Плазмиды — внехромосомные ДНК-молекулы¶

Плазмиды — это замкнутые двунитевые молекулы ДНК, существующие в клетке вне основной хромосомы и способные к автономной репликации. Наиболее распространены плазмиды у бактерий, однако они встречаются и у архей, а также у некоторых эукариот (дрожжей и других грибов, растений). Размер плазмид варьируется от нескольких тысяч до нескольких сотен тысяч пар оснований; они несут гены, обеспечивающие клетке дополнительные, но, как правило, необязательные для жизни свойства.

¶Структура и организация

Большинство плазмид — кольцевые молекулы двойной спирали ДНК. Каждая плазмида содержит:

• оригин репликации (ori) — участок, с которого начинается копирование молекулы;
• ген rep — кодирует белки, управляющие репликацией;
• гены устойчивости — часто расположены между повторяющимися последовательностями;
• сегменты, обеспечивающие конъюгативный перенос (транспортные гены, tra).

Плазмидная ДНК ассоциирована с белками и образует структуру, которую иногда называют нуклеоидом плазмиды. Копийность плазмид в клетке — число молекул на одну клетку — варьируется от одной-двух (низкокопийные плазмиды) до нескольких сотен (высококопийные) и определяется последовательностями в ori и продуктами гена rep.

¶Классификация

Плазмиды разделяют по нескольким признакам.

По способу размножения:

• Репликон-плазмиды — содержат собственный ori и реплицируются независимо от хромосомы.
• Мобилизуемые (mob+) — не имеют полного набора генов конъюгации, но содержат oriT и могут переноситься, если в клетке присутствует другая конъюгативная плазмида.
• Интегративные — способны встраиваться в хромосомную ДНК (например, плазмиды F, образующие Hfr-штаммы).

По функциональному признаку:

• F-плазмиды (плазмиды фертильности) — несут гены конъюгации, обеспечивающие образование половой пили и перенос ДНК между клетками. Первоначально описаны у Escherichia coli.
• R-плазмиды (плазмиды устойчивости) — кодируют резистентность к антибиотикам, тяжёлым металлам или другим антимикробным агентам. Играют ключевую роль в распространении антибиотикорезистентности в природе и медицине.
• Col-плазмиды — несут гены бактерицинов (колицинов), токсичных для близких штаммов.
• Деградативные — позволяют бактериям использовать нетипичные источники углерода (например, толуол, нафталин).
• Vir-плазмиды — определяют вирулентность растений (например, Ti-плазмида Agrobacterium tumefaciens, вызывающая корневой рак).

¶Репликация и контроль копийности

Репликация плазмид подчиняется тем же механизмам, что и хромосомная ДНК (полуконсервативный механизм, работа ДНК-полимеразы), но управляется собственными системами контроля. Высококопийные плазмиды часто используют механизм «контролируемой инициации»: каждый цикл деления клетки начинается с синтеза определённого числа копий, независимого от хромосомной репликации. Низкокопийные плазмиды, как правило, тесно связаны с хромосомной репликацией и делятся вместе с ней.

Плазмиды, несущие одинаковые ori, относятся к одному инкомпатибельному (Inc) группе — они не могут сосуществовать в одной клетке, так как конкурируют за механизмы контроля репликации.

¶Перенос между клетками

Конъюгативные плазмиды обеспечивают горизонтальный перенос генетического материала через прямой контакт клеток. Процесс включает образование половой пили, сближение донора и реципиента, образование межклеточного мостика и транспорт копии плазмидной ДНК. Плазмиды могут переноситься не только между бактериями одного вида, но и между разными видами, что является важным фактором эволюции и распространения признаков, включая устойчивость к антибиотикам.

¶Применение в генной инженерии

Плазмиды широко используются как векторы — переносчики генов в генной инженерии и биотехнологии. Для этого в плазмиду встраивают:

• ген интересующего белка;
• селективный маркер (чаще ген устойчивости к антибиотику);
• промотор, обеспечивающий экспрессию гена.

После введения в клетку-хозяина (обычно E. coli) плазмидная копия реплицируется, позволяя получать большое количество рекомбинантной ДНК и продуцировать нужный белок. На основе Ti-плазмиды Agrobacterium созданы векторы для трансформации растений. Плазмидные векторы используются при создании ДНК-вакцин и в клонировании генов.

¶Роль в природе и медицине

Плазмиды являются важным компонентом горизонтального переноса генов в природных сообществах бактерий. Именно через плазмиды в популяциях быстро распространяются гены устойчивости к антибиотикам, что является серьёзной проблемой клинической медицины. Плазмиды также участвуют в эволюции вирулентности и метаболических возможностей бактерий.

У эукариот плазмиды встречаются реже. У дрожжей описаны 2-микронные кольцевые плазмиды, у растений — некоторые кольцевые молекулы ДНК хлоропластов и митохондрий, у паразитических нематод — митохондриальные плазмиды.

¶История открытия

Плазмиды были открыты в 1950-х годах. Термин «плазмида» предложил американский микробиолог Джошуа Ледерберг в 1952 году для обозначения автономных наследственных элементов бактериальной клетки. Ранее, в 1946 году, Ледерберг и Эдвард Тейтем показали, что штаммы E. coli могут обмениваться генетическим материалом, что стало основой открытия конъюгации.

¶Исторические источники

• Ледерберг J. Cell genetics and hereditary symbiosis // Physiological Reviews. — 1952.
• Hardy K. Bacterial Plasmids. — London: Van Nostrand Reinhold, 1984.
• Крылов В. Н., Мазур В. И. Плазмиды бактерий и их роль в эволюции. — Новосибирск: Наука, 1991.
• Герасимова Т. Н., Шкляр В. Э. Генная инженерия. — СПб.: Химиздат, 2002.