• Нуклеоид бактерий выглядит как диффузная масса ДНК, однако для него характерна высокая упорядоченность и неслучайное расположение генов
• У бактерий нет нуклеосом, однако организации ДНК способствуют различные белки, связанные с нуклеоидом
• Подобно тому как это имеет место для ядра и цитоплазмы эукариотической клетки, у бактерий транскрипция происходит по всей массе нуклеоида, трансляция — на его периферической зоне
• Важную роль в организации нуклеоида играет РНК полимераза
Фундаментальное отличие клеток прокариот от клеток эукариот заключается в отсутствии у них ядерной оболочки. Присутствие ядерной мембраны у эукариот обеспечивает существование компартментов, которые разделяют процессы транскрипции и трансляции. У прокариот эти процессы не разделены мембраной, и мРНК может транслироваться во время транскрипции. Одновременное протекание этих процессов имеет важные последствия для регуляции активности некоторых генов.
Как показано на рисунке ниже, хромосомальная ДНК бактерий имеет вид аморфной массы, нуклеоида, занимающего большую часть объема в центре цитоплазмы. Нуклеоид состоит из хромосомальной ДНК и связанных с ней белков. Бактерии не содержат нуклеосом, которые участвуют в упаковке ДНК хромосом эукариотов и архей. Однако бактериальная ДНК компактна и упакована с участием многочисленных белков, ассоциированных с нуклеоидом, которые перчислены на рисунке ниже.
Электронная микрофотография, демонстрирующая,
что нуклеоид представляет собой диффузную массу, находящуюся внутри клетки бактерии.
К числу наиболее важных из этих белков относятся топоизомеразы. Они контролируют суперспирализацию ДНК, которая играет важную роль в ее компактизации, и обеспечивают протекание таких процессов, как репликация и транскрипция, для которых требуется раскручивание молекулы ДНК. Белки семейства SMC, поддерживающие структурную организацию хромосом, также участвуют в организации нуклеоида. Об этом свидетельствует фенотип соответствующих мутантов, однако конкретный механизм их участия остается неясным.
В клетках эукариот белки, близкие к SMC, участвуют в скреплении хромосом между собой и их конденсации в митозе и мейозе. Эти белки различной природы, связанные с нуклеоидом, участвуют в поддержании необходимого уровня его суперспирализации и компактизации. Однако предстоит еще выяснить, каким образом достигается и поддерживается такое состояние гомеостаза нуклеоида.
Хотя нуклеоид обладает аморфной структурой, отдельные гены располагаются в нем упорядоченно. Положение генов в нуклеоиде отражает их относительное расположение на карте хромосомы. По счастью, первое подтверждение этого было получено при исследовании свойств мутантов бактерий В. subtilis, дефектных по гену spoIIIE. Мутант этого организма не способен правильно сегрегировать хромосому при асимметрическом делении, которое сопровождает ранние стадии образования споры. Вместо этого септа деления замыкается вокруг одной копии хромосомы. У этого мутанта определенные гены почти всегда попадают в небольшой компартмент, поблизости от полюса, в то время как другие из него всегда исключаются.
Это наблюдение позволяет предполагать, что до деления хромосома всегда находится в определенном месте и в определенной ориентации.
Прямые данные были получены в исследованиях с использованием гибридизации in situ и флуоресцентной метки (FISH). Этот метод позволяет непосредственно отслеживать положение в клетке определенных генов. Однако при его использовании, перед гибридизацией зонда с ДНК, необходима фиксация препаратов и проведение других жестких воздействий. Еще один подход заключается в использовании конъюгата зеленого флуоресцирующего белка с белком LacI, связывающимся с ДНК. Этот конъюгат может присоединяться к сайтам связывания, находящимся в разных местах клетки. На основании всех этих экспериментов было показано, что гены не диффундируют по бактериальной клетке свободно, а локализованы в определенных, строго ограниченных местах.
Вообще говоря, область хромосомы, содержащая oriC, находится на одном конце нуклеоида, а область, содержащая terC, — на противоположном. Гены, которые на генетической карте расположены между двумя этими точками, распределены по нуклеоиду более или менее пропорционально.
У бактерий в аппарате транскрипции используется одна каталитическая основная РНК-полимераза, состоящая из двух а-, одной b- и одной b-субъединиц. Специфичность промотора определяется на начальном уровне различными сигма (а) факторами, которые также необходимы для инициации транскрипции, однако после этого отщепляются от кора. Регуляция транскрипции осуществляется большим набором дополнительных регуляторов, которые обычно связываются с ДНК вблизи от промотора, с тем чтобы активировать или подавлять инициацию транскрипции. Другие факторы регуляции действуют на уровне терминации (прекращения) транскрипции или изменения стабильности мРНК.
Большая часть молекул основной РНК-полимеразы находится в нуклеоиде в центре клетки. Поэтому, вероятно, здесь в основном происходит транскрипция. Напротив, рибосомы и различные белки, принимающие участие в трансляции, сосредоточены по периферии клетки. Таким образом, даже при отсутствии ядерной оболочки, в бактериальной клетке транскрипция и трансляция пространственно разобщены, подобно тому как это имеет место в клетке эукариот. Однако существуют различные данные в пользу того, что иногда у бактерий транскрипция и трансляция тесно сопряжены друг с другом.
Эти данные не противоречат имеющимся результатам, которые свидетельствуют о том, что РНК-полимеразы и рибосомы локализованы в разных местах клетки. Возможно, что оба процесса происходят на границе центральной, или сердцевинной, и периферийной областях клетки. Пока мы мало знаем об организации центральной, или сердцевинной, и периферийной областей нуклеоида, так же как и о деталях общей организации этой структуры.
Белки, участвующие в организации нуклеоида Escherichia coli.
У большинства других бактерий вместо белков MukB, MukE и MukF присутствуют белки SMC (белки, поддерживающие структуру хромосом),
а также связанные с ними факторы, родственные когезину и конденсинам эукариот.
Сегрегация хромосом после образования полярной септы при наступлении споруляции.
В холе споруляции В. subtilis клетки делятся асимметрично, образуя материнскую клетку и небольшую преспору.
Каждая клетка получает одну копию хромосомы. Сегрегация хромосом с образованием преспоры представляет собой двухэтапный процесс.
Вначале полярная разделительная септа замыкается вокруг хромосомы,
а затем белок SpoIIIE активно транспортирует оставшиеся 2/3 хромосомы в преспоровый компартмент.
У мутантов по гену spoIIIE только 1/3 хромосомы сегрегирует в преспору.
Анализ ДНК, захваченной в небольшой компартмент клеток мутанта по гену spoIIIE, показывает, что всегда захватывается специфический участок ДНК.
Это указывает на то, что до деления хромосома должна быть строго ориентирована и упорядочена.
На фотографиях, полученных во флуоресцентном микроскопе, представлены клетки спорулирующих spoIIIE-мутантов и клетки дикого типа, окрашенные на ДНК.
Несмотря на отсутствие ядерной оболочки, аппараты транскрипции и трансляции локализуются в отдельных частях бактериальной клетки.
Представлены делящиеся клетки В. subtilis.
Они экспрессируют конъюгаты белка рибосомальной субъединицы RpsB с зеленым флуоресцирующим белком (GFP)
и субъединицы РНК-полимеразы RpoC с GFP-UV, обладающие зеленой и красной флуоресценцией соответственно.
