Микробиология - Гусев М.В.
Скачать (прямая ссылка):
Наконец, еще один подход к классификации прокариот для установления степени их родства связан с развитием молекулярной биологии и основан на сравнительном изучении и сопоставлении первичной структуры макромолекул, участвующих в осуществлении важнейших клеточных функций. K таким макромолекулам относятся ДНК, РНК, ферментные белки. Известно, что генетическая информация записана в молекуле ДНК в виде различных сочетаний трех из четырех азотистых оснований. Согласно законам генетического кодирования разная информация не может быть записана одинаково, поэтому организмы с неодинаковым нуклеотидным составом ДНК будут различными. Если же ну-клеотидный состав ДНК двух сравниваемых организмов одинаков, возможно и сходство и различие этих организмов, поскольку генетическое кодирование основано не только на определенном содержании оснований в единице кодирования (триплете), но и на их взаимном расположении.
Для таксономических целей сравнивают молярное содержание суммы гуанина и цитозина (ГЦ) в процентах от общего количества оснований ДНК у разных объектов. Определение молярного содержания ГЦ-оснований у широкого круга прокариот обнаружило, что оно колеблется от 25 до 75%, только в группе цианобактерий — от 35 до 71% 2.
Более тонкий метод оценки генетического сходства организмов — метод гибридизации их ДНК, позволяющий количественно оценивать степень гомологичности ДНК этих организмов. В основе его лежит способность денатурированной (одноцепочечной) ДНК в подходящих условиях ренатурироваться, т. е. соединяться с комплементарной нитью с образованием двухцепочечной молекулы ДНК. Для этого ДНК, выделенную из организмов одного вида, денатурируют нагреванием и в таком виде фиксируют в каком-нибудь носителе, например в геле. Из другого вида организмов приготавливают меченую ДНК, подвергают ее денатурации и деградации на отдельные более или менее мелкие фрагменты, после чего создают условия для реассоциации с ДНК, закрепленной в носителе. Количество двухцепочечной ДНК, образованной в результате взаимодействия однонитевых ДНК из разных организмов, служит мерой сходства этих организмов. (Количество образовав-
2 Колебания нуклеотидного состава ДНК у эукариотных микроорганизмов (молярное содержание, %): грибы — 26—70, водоросли — 37—68, простейшие — 22—68. У высших растений и животных — 35—45%. Колебания в составе оснований ДНК вирусов приблизительно такие же, как у прокариот.
138
шейся двухцепочечной ДНК легко определяется по радиоактивной метке после удаления непрореагировавших незакрепленных фрагментов.)
Значение данных о строении ДНК для систематики прокариот огромно, поскольку о сходстве и различии организмов судят, сравнивая в целом их генетические аппараты, в которых записана вся информация о признаках организма. Однако, как показал опыт использования этого метода для систематики бактерий, при установлении филогенетических связей между группами степень сходства бактериальных геномов может служить лишь в качестве одного из тестов для определения отношений между организмами наряду с использованием для этой же цели совокупности морфологических, цитологических, физиолого-биохи-мических признаков. Сопоставление информации о генетическом аппарате с фенотипической характеристикой, проведенное для ряда бактериальных форм, показало, что не всегда между ними наблюдается соответствие, т. е. сходство фенотипов организмов не всегда коррелирует со сходством в строении и гомологичностью их ДНК-Недостаток метода классификации бактерий на основании сравнения их геномов состоит в том, что с его помощью оценивается суммарно вся генетическая информация клетки, что делает этот метод нечувствительным к незначительным информационным отклонениям, которые, однако, могут определять важные свойства организма. Поясним это примером. Для автотрофной ассимиляции углекислоты клетка помимо ферментов, имеющихся у гетеротрофных организмов, должна иметь два специфических фермента: рибулозодифосфаткарбоксилазу и фос-форибулокиназу. Информация об этих ферментах записана в геноме с помощью 3•1O2 пар оснований. Всего же бактериальный геном содержит порядка 106 пар оснований. Таким образом, признак, характеризующий способность к автотрофной ассимиляции углекислоты у бактерий, приводит к ничтожному изменению в общем строении бактериального генома, которое не определяется используемым методом. Однако важность этого признака, определяющего способность микроорганизмов к автотрофии, в таксономическом отношении не вызывает сомнений.
Одним из перспективных филогенетических маркеров оказались рибосомальные РНК (рРНК), у которых консерватизм первичной структуры сочетается с постоянством функций и повсеместным распространением, указывающим на древнейшее происхождение. Это 165 рРНК прокариот и органелл эукариот и 18S рРНК цитоплазмы эукариот. К настоящему времени последовательности 165 и 185 рРНК изучены более чем у 200 организмов, принадлежащих к разным царствам живой природы, что привело к неожиданным результатам: на основании сравнительного анализа нуклеотидных последовательностей этих рРНК были выявлены не две группы организмов, различающихся прокариот-ным и эукариотным типом клеточной организации, а три группы. Одну образуют все эукариоты: высшие растения, животные, дрожжи, водоросли и т. п. B эту группу не вошли органеллы эукариот (митохондрии, хлоропласты). Таким образом, первая группа представлена ядерно-ци-топлазматическим компонентом эукариотных клеток. Ко второй группе, получившей название истинных бактерий, или эубактерий, относится подавляющее большинство прокариот. Сюда же попали на основании степени гомологии 165 рРНК митохондрии и хлоропласты эукариотных клеток. Наконец, в третью группу вошли некоторые малоизученные прокариоты, обитающие в экстремальных условиях: метанобразующие бактерии, экстремальные галофилы и термоацидофилы. Эта группа организмов получила название архебактерий.
