Плазмида — внехромосомный элемент ДНК¶
Плазмида — это замкнутая двуцепочечная молекула ДНК, способная к автономной репликации внутри клетки и не являющаяся необходимой для её жизнедеятельности в обычных условиях. Плазмиды обнаруживаются преимущественно у бактерий, но встречаются также у архей и некоторых эукариот (дрожжей и других грибов, растений). Размер плазмид варьируется от нескольких тысяч до нескольких сотен тысяч пар оснований. В отличие от хромосомной ДНК, несущей гены, необходимые для выживания клетки, плазмиды содержат вспомогательные гены, обеспечивающие адаптивные функции: устойчивость к антибиотикам, синтез токсинов, деградацию необычных субстратов и другие.
¶Структура и свойства
Плазмидная ДНК, как правило, представляет собой кольцевую (циклическую) двуцепочечную молекулу. У некоторых видов бактерий описаны линейные плазмиды. Молекулы плазмид компактно упакованы в клетке и прикреплены к клеточной мембране или находятся в цитоплазме.
Ключевые свойства плазмид:
- Автономная репликация — плазмиды содержат участок ДНК, называемый oriV (origin of replication), обеспечивающий их размножение независимо от хромосомы. Копийность плазмид в клетке варьируется от 1–2 (низкокопийные) до нескольких сотен (высококопийные).
- Совместимость — плазмиды, использующие один и тот же механизм репликации, не могут сосуществовать в одной клетке и вытесняют друг друга. Совместимые плазмиды относят к разным инкомпатибельным группам.
- Обмен генетическим материалом — многие плазмиды несут гены конъюгации (трансмиссивные или F-подобные плазмиды), позволяющие передавать копию плазмиды в другую клетку через пилус.
¶Классификация
По функциональному назначению плазмиды подразделяют на несколько классов:
| Тип плазмид | Функция |
|---|---|
| Плазмиды устойчивости (R-плазмиды) | Гены резистентности к антибиотикам и другим антимикробным веществам |
| Плазмиды вирулентности | Кодируют факторы патогенности (например, токсины) |
| Деградативные плазмиды | Обеспечивают распад необычных органических соединений (ксилоза, толуол, камфора) |
| Col-плазмиды | Кодируют бактерицины — белки, убивающие родственные штаммы |
| F-плазмиды | Содержат гены конъюгации, определяют фертильность |
| Эпизомы | Могут интегрироваться в хромосомную ДНК и существовать в интегрированной форме |
По копийности различают низкокопийные (1–5 копий на клетку) и высококопийные (10–100 и более) плазмиды. Копийность контролируется механизмом, связанным с oriV и репликационным контролем.
¶Роль в природе
В природных популяциях бактерий плазмиды играют важную роль в горизонтальном переносе генов — передаче генетического материала между клетками без размножения. Именно через плазмиды чаще всего распространяются гены устойчивости к антибиотикам, что является серьёзной проблемой клинической медицины и ветеринарии. Р-плазмиды, впервые описанные в 1950-х годах в Японии, быстро передаются между бактериями разных видов, что способствует формированию множественной лекарственной устойчивости.
Плазмиды могут нести гены, полезные только в определённых условиях. Например, деградативные плазмиды позволяют бактериям использовать в качестве источника углерода нетипичные субстраты — ароматические углеводороды, пестициды. Это свойство используется в биоремедиации — очистке загрязнённых территорий с помощью микроорганизмов.
¶Применение в биотехнологии
Плазмиды являются основным инструментом генной инженерии. В клонирующих векторах на основе плазмид объединяют несколько элементов:
- oriV — участок репликации;
- селективный маркер (чаще ген устойчивости к антибиотику);
- полилинкер (множественный сайт клонирования) с участками рестрикции;
- промотор, обеспечивающий экспрессию вставленного гена.
Через плазмидные векторы получают рекомбинантные белки, в том числе инсулин человека, интерфероны и вакцинные антигены. Плазмидная ДНК используется также в качестве основы ДНК-вакцин. В 2020-х годах плазмидные системы активно применяются в технологиях редактирования генома CRISPR-Cas9 для доставки компонентов системы в клетки.
¶История открытия
Плазмиды были открыты в 1950-х годах. Термин «плазмида» предложил в 1952 году американский микробиолог Джошуа Ледерберг для обозначения любых внехромосомных наследуемых элементов бактериальной клетки. Ранее, в 1946 году, Ледерберг и Эдвард Тейтум показали наличие полового слияния у бактерий, что привело к обнаружению фактора фертильности (F-плазмиды). В 1959 году японские исследователи Тосихико Иватати и Сюкэй Кунитадзима описали R-факторы — плазмиды устойчивости к антибиотикам.
¶Источники
- Крылов В. Н., Мазур В. А. Молекулярная биология. — М.: Высшая школа.
- Гладышев Г. Б. Молекулярная биология клетки. — М.: БИНОМ.
- Морозов И. А. Общая биология. — М.: Просвещение.
- Lewin B. Genes XII. — Oxford University Press.
- Griffiths A. J. F. An Introduction to Genetic Analysis. — W. H. Freeman.