ТАРАУ. Микробтар генетикасы

Мутациялар ДНҚ – ның құрлымдық өзгерісі, ол тұқым қуалаушылық қасиеттерінің (нақты бір қасиетінің) өзгеруімен сипатталады.

Мутацияларды шығу тегіне, ДНҚ – ның біріншілік құрлымдық өзгерістеріне, мутацияға ұшыраған бактерия жасушасының фенотиптік өзгерістеріне және басқа да қасиеттеріне қарап жіктеуге болады.

Шығу тегіне байланысты мутацияларды спонтанды және индуцирленген деп бөлуге болады. Біріншісі табиғи немесе спонтанды құбылыс,оның айқындылық дәрежесі мутацияның түріне және микроб популяциясының түріне байланысты болады. Олар әр түрлі себептер мен жағдайлардың әсерінен in vivo - және in vitro – микроб популяцияларынан көрінеді (адам организмінің табиғи биотоптарында), мысалы, репродукцияланатын ферменттердің немесе ДНҚ – ның репликациясы кезіндегі ДНҚ- полимеразаның жұмыстарында қателіктер кеткен жағдайда. Мутациялар синтезделіп жатқан ұрпақтық (дочерная) тізбектің бір азоттық негізінің орнына басқа ата - аналық тізбектегі комплементсіз негіз қате тіркескенде пайда болады, мысалы адениннің орнына комплементті тимин, гуанин немесе цитозин тіркеседі.

Табиғи фонның өзгеру себебі инсертациялық мутацияларға (ағылшынша insertion - жалғау) байланысты болуы мүмкін, олар микроб жасушасының хромосомасына Is – тіркестіктер, транспозондар және плазмидалар тізбектелгенде түзіледі. Бұл кезде мутация фенотипі олардың интеграциялану орнына байланысты болады: егер олар промоторға жақын түзілсе, реттеуші гендердің қызыметі бұзылады, ал құрлымдық генге жақын түзілсе - кодталып қойған өнімнің синтезі бұзылады. Бактерияларда мутатор – гендер бар болса мутация жиілігі 100 немесе одан да жоғары болады.

Индуцирленген мутациялар тәжірибе кезінде белгілі бір мутагендермен әсер ету арқылы болатын құбылыстар.

Мутациялаушы гендердің санына байланысты гендік және хромосомалық мутацияларды ажыратады. Біріншілері бір генде ғана өзгеріс енгізеді және нүктелік деп аталады, ал екіншілері бірнеше генге әсер етеді.

Нүктелік мутациялар ДНҚ- да қос азоттық негіздердің алмасуы мен тіркесуі түрінде көрінеді, олар бір кодонның өзгеруіне әкеледі, нәтижесінде бір аминқышқылының орнына басқа, бірде –бір амин қышқылын кодтай алмайтын, бос кодон түзіледі. Соңғысын нонсенс мутациялар деп атайды.

Азоттық негіздердің бір жұбының тіркесуі немесе түсіп қалуы арқылы жүретін мутация түрі басқа да барлық кодондардың өзгеруіне әкеледі. Бұндай мутациялар оқылудың жылжуы деп аталады. Олар бір генге де әсер етуі мүмкін.

Нүктелік мутациясы бар микроорганизмнің бір генінде, тағы осы генде екіншілік мутация пайда болуы мүмкін, нәтижесінде жабайы фенотипі қалпына келеді. Бұндай мутанттық фенотиптің пайда болуына әкелген біріншілік мутацияны - төте, ал қайтадан жабайы фенотиптік қайтымдылық мутация түзген түрін қайтымды (кері) деп атайды. Бұндай жағдай, тікелей мутациялық өзгеріс бірінші мутацияланған геннің қос негіздері қарапайым ауысқан жағдайда болуы мүмкін. Тікелей мутация қос тізбек АТ – ның ГЦ – ға ауысуының нәтижесінде, ал кері мутация ГЦ – жұбының АТ- ға ауысуына байланысты. Табиғи реверсия кезінде фенотип қана емес, генотип те қалпына келеді. Фенотипті қалпына келтіру супрессияға да байланысты болуы мүмкін, яғни мутантты фенотип басылады, ол мутациялық өзгерістердің себептерін жойған кезде көрінеді. Мысалы, егер бірінші мутация кезінде геннің ДНҚ -ның бір бөлігіне нуклеотид жұбы тіркессе немесе түсіп қалса, ал басқасында мутация керісінше болса (түсіп қалса немесе тіркессе), онда информацияны дұрыс оқу қалпына келеді. Бұндай супрессия түрі екіншілік деп аталады.

Геннен тыс супрессия кезінде біріншілік мутациялық өзгерістердің айқындығын басатын екіншілік мутациялар супрессорлық – гендерде локализацияланады, олар тасымалдаушы РНҚ (тРНҚ) синтезін кодтайды. Бұндай мутациялар тРНҚ – ның өзгеруіне әкелуі мүмкін, нәтижесінде синтезделетін полипептидке қажетті аминқышқылы жеткізіледі. Бұл кезде генотип емес, фенотип қалпына келеді.

Хромосомалық мутациялар ДНҚ – ның жеке фрагменттерінде ірі өзгерістердің болуымен сипатталады. Олар нуклеотидтердің шамалы немесе көп бөлігінің түсіп қалуы (делеция), немесе ДНҚ – ның бір бөлігінің 180ә -қа бұралуы (инверсия), немесе ДНҚ – ның қандайда – бір бөлігінің қайталануы (дупликация) салдарынан болады. Хромосомалық мутациялардың түзілу механизмінің біріне Is – тіркестердің және транспозондардың ДНҚ – ның бір бөлігінен келесісіне, немесе репликоннан репликонға (хромосомадан плазмидаға немесе керісінше) көшуімен байланысты.

Нәтижесінде мутация түзіледі, себебі транспозондық элемент қосылған кезде геннің қызыметі бұзылады.Көшу кезінде олар гендік материалдың делециясын немесе инверсиясын, ал ДНҚ – ның жаңа бөліміне қосылғанда 6 – 9 жұп нуклеотидтер жұбының дупликациясын туғызуы мүмкін.

Фенотиптік өзгерістеріне байланысты мутацияны бейтарапты, шартты – летальді, летальді деп бөледі. Бейтарапты мутациялар қандайда бір қасиеттерінің фенотиптік өзгерістерімен көрінбейді, себебі олар синтезделетін ферменттердің белсенділік қасиеттеріне әсер етпейді.

Өзгеріске әкелсе, бірақ ферменттің белсенділік қасиетін жоғалтпаса оларды шартты – летальді деп атайды. Қоршаған орта жағдайларына байланысты микроорганизмдер өз тіршіліктерін сақтап қалуы мүмкін немесе керісінше жойылады.Мысалы, ts – мутант бактериялар (температураға сезімтал) 37әС – та ферменттерді синтездеу қабілеттіліктерін сақтайды, ал 42әС – та бұл қасиеттерін жояды. Сондай - ақ, жабайы бактериялардың типтерінде сәйкес ферменттер екі температурада да белсенді келеді.

Летальді мутациялар бактерия жасушасының маңызды ферментті синтездеу қабілетінің толық жойылуымен сипаталады. Көбінде бұндай мутациялар гендердің топтарын қоршап алған үлкен делециялар кезінде немесе хромосомалық мутацияның басқа түрлерінде кездесуі мүмкін. Сонымен оларға гендерінде ДНҚ – полимераза синтезі туралы информацияны алып жүретін мутациялар жатады.

Мутациялар фенотипінде морфологиялық және биохимиялық қасиеттерінің жойылуы немесе өзгеруі түрінде көрінеді, мысалы: талшықтарын, кірпікшелерін, капсулаларын, жасуша қабықтарын; қандай – да бір көмір суларды ферменттеу, белгілі – бір аминқышқылдарын, витаминдерді басқа да байланыстарды синтездеу қасиеттері, дәрілік немесе дезинфекциялық заттарға және т.б. тұрақтылықтың қалыптасуы.

Белгілі – бір аминқышқылдарына, азоттық негіздерге, өсу факторларына тәуелді мутанттар - ауксотрофтылар деп аталады. Олар өсу қабілетін тек, сондай жетіспейтін фермент қосылған дайын қоректік ортада толықтырылған жағдайда ғана сақтайды.

Микроорганизмнің қандайда бір фенотиптік қасиеттерінің өзгеруін модификация деп атайды.Мутациядан ерекшелігі олар геноммен бақыланып отырса да ДНҚ – лық құрылымы біріншілік өзгерістерге ұшырап, жойылып кетпейді.

Модификациялар жеке микроб жасушасының немесе жалпы популяцияның өзгеріске ұшыраған қоршаған ортаға жауабы болып табылатын адаптациялық реакциясы ретінде көрінеді. Бұндай өзгеріс түрі микроб популяцияларының қоршаған ортаға тез үйреніп, сол жағдайда өз тіршілігін сақтап қалуларына мүмкіндік береді.

Модификациялар морфологиялық, биохимиялық және басқа да модификациялық құбылысты сақтау қажет болмағанда оларды туғызатын факторлардың әсерін жою арқылы бастапқы фенотипіне орала алу қасиеттерімен көрінеді.

Модификацияның биохимиялық негізін индуцибельді ферменттердің синтезі құрайды, ал олар реттеуші гендермен бақыланатын сәйкес құрылымдық гендердің индукциясы және реперессиясымен аяқталады. Мысалы, ішек таяқшасы лактоза болған жағдайда ғана оны ферменттеуге қажетті ферменттерді синтездей алады. Стафилококтар тек пенициллин болғанда ғана сол антибиотикті бұзатын ферментті синтездей алады.

Модификацияларға кейбір микроорганизмдердің «үнсіз» гендерінің қосындыларын (өзгермеген) жатқызуға болады, себебі жұқпалы аурулар кезінде олардың антигендері алмасады.Сонымен бірге модификацияларға бағдарламаланған гендік ақпараттардың өзгеруін де жатқызуға болады, ол геннің хромосомаға миграцияланып (көшуі), әр түрлі жиілікте белгілі бір локустарға тіркесіп, нәтижесінде қасиеттерінің өзгеруімен сипатталады. Генді қалпына келтіру механизмі де болады, ол кезде өз қасиеттерін қайта қалпына келтіреді. Бұндай модификация түрлеріне гонококтардың, мерез трепонемасының, қайталама сүзек боррелияларының, тырысқақ вибрионының антигендік құрлысындағы өзгерістер жатқызылады.

Модификациялар антибиотиктермен, мысалы пенициллинмен тікелей әсер еткенде пайда болуы мүмкін. Соның салдарынан түзілген, жасуша қабығын жоғалтқан L – пішінді бактериялар иесінің жасушасының ішінде сақталып қана қоймай, көбейіп, пенициллиннің әсері тоқтатылған жағдайда қайта қалпына келе алады. Көптеген бактерияларды антисептиктердің суббактериостатикалық концентрациясы бар қоректік ортасында өсіргенде олар модификацияға ұшырап, морфологиялық және басқа да қасиеттерін өзгертуі мүмкін.

R – S – диссоциациялар. Өзгергіштіктің бір түрі бактериялардың R – S – диссоциациялары болып табылады. Олар бактерия жасушасының бір – бірінен тығыз қоректік ортада түзген колонияларының сипатына байланысты ерекшеленетін өзгергіштік. R – колониялардың айнала шеті бұдыр, ал S – колониялардың айналасы тегіс болып келеді. Колониясының өзгеруімен қатар микроорганизмнің басқа да қасиеттері өзгеруі мүмкін.

4.1.5. Бактериялардың рекомбинациясы

Генетикалық рекомбинация - екі геном арасындағы, яғни рекомбинант ДНҚ түзілуіне, екі ата - ананың да гендеріне сай бүршіктік геномның түзілуіне әкелетін әр түрлі генотиптері бар екі геннің ара - қатынасы.

Бактерияларда жыныстық көбею мен мейоз болмайды. Рекомбинация процесінде донор бактериялар - олар жасушаларға генетикалық материалды тасымалдайды және реципиент – қабылдаушы жасуша қатысады. Реципиент – жасушаға донор - жасушаның хромосомасының бір бөлігі ғана енді. Рекомбинацияның мәнісі - бактериялар арасында генетикалық ақпаратты тасымалдау болып табылады. Ол келесі үш механизм арқылы жүзеге асырылады: конъюгация (бактериялар қатынасы кезінде біреуі конъюгативті плазмиданы алып жүреді), трансдукция (әлсіз бактериофагтың көмегімен) трансформация (жоғарыполимеразалы ДНҚ көмегімен).

Конъюгация. Генетикалық материалды донор - жасушадан реципиент – жасушаға жасушалардың жанасуы кезінде берілуін конъюгация деп атайды.

Генетикалық материалды донор - жасушадан реципиент – жасушаға жасушалардың жанасуы кезінде берілуін алғаш рет Дж. Ледерберг пен Э. Тейтум 1946 ж. тапқан.

Конъюгация процесіндегі негізгі жағдай - донор - жасушада трансмиссивті плазмиданың болуы.Трансмиссивті плазмидалар жыныстық кірпікшелерді кодтайды, ол арқылы донор - жасушадан реципиент – жасушаға көпірше түзіліп, плазмидалық ДНҚ жаңа жасушаға өтеді. Ғ факторы бар донор - жасушалар Ғ+, ал Ғ ← факторы жоқ реципиент – жасушалар Ғ^- деп белгіленеді. Егер Ғ - факторы автономды жағдайда донор - жасушада болса жанасу арқылы (Ғ+ → Ғ^-) реципиент – жасуша донорлық қасиетті алады. Конъюгация кезінде хромосомалық гендердің тасымалдануы бір бағытта жүреді, трансмиссивті плазмиданың өзі соңында өтеді. Конъюгациялық көпірше нәзік болғандықтан жыныстық фактор реципиент – жасушаға берілмеуі мүмкін, сондықтан түзілген рекомбинант донорлық қасиетке ие бола алмайды.

Трансдукция. Трансдукция - бактерия ДНҚ - ның әлсіз бактериофаг арқылы берілуін айтады. Бұл процесті 1951 – жылы Н. Циндер мен Дж. Ледерберг ашқан. Фаг бактерия ішінде репликацияланып жатқан кезде бактерия ДНҚ –ның фрагменті фагқа еніп фагтық инфекция кезінде реципиентті бактерияға беріледі. Трансдукцияның екі типі болады: жалпы трансдукция – бактерияфаг бактерия хромосомасының кез келген бөлігін тасымалдайды; спецификалық трансдукция – фаг ДНҚ – лы бактерия хромосомасына профаг түзіп интеграцияланғанда атқарылады.

Трансформация. Трансформация феноменін алғаш 1928 жылы Ф. Гриффитс пневмококктың капсуласыз R– штамының (Streptococcus pneumoniae) S – формалы капсулалы штаммға айналуын байқаған. Гриффитс тышқандарға бір уақытта авирулентті R– жасушалар және қыздырып өлтірілген S – жасушалардың аз мөлшерін енгізген. R– жасушалар капсулалық заты S II – типіне жататын – штаммға тән, ал қыздырып өлтірілген S – штамдар S III типіне тән. Өлген тышқандардың қанынан S III типті вирулентті капсулалы пневмококтар бөлінген.Трансформациялық фактордың табиғатын 1944 жылы О. Эвери, К. Мак – Леод, М. Мак – Картилар дәлелдеген. Олар ДНҚ капсулалық пневмококктардан капсуласыз пневмококктарға капсуланы трансформациялайтынын көрсетті. Осы жол арқылы генетикалық ақпаратты ДНҚ ғана тасымалдыушы екенін дәлелдеді.

Трансформациялық белсенділікке тек екі жіпшелі жоғары спиральданған ДНҚ молекуласы ғана ие.Ол реципиент – жасушаға ДНҚ – ның бір жіпшесі ғана енеді, ал екіншісі жасуша мембранасында энергия жұмсап деградацияланып жатады. Рекомбинация бір жіпшеде жүреді, нәтижесінде гетеродуплексті молекула түзіледі, бір жібі реципиент генотипі, екіншісі рекомбинантты генотип. Рекомбинантты трансформанттар тек репликациялық циклден кейін ғана түзіледі.

4.2.6. Вирустар генетикасының ерекшеліктері.

Вирустық геномның құрылысындағы ерекшеліктерге тұқымқуалаушылық ақпарат вирустың түріне байланысты ДНҚ – ға да РНҚ – ға да жазыла беретіні жатады.

Вирустардың мутациясы вирустың нуклейн қышқылының репликациясы кезінде, немесе бактериялардағы сияқты сыртқы орта факторларының және мутагендердің әсерінен спонтанды пайда болуы мүмкін.

Вирустық геномның фенотиптік мутациясы антигендік құрылымда, сезімтал жасушада өнімді инфекция қоздыруға қабілетсіздікпен, өнімді циклдың температураға сезімталдылығымен, сонымен бірге агарлы жабынды астында жасуша дақылдарындағы вирустар түзетін таңдақтарының пішінінің және мөлшерінің өзгеруімен көрінеді.

Вирустардың қасиеттері сезімтал жасушаларды бір мезгілде бірнеше вируспен жұқтырғанда өзгеруі мүмкін. Бұндай жағдайдағы өзгеріс материалдар арасында әр вирусқа тән нуклеин қышқылдарының алмасуы (генетикалық рекомбинация және генетикалык реактивация) кезінде немесе генетикалық материалдың алмасуынан болмайтын процестер нәтижесінде (комплементация және фенотиптік араласу) болуы мүмкін.

Генетикалық рекомбинация, көбінде ДНҚ – лы вирустарда жиі кездеседі. РНҚ – лы вирустардың ішінде ол жағдай фрагменттелген геномы барларда, мысалы тұмау вирусында кездеседі. Рекомбинация кезінде геномның гомологиялық аймақтарымен алмасу жүреді.

Генетикалық реактивация, әр түрлі гендерде мутациясы бар туыс вирустар геномдары арасында байқалады. Генетикалық материалды қайта бөлу нәтижесінде толық бүршікті геном қалыптасады.

Комплементация, жасушаға жұғатын екі вирустың біреуі мутация салдарынан қызмет атқармайтын ақуыз синтездеген жағдайда кездеседі. Мутантсыз вирус толық ақуыз синтездей отырып мутантты вирустағы жетіспеушілікті толықтырады.

Фенотиптік араласу, сезімтал жасуша екі вируспен аралас жұқтырылғанда ұрпағының біразы екі вирусқа да тән фенотиптік қасиеттер алады,ол кезде генотип өзгермейді.

4.3. Жұқпалы ауруларға диагноз қоюдың генетикалық әдістері

Рестрикционды талдау. Бұл әдіс рестриктаза деп аталатын ферменттің қолданылуына байланысты негізделген. Рестриктазалар – эндонуклеазалар, олар ДНҚ молекуласының фосфатты байланыстарын бос жерлерде емес, белгілі бір нуклеотидтердің тіркестіктерін де үзе отырып ыдыратады. Молекулалық генетиканың әдістері үшін негізгі орынды рестриктаза алады, олар орталық симметриялы және симметрияның орталық осінен екі жаққа бірдей оқитын қабілеті бар тіркестіктерді таниды.

ДНҚ – ның үзілген нүктесі симметрияның осімен сәйкес келуі мүмкін, немесе оған сәйкес жылжытылуы мүмкін.

Қазіргі кезде әр түрлі бактериялардан 175 – ке жуық бірнеше рестриктазалар бөлінген және тазартылған.

Егер белгілі микробтан бөлінген ДНҚ – ны белгілі бір рестриктазамен өңдесе, ол ДНҚ фрагменттерінің белгіленген қатаң айқын мөлшерінің түзілуіне әкеледі.

Әр типтің фрагменттерінің мөлшерін электрофорез бойынша агарлы гельде анықтауға болады: ұсақ фрагменттер ірілерге қарағанда гелде жылдам байқалады, сонымен бірге олардың өсу ұзақтығы да ұзынырақ келеді. Гельді бромды этидимен бояп УК – сәулемен суретке түсіреді.Осындай тәсілмен микробтың бір түрінің рестрикциялық картасын алуға болады.

Әр түрлі штаммдардан бөлінген ДНҚ рестрикциясының карталарын салыстыру арқылы гентикалық туыстастықты ажыратуға, мутацияға ұшыраған аймақтарды табуға болады.

Бұл тәсіл сонымен бірге нуклеотидті жұптың тіркестігін анықтайтын әдістің бастамасы ретінде және молекулалық гибридизация әдісінде қолданылады.

4.4. Жұқпалы ауруларға диагноз қоюда гендік әдістерді қолдану

Полимераздық тізбектік реакция (ПТР). ПТР зерттеу затынан (су, азық-түлік, науқастан алынған зерттеу заты, т.б.) таза дақыл бөліп алмай, ондағы микроб ДНҚ-лын табу арқылы микробты анықтауға мүмкіндік береді.

Бұл реакцияны жүргізу үшін зерттеу затынан берілген микроб геніне спецификалы болып келетін ДНҚ-лын бөліп алады. Генді табу оны жинақтау арқылы іске асырылады. Ол үшін бастапқы геннің ДНҚ-ның 3- ұшына комплементарлы праймерлер болуы қажет. Геннің жинақталуы (амплификациясы) келесі жолмен жүргізіледі. Зерттеу затынан бөлініп алынған ДНҚ –н жылытады. Жылыту барысында ДНҚ 2 жіпшеге ажырайды. Праймерлерді қосады. ДНҚ мен праймерлер қоспасын суытады. Осы кезде іздеп отырған ген ДНҚ –лы қоспада бар болса праймерлер оның комплементарлы бөлімдерімен байланысады. Содан соң ДНҚ мен праймер қоспасына ДНҚ-полимераза мен нуклеотидтерді қосады. ДНҚ-полимеразаның іске қосылуына оптимальды температура қажет. Міне осындай жағдайларда ДНҚ генімен праймерлер комплементарлы болса, нуклеотидтер праймердің 3-ұшына қосылып, нәтижесінде геннің 2 көшірмесі синтезделеді. Бұдан кейін цикл қайталанады, осы кезде геннің ДНҚ-ның саны әр жолы екі есеге көбейіп отырады (12 - сурет). Реакция арнайы құрал – амплификаторларда жүргізіледі. ПТР-ны вирустық және бактериальдық инфекцияларды диагноз қоюда қолданады.

5 ТАРАУ. Микробтарға қарсы қолданылатын препараттар

5.1. Микробқа қарсы препараттар

Антисептика, стерилизация, дезинфекция, химиотерапия сияқты әртүрлі тәсілдермен (шаралар кешені) микробтардың өсуін тежеуге немесе тоқтатуға болады. Бұл шараларды іске асыру үшін қолданылатын химиялық заттар – стерильдеуші агенттер, дезинфектанттар, антисептиктер және микробқа қарсы химиопрепараттар деп аталады.Микробтарға қарсы химиялық заттар екі топқа бөлінеді: (1) таңдамалы әсері жоқ –көптеген микробтарға өлтіруші әсер етеді (антисептиктер және дезинфектанттар), бірақ макроорганизм жасушаларына улы әсер етеді, және (2) таңдамалы әсері бар (химиотерапевтік заттар).