая хромосома является полноценным репликоном, так как при удвоении ДНК копируется целиком. Начинается этот процесс всегда из точки начала репликации (OriC), которая прикреплена к плазматической мембране.

Суммарная длина молекулы ДНК в хромосоме на несколько порядков превышает размеры бактерии, поэтому возникает необходимость в ее упаковке, но при сохранении функциональной активности.

В хроматине эукариот эти задачи выполняют основные белки — гистоны. Нуклеоид бактерий имеет в своем составе ДНК-связывающие белки, которые отвечают за структурную организацию генетического материала, а также влияют на экспрессию генов и репликацию ДНК.

К нуклеоид-ассоциированым белкам относятся:

  • гистоноподобные белки HU, H-NS, FIS и IHF;
  • топоизомеразы;
  • белки семейства SMC.

Последние 2 группы оказывают наибольшее влияние на суперспирализацию генетического материала.

Нейтрализация отрицательных зарядов хромосомной ДНК осуществляется за счет полиаминов и ионов магния.

Биологическая роль нуклеоида

В первую очередь нуклеоид необходим бактериям для того, чтобы хранить и передавать наследственную информацию, а также реализовывать ее на уровне клеточного синтеза. Иными словами, биологическая роль этого образования такая же, как у ДНК.

Другие функции нуклеоида бактерий включают:

  • локализацию и компактизацию генетического материала;
  • функциональную упаковку ДНК;
  • регуляцию метаболизма.

Структурирование ДНК не только позволяет молекуле уместиться в микроскопической клетке, но и создает условия для нормального протекания процессов репликации и транскрипции.

Особенности молекулярной организации нуклеоида создают условия для контроля клеточного метаболизма путем изменения конформации ДНК. Регуляция происходит за счет выпетливания определенных участков хромосомы в цитоплазму, что делает их доступными для ферментов транскрипции, или наоборот, втягивания внутрь.

Способы обнаружения

Существует 3 способа визуального обнаружения нуклеоида в бактериях:

  • световая микроскопия;
  • фазово-контрастная микроскопия;
  • электронная микроскопия.

В зависимости от способа подготовки препарата и метода исследования нуклеоид может выглядеть по разному.

Световая микроскопия

Для выявления нуклеоида при помощи светового микроскопа бактерии предварительно окрашивают таким образом, чтобы нуклеоид имел цвет, отличный от остального клеточного содержимого, — иначе эта структура не будет видна. Также обязательна фиксация бактерий на предметном стекле (при этом микроорганизмы погибают).

Через объектив светового микроскопа нуклеоид выглядит как бобовидное образование с четкими границами, которое занимает центральную часть клетки.

Методы окраски

В большинстве случаев для визуализации нуклеоида методом световой микроскопии используют следующие способы окраски бактерий:

  • по Романовскому-Гимзе;
  • метод Фельгена.

При окрашивании по Романовскому-Гимзе бактерии предварительно фиксируются на предметном стекле метиловым спиртом, а затем в течение 10-20 минут пропитываются красителем из равной смеси азура, эонина и метиленового синего, растворенных в метаноле. В результате нуклеоид становится фиолетовым, а цитоплазма — бледно-розовой. Перед микроскопией краска сливается, а препарат промывается дистиллятом и высушивается.

В методе Фельгена применяется слабо кислотный гидролиз. В результате освобожденная дезоксирибоза переходит в альдегидную форму и взаимодействует с фуксинсернистой кислотой реактива Шиффа. В итоге нуклеоид становится красным, а цитоплазма приобретает синий цвет.

Фазово-контрастная микроскопия

Фазово-контрастная микроскопия имеет большее разрешение, чем световая. Этот метод не требует фиксации и окраски препарата, — наблюдение происходит за живыми бактериями. Нуклеоид в таких клетках выглядит как светлая овальная область на фоне темной цитоплазмы. Более эффективным метод можно сделать, применив флюоресцентные красители.

Выявление нуклеоида при помощи электронного микроскопа

Существует 2 способа подготовки препарата для исследования нуклеоида под электронным микроскопом:

  • ультратонкий срез;
  • срез замороженной бактерии.

На электронных микрофотографиях ультратонкого среза бактерии нуклеоид имеет вид состоящей из тонких нитей плотной сетчатой структуры, которая выглядит светлее окружающей цитоплазмы.

На срезе замороженной бактерии после иммуноокрашивания нуклеоид выглядит как кораллоподобная структура с плотной сердцевиной и тонкими проникающими в цитоплазму выступами.

На электронных фотографиях нуклеоид бактерий чаще всего занимает центральную часть клетки и имеет меньший объем, нежели в живой клетке. Это связано с воздействием химических реактивов, используемых для фиксации препарата.

Ссылка на основную публикацию
Стресс и щитовидная железа — Какая связь Что делать
Щитовидная железа и репродуктивное здоровье женщины Эндокринная система в организме, как оркестр, где эндокринные клетки, продуцирующие различные гормоны, как инструменты,...
Стоматологический инструментарий — Медицинская энциклопедия
Виды и назначение стоматологических инструментов Читайте в нашей статье про основные виды стоматологических инструментов и их классификацию. Они используются для...
Стоматология и лечение зубов в Долгопрудном
Эстет Дент Стоматологическая клиника +7 (495) 579-31-43 +7 (926) 778-17-57 ПН ВТ СР ЧТ ПТ СБ ВС Эстет Дент на...
Стресс, питание и цистит в чем взаимосвязь Отвечает уролог
Психосоматика цистита. Причины и лечение у женщин Цистит – это болезнь, возникающая из-за воспаления мочеполовой системы человека, вследствие распространения болезнетворных...
Adblock detector