Плазмид — дефиниция, функции и роля в хоризонталния трансфер на гени

Плазмиди — самостоятелна ДНК с ключова роля в хоризонталния трансфер на гени, антибиотичната резистентност и микробната еволюция.

Плазмидът е ДНК молекула, която е отделна от хромозомната ДНК и която може да се репликира (копира) самостоятелно. Плазмидите са автономни генетични елементи (репликони), които носят собствени origin of replication (ori) и системи за контрол на броя копия, позволяващи им да се поддържат независимо от хромозомата на гостоприемника.

Терминът "плазмид" е въведен за първи път от американския молекулярен биолог Джошуа Ледерберг през 1952 г. Оттогава изучаването на плазмидите разкрива разнообразие от функции и механизми, които имат голямо биологично и клинично значение.

Структура и репликация

Плазмидите обикновено са двуверижни и в много случаи са кръгови; има обаче и линейни плазмиди. Размерът им варира от около 1 до над 1000 килобазови двойки (kbp). Репликацията може да става чрез различни механизми — най-често чрез модел тип "theta" при по-големите плазмиди и чрез "rolling circle" при някои по-малки. Контролът на броя копия (copy number) се постига чрез регулаторни RNA или белтъци, които взаимодействат с ori. Системи за разделяне (partition, например ParA/ParB) гарантират правилното разпределение на плазмидите при клетъчно делене.

Разпределение и копий номер

Плазмидите обикновено се срещат естествено в бактериите, но понякога се срещат и в еукариотните организми (например 2-микрометровият пръстен в Saccharomyces cerevisiae). Броят на идентичните плазмиди в една клетка може да варира от една до хиляди, в зависимост от вида на плазмида и механизма за контрол на копийния брой. Някои плазмиди имат тясна хост-регулация (narrow host range), други — широка (broad host range) и могат да репликират в различни родове или фамилии микроорганизми.

Функции и екологична роля

Плазмидите могат да носят гени, които осигуряват резистентност към естествено срещащи се антибиотици или синтетични антимикробни вещества, като често тези гени са групирани в т.нар. R-плазмиди. Те могат също да кодират фактори на вирулентност, токсини (напр. колициногенни плазмиди), системи за фиксация на азот, ензими за разграждане на трудно разградими органични съединения или метаболитни пътища, които дават селективно предимство в специфични среди. Плазмидите също така често съдържат механизми за самоподдържане като toxin–antitoxin системи, които предпазват плазмида от загуба (plasmid addiction systems).

Механизми на пренос и хоризонтален трансфер

Плазмидите често се свързват с конюгацията — механизъм за хоризонтален трансфер на гени, при който директен клетъчен контакт позволява прехвърлянето на плазмиден елемент от донор към приемник. Освен конюгация, прехвърлянето може да става чрез трансформация (приемане на "гола" ДНК от околната среда) или чрез посредничество на бактериофаги (трансдукция). Някои плазмиди са конюгативни (кодиращи пили и система за прехвърляне), други са мобилизуеми (нуждаят се от помощ от друг конюгативен плазмид), а трети са неподвижни.

Поддръжка, стабилност и еволюция

За да останат в популацията, плазмидите използват различни стратегии: регулация на броя копия, partition-системи за равномерно разпределение, toxin–antitoxin системи и селективен натиск от околната среда (напр. наличие на антибиотик). Като преносими генетични елементи, плазмидите са важен двигател на бърза еволюция — те позволяват бързо разпространение на адаптивни гени между различни таксономични групи и така увеличават генетичната плътност и разнообразие в микробните общности.

Класификация и примери

• Конюгативни плазмиди — например F-плазмидът при E. coli (понастоящем модел за изучаване на конюгацията).
• R-плазмиди — плазмиди, носещи гени за антимикробна резистентност.
• Количествени и малки плазмиди (напр. Col-плазмиди), които кодират токсини срещу други бактерии.
• Плазмиди в почвените и растителните симбиози — напр. Ti-плазмидът на Agrobacterium, използван при трансформация на растения.
• Еукариотни плазмиди — като 2-микрометровият пръстен в Saccharomyces cerevisiae, който поддържа специфични репликационни и стабилни функции в дрождовите клетки.

Значение в биотехнологиите и медицината

Плазмидите са основни инструменти в молекулярната биология и генетично инженерство — използват се като векторни платформи за клониране, експресия на протеини, производство на ваксини и генна терапия. В клиничен контекст разпространението на R-плазмиди е ключов фактор в епидемиологията на антимикробната резистентност и представлява сериозно здравно предизвикателство.

Идентификация и манипулация

Методите за изолиране и анализ на плазмиди включват плазмидно профилиране (електрофореза), секвениране, PCR и техники за трансформация на лабораторни щамове (heat-shock трансформация, електропорация). В лабораторни условия плазмидите могат да бъдат "излекувани" (cured) от клетките чрез третиране, което нарушава тяхната репликация или стабилност, за да се оцени фенотипното им влияние.

Подобно на вирусите, плазмидите не се смятат за форма на "живот", както е дефинирана в момента. За разлика от вирусите, плазмидите са "гола" ДНК и не кодират гени, необходими за обвиване на генетичния материал за прехвърляне към нов гостоприемник. Микробната трансформация с плазмидна ДНК не е нито паразитна, нито симбиотична по природа, а представлява динамичен механизъм за обмен на гени, който може да осигури селективно предимство при дадени условия на околната среда.

Прехвърлянето на плазмид от гостоприемник на гостоприемник изисква пряко, механично прехвърляне чрез конюгация или промени в генната експресия на гостоприемника, позволяващи умишленото приемане на генетичния елемент чрез трансформация. Поради ролята си в хоризонталния трансфер на гени, плазмидите имат решаващо значение за адаптацията и еволюцията на микробните популации.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява плазмидът?

В: Кой въвежда термина "плазмид"?

В: Колко големи са плазмидите?

В: Къде се срещат плазмидите в природата?

В: Какво общо има хоризонталният трансфер на гени с плазмидите?

В: Считат ли се плазмидите за живи?

В: Какви предимства може да има носенето на определени гени на плазмид?

Търсене по буква