โครโมโซมและพลาสมิดของแบคทีเรีย

โดยทั่วไป แบคทีเรียส่วนใหญ่มีจีนอยู่บนโครโมโซมเดี่ยว ซึ่งมักจะเป็นวงกลมและถูกอัดแน่นอยู่ในบริเวณที่เรียกว่านิวคลีออยด์ และอาจมีพลาสมิด ซึ่งเป็นโมเลกุล DNA ขนาดเล็กกว่าที่จำลองตัวเองได้อย่างอิสระ โครโมโซมบรรจุจีนหลักที่เซลล์จำเป็นต้องใช้ในการดำรงชีวิต ในขณะที่พลาสมิดมักจะบรรจุจีนเสริม รวมถึงจีนที่เกี่ยวข้องกับการดื้อยาปฏิชีวนะและความรุนแรง ซึ่งสามารถเคลื่อนย้ายระหว่างเซลล์ได้

Definition

โครโมโซมของแบคทีเรียคือจีโนมหลักของเซลล์ ซึ่งโดยปกติเป็นโมเลกุล DNA วงกลมเดี่ยวที่ถูกอัดแน่นอยู่ในนิวคลีออยด์ ส่วนพลาสมิดคือโมเลกุล DNA ขนาดเล็กกว่าที่จำลองตัวเองได้อย่างอิสระ ซึ่งบรรจุจีนเสริมและแยกต่างหากจากโครโมโซม

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงการจัดระเบียบและการบรรจุจีโนมของแบคทีเรีย ความแตกต่างระหว่าง DNA ในโครโมโซมและ DNA นอกโครโมโซม (พลาสมิด) การจำลองและการบำรุงรักษาพลาสมิด และบทบาทของพลาสมิดในฐานะองค์ประกอบทางพันธุกรรมเสริมที่เคลื่อนที่ได้ นี่คือภาพรวมอ้างอิงของโครงสร้างและหน้าที่ ไม่ใช่คำแนะนำทางคลินิก

Core questions

• โครโมโซมของแบคทีเรียมีการจัดระเบียบและอัดแน่นเป็นนิวคลีออยด์ได้อย่างไร?
• อะไรคือความแตกต่างระหว่าง DNA ในโครโมโซมและ DNA ในพลาสมิด?
• พลาสมิดจำลองตัวเองและคงอยู่ได้อย่างเสถียรในประชากรที่กำลังแบ่งตัวได้อย่างไร?
• พลาสมิดมักจะบรรจุหน้าที่เสริมประเภทใดบ้าง?

Key concepts

• โครโมโซมวงกลมของแบคทีเรีย
• นิวคลีออยด์และการอัดแน่นของโครโมโซม
• ซูเปอร์คอยล์และโปรตีนที่เกี่ยวข้องกับนิวคลีออยด์
• พลาสมิดและรีพลิคอน
• จุดกำเนิดของการจำลอง
• จำนวนสำเนาของพลาสมิดและความเข้ากันไม่ได้
• ระบบการบำรุงรักษาท็อกซิน-แอนติท็อกซิน
• จีนเสริม (การดื้อยาและความรุนแรง)

Mechanisms

จีโนมของแบคทีเรียส่วนใหญ่จัดเรียงเป็นโครโมโซมวงกลมเดี่ยวที่มีความยาวมากกว่าเซลล์หลายเท่า ดังนั้นจึงถูกพับเป็นวงซูเปอร์คอยล์ (supercoiled loops) และจัดระเบียบโดยโปรตีนที่เกี่ยวข้องกับนิวคลีออยด์ (nucleoid-associated proteins) และกลไกคล้ายคอนเดนซิน (condensin-like machinery) ให้อยู่ในนิวคลีออยด์ ดังที่ Wang และคณะได้ทบทวนไว้ พลาสมิดเป็นรีพลิคอน (replicon) ที่แยกต่างหาก: แต่ละพลาสมิดมีจุดกำเนิดของตัวเองและจำลองตัวเองอย่างอิสระจากโครโมโซม โดยมีจำนวนสำเนา (copy number) และกลุ่มความเข้ากันไม่ได้ (incompatibility groups) กำหนดโดยระบบควบคุมการจำลอง การสืบทอดที่เสถียรของพลาสมิดที่มีจำนวนสำเนาต่ำได้รับการเสริมแรงด้วยระบบการแบ่งแยก (partitioning systems) และการฆ่าหลังการแบ่งแยก (post-segregational killing) ผ่านตำแหน่งท็อกซิน-แอนติท็อกซิน (toxin-antitoxin loci) ซึ่ง Gerdes และคณะอธิบายว่าเป็นกลไกที่เลือกฆ่าเซลล์ลูกที่สูญเสียพลาสมิด พลาสมิดและองค์ประกอบเคลื่อนที่ที่เกี่ยวข้องทำหน้าที่เป็นจีโนมเสริมที่สามารถแพร่กระจายจีน เช่น ตัวกำหนดการดื้อยาปฏิชีวนะ (antibiotic-resistance determinants) ไปทั่วประชากรได้

Clinical relevance

พลาสมิดเป็นพาหะหลักในการแพร่กระจายของการดื้อยาต้านจุลชีพและจีนก่อโรคบางชนิดในหมู่แบคทีเรีย ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมชีววิทยาของพลาสมิดจึงมีความสำคัญต่อความเข้าใจระบาดวิทยาของการดื้อยา บทความนี้อธิบายชีววิทยาของโครโมโซมและพลาสมิดในระดับกลไก และไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการตัดสินใจในการรักษา

History

คำว่าพลาสมิดถูกนำเสนอโดย Joshua Lederberg ในปี 1952 เพื่อบ่งชี้ถึงตัวกำหนดทางพันธุกรรมนอกโครโมโซม และงานวิจัยต่อมาได้ยืนยันว่าพลาสมิดเป็นรีพลิคอนอิสระ การรับรู้ว่าพลาสมิดบรรจุจีนดื้อยาที่ถ่ายทอดได้ และต่อมาการศึกษาขนาดจีโนมและการสร้างภาพของโครงสร้างนิวคลีออยด์ที่ทบทวนโดย Wang และคณะ ได้ปรับปรุงภาพสมัยใหม่ของโครโมโซมที่มีโครงสร้างพร้อมกับจีโนมเสริมที่เคลื่อนที่ได้

Key figures

• Joshua Lederberg
• Stanley Cohen
• Kenn Gerdes

Seminal works

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

Frequently asked questions

ความแตกต่างระหว่างโครโมโซมกับพลาสมิดคืออะไร?

โครโมโซมบรรจุจีนหลักที่จำเป็นต่อการดำรงชีวิตและมักเป็นโมเลกุลวงกลมขนาดใหญ่เดี่ยว ในขณะที่พลาสมิดเป็นโมเลกุล DNA ขนาดเล็กกว่าที่จำลองตัวเองได้อย่างอิสระ ซึ่งบรรจุจีนเสริมที่มักจะถ่ายทอดได้

ทำไมพลาสมิดจึงมีความสำคัญต่อการดื้อยาปฏิชีวนะ?

จีนดื้อยาหลายชนิดอยู่บนพลาสมิดที่สามารถคัดลอกและถ่ายทอดระหว่างแบคทีเรียได้ ทำให้การดื้อยาสามารถแพร่กระจายได้อย่างรวดเร็วทั้งในและระหว่างประชากรแบคทีเรีย