Бактериальная хромосома и плазмиды

Бактерия обычно содержит большую часть своих генов на одной, как правило, кольцевой хромосоме, которая уплотнена в плотную область, называемую нуклеоидом, а также может содержать плазмиды — более мелкие молекулы ДНК, реплицирующиеся независимо. Хромосома содержит основные гены, необходимые клетке для жизни, в то время как плазмиды часто несут дополнительные гены, включая гены устойчивости к антибиотикам и вирулентности, которые могут перемещаться между клетками.

Definition

Бактериальная хромосома — это основной геном клетки, обычно одна кольцевая молекула ДНК, конденсированная в нуклеоид; плазмида — это более мелкая, автономно реплицирующаяся молекула ДНК, которая несет дополнительные гены и отличается от хромосомы.

Scope

Эта тема охватывает организацию и упаковку бактериального генома, различие между хромосомной и внехромосомной (плазмидной) ДНК, репликацию и поддержание плазмид, а также роль плазмид как мобильных, дополнительных генетических элементов. Это обзор структуры и функции, а не клиническое руководство.

Core questions

• Как бактериальная хромосома организована и уплотнена в нуклеоид?
• Что отличает хромосомную ДНК от плазмидной ДНК?
• Как плазмиды реплицируются и стабильно поддерживаются в делящейся популяции?
• Какие дополнительные функции обычно несут плазмиды?

Key concepts

• Кольцевая бактериальная хромосома
• Нуклеоид и компактизация хромосомы
• Суперспирализация и нуклеоид-ассоциированные белки
• Плазмида и репликон
• Сайт начала репликации
• Число копий плазмиды и несовместимость
• Системы поддержания токсин-антитоксин
• Дополнительные гены (устойчивости и вирулентности)

Mechanisms

Большинство бактериальных геномов организованы в виде одной кольцевой хромосомы, которая на несколько порядков длиннее клетки, поэтому она свернута в суперспирализованные петли и организована нуклеоид-ассоциированными белками и конденсин-подобными механизмами в нуклеоид, как рассмотрено Вангом и коллегами. Плазмиды являются отдельными репликонами: каждая несет свой собственный сайт начала репликации и реплицируется независимо от хромосомы, при этом число копий и группы несовместимости определяются системой контроля репликации. Стабильное наследование низкокопийных плазмид усиливается системами распределения и постсегрегационным уничтожением через локусы токсин-антитоксин, которые Гердес и коллеги описывают как механизм, избирательно убивающий дочерние клетки, потерявшие плазмиду. Плазмиды и связанные с ними мобильные элементы действуют как дополнительные геномы, которые могут распространять гены, такие как детерминанты устойчивости к антибиотикам, среди популяций.

Clinical relevance

Плазмиды являются основным средством распространения устойчивости к противомикробным препаратам и некоторых генов вирулентности среди бактерий, поэтому их биология имеет центральное значение для понимания эпидемиологии резистентности. Эта статья объясняет биологию хромосом и плазмид на механистическом уровне и не является основой для диагностических или лечебных решений.

History

Термин «плазмида» был введен Джошуа Ледербергом в 1952 году для обозначения внехромосомных наследственных детерминант, и последующие работы установили плазмиды как автономные репликоны. Признание того, что плазмиды несут переносимые гены устойчивости, а позднее геномные и визуализационные исследования организации нуклеоида, рассмотренные Вангом и коллегами, уточнили современное представление о структурированной хромосоме, сопровождаемой мобильным дополнительным геномом.

Key figures

• Joshua Lederberg
• Stanley Cohen
• Kenn Gerdes

Seminal works

• wang-2013
• smillie-2010
• frost-2005

Frequently asked questions

В чем разница между хромосомой и плазмидой?

Хромосома несет основные гены, необходимые для жизни, и обычно представляет собой одну большую кольцевую молекулу, тогда как плазмида — это более мелкая, независимо реплицирующаяся молекула ДНК, которая несет дополнительные, часто переносимые, гены.

Почему плазмиды важны для устойчивости к антибиотикам?

Многие гены устойчивости расположены на плазмидах, которые могут копироваться и передаваться между бактериями, что позволяет устойчивости быстро распространяться внутри и между бактериальными популяциями.