Генетический аппарат и репликация ДНК

Генетический аппарат прокариот представлен «бактериальной хромосомой» — кольцевой молекулой ДНК, организованной (при участии особой РНК) в специальное образование — нуклеоид. Последний находится в центре бактериальной клетки и в типичном случае имеет форму ромашки, сердцевину которой образует РНКостов, на котором фиксированы 2—100 петель ДНК. При этом отмечается закономерная топография функционально неактивных и активных областей ДНК: первые в форме суперспирализованных участков сосредоточены главным образом в центральной зоне нуклеоида, вторые — в виде деспирализованных нетель — на его периферии. Именно на них происходит синтез иРНК. Примечательно, что при этом одна и та же молекула иРНК может быть одновременно связана с ДНК и рибосомами, поскольку, как известно, процессы транскрипции и трансляции у прокариот протекают параллельно.

Репликация ДНК в норме всегда предшествует делению клетки. Процесс начинается в точке прикрепления кольцевой молекулы ДНК к плазмалемме (как правило, посредством мезосомы), где располагается ферментативный комплекс, ответственный за репликацию. Деление молекулы ДНК, начавшееся в точке прикрепления, осуществляется синхронно в двух противоположных направлениях, при этом образуются характерные промежуточные структуры. Возникающие дочерние молекулы ДНК остаются фиксированными (прикрепленными к плазмалемме). Репликация ДНК происходит параллельно с формированием мембраны в области контакта ДНК с плазматической мембраной, благодаря чему происходит разделение дочерних молекул Д11К и образование обособленных бактериальных «хромосом». Так же как и у эукариот, репликация ДНК у бактерий осуществляется по полуконсервативному типу.

Важным элементом генетического аппарата большинства изученных прокариот является особая некодирующая белки конструкция — CRISPR-система, состоящая из нескольких кассет, содержащих идентичные повторы с расположенными между ними уникальными последовательностями (сиейсеры). В начале каждой кассеты находится лидерная последовательность, определяющая направление ее транскрипции. Исследование первичной структуры ДНК спейсеров выявило наличие в них фрагментов генома вирусов-бактериофагов и плазмид (других видов бактерий). Эти данные позволили предположить, что: а) CRISPR-система выполняет защитную функцию — препятствует проникновению бактериофагов и чужеродных плазмид; б) наличие участков генома вирусов и плазмид в спейсерах представляет собой своего рода иммунную память, передающуюся по наследству. Справедливость этой гипотезы доказана в экспериментах с Streptococcus thermophilus — бактерией, широко используемой для приготовления молочнокислых продуктов. В первой серии опытов показано, что искусственное включение в CRISPR-кассеты в виде новых спейсеров определенных участков генома соответствующего бактериофага делало бактерию устойчивой к инфицированию данным вирусом. В других экспериментах установлено, что удаление из CRISPR-кассет спейсеров, идентичных ДНК-фрагмснтам данного бактериофага, приводит к утрате устойчивости бактерии к вирусу. Существенно, что в геноме бактерий в виде новых спейсеров, встраивающихся линейно со стороны лидерного участка CRISPR-системы, последовательно фиксируются молекулярные следы их взаимоотношений с вирусами. К изложенному необходимо добавить, что получены данные, указывающие на участие CRISPR-системы в процессах рекомбинации и репарации бактериальной ДНК, а также расхождении ДНК-копий в дочерние клетки при делении бактерий. Полагают, что CRISPR-система играет важную роль в эволюции прокариот.