Tom 51, 2002
Numer 3 (256)
Strony 241 254
MIROSŁAWA WŁODARCZYK
Zakład Genetyki Bakterii
Instytut Mikrobiologii
Uniwersytet Warszawski
Miecznikowa 1, 02-096 Warszawa
[e-mail]
RÓŻNORODNOR
Ć CECH FENOTYPOWYCH BAKTERII KODOWANYCH PRZEZ
PLAZMIDY
W zależnoS
ci od wielkoS
ci cząsteczki, pla- mosom. Przypominam, że od modelowej zasa-
zmidy niosą geny kodujące od kilku do kilkuset dy, iż jedna komórka bakteryjna zawiera jeden
różnych białek. Jednakże, jak już wspomniałam chromosom są wyjątki; przykładem mogą być
w poprzednim artykule, produkty genów o pla- niektóre gatunki Rhizobium i Paracoccus.
zmidowej lokalizacji nie są niezbędne do wzro- Geny o lokalizacji plazmidowej dają bakteriom
stu komórki w standardowych (normalnych) selekcyjną przewagę w pewnych specjalnych
warunkach. Na plazmidach nie znajdziemy warunkach, często wręcz umożliwiając im
więc genów kodujących polimerazę RNA, pod- przeżycie. Powstaje zatem pytanie, dlaczego
jednostki rybosomów, enzymów cyklu Krebsa geny te nie są po prostu częS
cią chromosomu,
itp. W rzadkich przypadkach, gdy na plazmi- tak aby wszystkie bakterie w sytuacjach niety-
dzie stwierdzamy obecnoS
ć tego typu genów, powych mogły odnosić korzyS
ć z ich obecno-
lub gdy nie jesteS
my w stanie usunąć replikonu S
ci. Dyskusja tego problemu zostanie podjęta
uznawanego za plazmid z komórki, mamy pod- na końcu artykułu, po przedstawieniu
stawy do podjęcia rozważań czy istotnie mamy przeglądu różnorodnoS
ci funkcji fenotypo-
do czynienia z plazmidem, czy też jest to repli- wych kodowanych przez geny plazmidowe.
kon niezbędny do życia komórki, a więc chro-
TYPY GENÓW OBECNYCH NA PLAZMIDACH
WS
ród genów obecnych na plazmidach Ryc. 1 w schematyczny sposób przedstawiono
możemy wyróżnić dwa ich podstawowe typy. złożonoS
ć struktury plazmidu, wyróżniając w
Pierwszy, to geny absolutnie niezbędne dla obrębie jego cząsteczki kilka umownych mo-
funkcjonowania plazmidu jako autonomiczne- dułów strukturalno-funkcjonalnych (THOMAS
go replikonu i obecne w każdym plazmidzie, a 2000).
więc geny i sekwencje (np. oriV), niezbędne Plazmid zawierający tylko  moduł replika-
do replikacji i stabilnego utrzymywania cyjny , będzie spełniał kryteria definicji pla-
cząsteczki plazmidu w komórce. Drugi typ, to zmidu, lecz jego obecnoS
ć nie będzie nadawała
wszystkie pozostałe geny stanowiące  dodat- komórce gospodarza żadnych specjalnych fe-
kowe wyposażenie plazmidu, od których zale- notypowych właS
ciwoS
ci odróżniających ją od
ży różnorodnoS
ć fenotypów kodowanych komórki bezplazmidowej. Będzie to więc pla-
przez plazmidy, lecz które nie są niezbędnym zmid sensu stricto kryptyczny. Zwracam uwa-
elementem składowym każdego plazmidu. Na gę, że mianem plazmidu kryptycznego okreS
la-
242 MIROSŁAWA WŁODARCZYK
Kolejny wyróżniony zespół genów to geny
odpowiedzialne za horyzontalny transfer pla-
zmidów (autotransfer drogą koniugacji lub
Rejon replikacyjny transfer  wspomagany obecnoS
cią innego pla-
zmidu, tzw. mobilizującego). Są one bardzo wa-
Geny
żne dla możliwoS
ci rozprzestrzeniania się pla-
związane
Rejon
zmidów w S
rodowisku, lecz ich brak nie powo-
z transferem
 cichy
duje zaburzeń w funkcjonowaniu plazmidu w
koniugacyjnym
komórce.
Moduł zaznaczony na schemacie jako  se-
Geny związane
Sekwencje
kwencje insercyjne to okreS
lenie umowne; se-
z warunkowanym
insercyjne
kwencje IS nie są oczywiS
cie zgrupowane w
przez plazmid
jednej częS
ci genomu plazmidowego, stanowią
fenotypem
jednak składnik bardzo ważny, odpowiedzial-
ny głównie za wszelkiego rodzaju przegrupo-
wania genów w obrębie cząsteczki plazmidu
oraz ich transfer między różnymi replikonami
Ryc. 1. Typy genów występujące w cząsteczce
w komórce. Często sekwencje IS ograniczają
plazmidowej.
inne zespoły genów (np. opornoS
ciowych)
Rejon replikacyjny to moduł absolutnie niezbędny w
tworząc duże, złożone elementy mobilne,
plazmidzie, pozostałe grupy genów mogą lecz nie
transpozony. O istotnym znaczeniu sekwencji
muszą być obecne.
insercyjnych w funkcjonowaniu i ewolucji pla-
zmidów S
wiadczyć może ich stosunkowo duża
my też zwyczajowo plazmid zidentyfikowany
(w porównaniu do chromosomów) zawartoS
ć
poprzez wykrycie w komórce fizycznej obec-
w plazmidach (MAHILLON i współaut. 1999).
noS
ci DNA plazmidowego, lecz którego obec-
Na schemacie największy obszar zajmuje
noS
ci nie kojarzymy (na tym etapie analizy) z
moduł grupujący geny związane z różnymi ce-
okreS
loną cechą fenotypową komórki gospo-
chami fenotypowmi gospodarza, zwykle meta-
darza. Geny warunkujące replikację cząsteczki
boliczno-fizjologicznymi, wynikającymi z
plazmidu są zazwyczaj skupione na jednym
obecnoS
ci plazmidu. W konkretnych plazmi-
fragmencie DNA plazmidowego, który w du-
dach takich genów może być różna liczba, a
żych plazmidach stanowi niewielki procent
wielkoS
ć obszaru tego modułu ma raczej obra-
całego genomu. Identyfikacja takiego fragmen-
zować ogólny ogromny zakres różnorodnoS
ci
tu i wyposażenie go w marker selekcyjny po-
tych cech. W każdym plazmidzie występuje
zwala na konstrukcję pochodnej plazmidu za-
pewna frakcja sekwencji DNA, których funkcji
wierającej tylko moduł replikacyjny. Taki mini-
nie znamy, pozostaje to prawdziwe nawet w
malny replikon jest niezwykle przydatny w mo-
odniesieniu do plazmidów o kompletnie po-
lekularnej analizie systemu replikacyjnego pla-
znanej sekwencji nukleotydowej. Ten obszar
zmidu macierzystego.
oznaczono jako rejon  cichy (ang. silent).
CECHY FENOTYPOWE BAKTERII DETERMINOWANE PRZEZ GENY PLAZMIDOWE
Cech takich jest niezwykle dużo, dlatego bezpoS
rednio  dotykająca człowieka, była od
też dla zwiększenia przejrzystoS
ci opisu w Ta- dawna i wciąż jest przedmiotem bardzo inten-
beli 1 zgrupowano je w kilka powszechnie wy- sywnych badań naukowców na całym S
wiecie.
różnianych typów, aby następnie, na wybra- Cecha lekoopornoS
ci jest też fenotypem bakte-
nych przykładach omówić niektóre z nich bar- rii najpowszechniej kojarzonym z obecnoS
cią
dziej szczegółowo. w nich plazmidów z grupy tzw. opornoS
cio-
wych (plazmidy R), chociaż należy pamiętać,
że geny warunkujące opornoS
ć bakterii na an-
OPORNOR
Ć NA ANTYBIOTYKI I
tybiotyki mogą być też zlokalizowane w chro-
CHEMIOTERAPEUTYKI
mosomie komórki. Jednak opornoS
ć kodowa-
Cecha opornoS
ci bakterii, zwłaszcza choro- na plazmidowo istotnie jest przedmiotem
szczególnego zainteresowania, co wynika z kil-
botwórczych, na antybiotyki jako najbardziej
RóżnorodnoS
ć cech fenotypowych bakterii kodowanych przez plazmidy 243
Tabela 1. Przykłady fenotypów zależnych od obecnoS
ci plazmidów
Fenotyp Plazmid Naturalny gospodarz
OpornoS
ć na antybiotyki i inne leki
Tetracyklina RP4 Pseudomosnas aeruginosa
NR1 Shigella flexneri
Streptomycyna R6K Proteus rettgeri
Chloramfenikol R938 Serratia marcescens
Penicylina R6K Proteus rettgeri
Erytromycyna pIP1527 Escherichia coli
Sulfamidy pSa Shigella sp.
OpornoS
ć na jony metali ciężkich
Rtęć NR1(Tn21) Shigella flexneri
pI258 Staphylococcus aureus
Kadm, cynk, kobalt pMOL30 Ralstonia eutropha
Mied� pRJ1004 Pseudomonas syringae
Arsen R773 Escherichia coli
Produkcja antybiotyków i bakteriocyn
Metylenomycyna pSCP1 Streptomyces coelicolor
Kolicyna E1 ColE1 Escherichia coli
Kloacyna DF13 CloDF13 Enterobacter cloaceae
Megacyna BII pSE203 Bacillus megaterium
Katabolizm toksycznych związków
Toluen TOL (pWWO) Pseudomonas putida
(inne przykłady  patrz Tabela 2)
PatogennoS
ć bakterii
Produkcja hemolizyny pJH1 Streptococcus faecalis
Czynnik wirulencji pX01 Bacillus anthracis
Antygen kolonizacyjny pK88 Escherichia coli
Adhezyna YadA pYV Yersisnia spp.
Wirulencja pMYSG6000 Shigella flexneri 2a
Interakcje z roS
linami
Rakowate guzy roS
lin pTi Agrobacterium tumefaciens
KędzierzawoS
ć korzeni pRi Agrobacterium rhizogenes
Tworzenie brodawek korzeniowych pPN1 Rhizobium leguminosarum
Wiązanie azotu pIJ1007 Rhizobium leguminosarum
ZdolnoS
ć do koniugacji
F Escherichia coli
RK2 Klebsiella aerogenes
NR1 Shigella flexneri
pAD1 Enterococcus fecalis
pSCP1 Streptomyces coelicolor
Inne właS
ciwoS
ci
Tworzenie pęcherzyków gazowych pHH1 Halobacterium sp.
Pigmentacja pPL376 Erwinia herbicola
Fermentacja laktozy pLM3601 Streptococus cremoris
Wykorzystywanie sacharozy CTnscr94 Salmonella senftenberg
ku powodów. Po pierwsze, bardzo często pla- S
nie, co a priori stwarza utrudnienie w terapii,
zmidy niosą genetyczne determinanty oporno- po drugie, w naturalnych plazmidach oporno-
S
ci na więcej niż jeden antybiotyk równocze- S
ciowych genetyczne determinanty opornoS
ci
244 MIROSŁAWA WŁODARCZYK
na antybiotyki są często częS
cią składową ru- genów te pochodzą od mikroorganizmów pro-
chomych elementów genetycznych, transpo- dukujących antybiotyki, u których stanowią
zonów. Ponadto plazmidy opornoS
ciowe są one naturalne zabezpieczenie przed zabój-
zwykle zdolne do koniugacyjnego transferu czym działaniem własnego metabolitu.
swego DNA. Wszystkie te cechy sprzyjają nie-
bezpiecznemu rozprzestrzenianiu się cechy
OPORNOR
Ć NA JONY METALI CIĘŻKICH
opornoS
ci na antybiotyki w S
rodowisku (także
szpitalnym!).
Ponieważ problemowi plazmidowo kodo- ObecnoS
ć w S
rodowisku kationów metali
wanej opornoS
ci na antybiotyki poS
więcony ciężkich (rtęci, niklu, ołowiu, kadmu, bizmutu,
jest oddzielny artykuł (patrz art. J. PORTYKUS w antymonu czy srebra) oraz niektórych anio-
tym zeszycie KOSMOSU), w tym miejscu po- nów (arsenianów, boranów, chromianów) nie
przestanę na podkreS
leniu kilku ważnych ogól- jest rzadka w okolicach uprzemysłowionych.
nych aspektów tego zagadnienia. Najogólniej Są to związki wysoce toksyczne dla wszystkich
mówiąc antybiotyki można podzielić na kilka organizmów żywych, także dla większoS
ci bak-
kategorii w zależnoS
ci od mechanizmu ich terii. Jednak z gleb i wód zanieczyszczonych
działania: takie które (i) oddziałują na syntezę tymi związkami izolowane są bakterie oporne
S
ciany komórkowej bakterii ( -laktamy), (ii) na ich działanie, a najczęS
ciej opornoS
ć ta wa-
naruszające integralnoS
ć błony cytoplazma- runkowana jest obecnoS
cią plazmidów. W wie-
tycznej (polimyksyna), (iii) hamujące metabo- lu przypadkach mechanizmy opornoS
ci na
lizm kwasów nukleinowych (kwas nalidykso- jony metali ciężkich zostały poznane bardzo
wy, aktynomycyna D) lub (iv) hamujące synte- dokładnie. Szczególnie ciekawy jest system ge-
zę białek (chloramfenikol, streptomycyna). netyczny warunkujący opornoS
ć bakterii na
Bakterie wykształciły szlaki opornoS
ci tak róż- jony Hg2+ oraz organiczne związki rtęci. Enzy-
norodne, że potrafią one zapobiec skuteczne- my uczestniczące w detoksyfikacji tych
mu działaniu każdego z wymienionych mecha- związków tworzą tzw. operon mer i są najczę-
nizmów. OpornoS
ć na antybiotyk wynikać S
ciej zlokalizowane na transpozonach (najle-
może na przykład z: (i) detoksyfikacji lub inak- piej poznane to Tn501 z Pseudomonas aerugi-
tywacji antybiotyku, (ii) zmniejszenia poziomu nosa i Tn21 z plazmidu NR1 Shigella flexneri).
pobierania antybiotyku lub jego aktywne usu- Najistotniejszą cechą mechanizmu opornoS
ci
wanie z komórki, (iii) nadprodukcji komórko- bakterii na jony rtęci jest wytworzenie wysoce
wego celu działania antybiotyku (tzw. tarczy), specyficznego systemu transportu związków
lub z jej modyfikacji, (iv) wytworzenia zastęp- rtęci do wnętrza komórki, gdzie są one, z
czego wobec zahamowanego przez antybiotyk udziałem reduktazy rtęcianowej, prze-
kompletnego szlaku metabolicznego lub tylko kształcane w mniej toksyczną i lotną formę
jego zablokowanego etapu, czyli tzw. mecha- Hg0. W przypadku organicznych związków rtę-
nizm  bypass . Tylko niektóre z dróg zyskiwa- ci, system wyposażony jest w dodatkowy en-
nia opornoS
ci na antybiotyk mogą wynikać z zym, liazę, uwalniający rtęć w formie jonowej
pojedynczej mutacji istniejącego w komórce przed jej redukcją do formy Hg0 (MISRA 1992).
genu. W większoS
ci przypadków wymagane Genetyczna organizacja operonu mer pokaza-
jest uzyskanie nowego genu (lub kilku genów), na jest na Ryc. 2.
merA
merR OP merT merP merD
Ryc.2. Genetyczna organizacja operonu mer (Tn501) warunkującego opornoS
ć na jony rtęci.
2+
Geny merT i merA odpowiadają za transport jonów Hg do wnętrza komórki, gen merA koduje reduktazę rtęcia-
nową, a geny merR i merD pełnią funkcje regulacyjne, OP  to rejon operatora i promotora.
co, podobnie jak w sytuacji pojawiania się wie- Na całkowicie innych zasadach opiera się
lorakiej opornoS
ci jest najczęS
ciej związane z mechanizm opornoS
ci na Ca2+, Co2+ i Zn2+
wprowadzeniem do komórki plazmidu opor- (NIES 1992). W tym przypadku, obecne w S
ro-
noS
ciowego. OczywiS
cie nie wyjaS
nia to  pier- dowisku toksyczne jony wnikają do wnętrza
wotnego x
ródła genów determinujących komórki niespecyficznie lub przez systemy
opornoS
ci niesionych przez plazmid. Aktual- transportujące jony Mg2+. Jeżeli w komórce
nie powszechnie akceptowana jest hipoteza, iż obecny jest jeden z plazmidów kodujących
RóżnorodnoS
ć cech fenotypowych bakterii kodowanych przez plazmidy 245
tzw. system CZC, to jony które wniknęły do ko- kontrolą genetyczną genów zlokalizowanych
mórki ulegają specyficznemu transportowi na na plazmidach, które jednoczeS
nie niosą gene-
zewnątrz. Jednym z najdokładniej scharaktery- tyczne determinanty opornoS
ci (ang. immuni-
zowanych plazmidów odpowiedzialnych za ty) producenta na działanie obecnej w S
rodo-
opornoS
ć bakterii na jony kadmu, kobaltu i wisku bakteriocyny (BAREFOOT i współaut.
cynku jest bardzo duży (238 kb) plazmid 1992, JOERGER i współaut. 2000). Pod wzglę-
pMOL30 zidentyfikowany w Ralstonia eu- dem chemicznym bakteriocyny to substancje
tropha (MERGEAY i współaut. 1985). Rycina 3 białkowe o masie 20 90 kDa, chociaż znane są
ilustruje zasadę opornoS
ci tej bakterii na jony też tzw. mikrocyny o masie <1 kDa. Mechanizm
kadmu, cynku i kobaltu warunkowaną obecno- działania bakteriocyn na komórki obejmuje za-
S
cią plazmidu pMOL30. burzenia struktury i funkcji membran, tzw. de-
polaryzację (np. kolicyna E1), uszkodzenia
+ +
2+
DNA (np. kolicyna E2 działająca jako niespecy-
Co2 Zn2 Cd
ficzna endonukleza), lub hamowanie syntezy
2+
białek poprzez inaktywację rybosomowego
Mg
RNA (kolicyna E3 i kloacyna DF13). Bakterio-
cyny, jako substancje antybakteryjne o bardzo
wąskim (w odróżnieniu od  prawdziwych an-
2+
tybiotyków) spektrum działania, nie znalazły
Mg
plazmid
szerszego zastosowania praktycznego. Zasad-
pMOL30
+ +
2+
niczo jedynie produkowana przez Lactococcus
Co2 Zn2 Cd
lactis nizyna (która jest jednak kodowana
przez geny chromosomowe) znalazła prawnie
CzcD
usankcjonowanie zastosowanie jako konser-
CzcABC
want żywnoS
ci. Próby stosowania bakteriocyn
w medycynie weterynarii są wciąż w stadium
+ +
2+
niezbyt zaawansowanym.
Co2 Zn2 Cd
Systemy genetyczne determinujące pro-
Ryc. 3. System opornoS
ci Ralstonia eutropha na
dukcję bakteriocyn (np. kolicyny E1 kodowa-
kobalt, cynk i kadm warunkowanej przez
nej przez plazmid ColE1 czy kloacyny kodowa-
pMOL30. Zasady funkcjonowania  w tekS
cie.
nej przez plazmid CloDF13) są jednak niezwy-
kle ciekawe w swojej organizacji i regulacji i
choćby z tego powodu wzbudzają duże zainte-
Czytelników zainteresowanych problema-
resowanie badaczy (LURIA i SUIT 1992). Zespół
mi plazmidowo kodowanej opornoS
ci na sole
genów stanowiących  kasetę kolicynową pla-
metali ciężkich odsyłam do poS
więconego
zmidu ColE1 przedstawiony jest na Ryc. 4. Cie-
temu tematowi całego numeru specjalistyczne-
kawą cechą systemu jest to, że wytwarzanie ko-
go czasopisma  Plasmid 1/1992 oraz do arty-
licyny jest zabójcze dla producenta, gdyż uwol-
kułów przeglądowych (SILVER i MISRA 1988,
nienie produktu genu cea do S
rodowiska
SILVER 1996, SILVER i PHUNG 1996).
związane jest z lizą komórki przy udziale pro-
duktu genu kil. Jednak cały ten zlokalizowany
na plazmidzie system jest w stanie represji wy-
PRODUKCJA BAKTERIOCYN
nikającej z zablokowania głównego promotora
ZdolnoS
ć pewnych bakterii do produkcji (Pcol) przez komórkowe białko LexA, i prak-
antybakteryjnych czynników zdolnych do zabi- tycznie w populacji nie więcej niż 10-3 komó-
jania jedynie szczepów blisko spokrewnio- rek na generację produkuje aktywnie kolicynę
nych, lecz niezdolnych do produkcji tychże i w wyniku  samobójczego aktu wydziela ją do
czynników opisana została już w 1925 r. przez S
rodowiska. Komórki nie produkujące aktual-
belgijskiego mikrobiologa Andre Gratia jako nie kolicyny, lecz niosące plazmid ColE1, są
tzw.  principle V (ang. virulence, gdyż produ- chronione przed działaniem egzogennej koli-
cent tego czynnika był jednoczeS
nie wirulent- cyny dzięki funkcji produktu genu imm, (ule-
ny w stosunku do S
wiń). Czynniki te okreS
lane gającemu ekspresji także z własnego promoto-
obecnie ogólnie mianem bakteriocyn (lub koli- ra, patrz Ryc. 4), natomiast eliminacji ze S
rodo-
cyn, jeżeli producentami są szczepy Escheri- wiska ulegają pokrewne bakterie bezplazmido-
chia coli) syntetyzowane są najczęS
ciej pod we. Wszelkie sytuacje powodujące zniszczenie
246 MIROSŁAWA WŁODARCZYK
represora (białka LexA), a więc indukujące ko- mysłowych związków to substancje toksyczne.
mórkowy system SOS uruchamiają jednocze- Z bakterii żyjących w zanieczyszczonych gle-
S
nie lawinową produkcję kolicyny przez całą bach, wodach i osadach dennych izolowano
populację niosących plazmid bakterii. Biolo- plazmidy niosące geny kodujące szlaki metabo-
giczny sens zjawiska bakteriocynogenii rozwa- liczne odpowiedzialne za degradację zarówno
żany jest głównie w aspekcie roli tego zjawiska prostych związków organicznych, jak np. alifa-
w S
rodowisku, w którym bakterie dysponujące tyczne (oktan), jednopierS
cieniowe aroma-
takim  egzotycznym mechanizmem zyskują tyczne (fenol, toluen) węglowodory, związki
przewagę selekcyjną nad współistniejącymi aromatyczne wielopierS
cieniowe (naftalen, bi-
bakteriami bezplazmidowymi (RILEY i GOR- fenyl) i heterocykliczne (nikotyna) jak również
DON 1999). licznych, bardzo toksycznych ich chloropo-
Pcol
cea kil
imm
Pimm
Ryc. 4. Schemat  kasety kolicynowej plazmidu ColE1.
Gen cea  koduje białko kolicyny ColE1, imm  białko  immunity , kil  białko lityczne, uwalniające kolicynę z
komórki. Pcol  indukcyjny promotor całego systemu, Pimm  niezależny promotor genu imm.
Zjawisko bakteriocynogenii jest doS
ć po- chodnych (WALLACE i SAYLER 1992, TOP i
wszechne wS
ród różnych grup bakterii i wwię- współaut. 2000, HAY i współaut. 2000). Plazmi-
kszoS
ci przypadków jest związane z obecno- dy takie okreS
lamy ogólną nazwą plazmidów
S
cią plazmidów. Najlepiej poznane są plazmidy degradacyjnych lub katabolicznych, a
warunkujące syntezę kolicyn. Wyróżniamy wS
- przykłady degradowanych z ich udziałem
ród nich dwie grupy; małe plazmidy niekoniu- związków przedstawione są w Tabeli 2.
gacyjne (ColE1, CloDF13) oraz duże plazmidy Szlaki kataboliczne prowadzące do prze-
koniugacyjne, które często determinują pro- kształcenia toksycznych substancji w metaboli-
dukcję więcej niż jednej kolicyny, a także niosą ty poS
rednie, które mogą być następnie wpro-
geny opornoS
ci na antybiotyki oraz geny wiru- wadzone do tzw. metabolizmu podstawowego
lencji (ColIb, ColIa, ColV). są zwykle doS
ć skomplikowane i może w nich
Co ciekawe, najpopularniejszy plazmid ko- uczestniczyć nawet kilkanaS
cie enzymów ko-
licynogenny, opisany wyżej ColE1, swą  sławę dowanych przez geny o plazmidowej lokaliza-
zawdzięcza nie tyle zjawisku kolicynogenii, ile cji. Ogólne wyobrażenie o roli plazmidów de-
możliwoS
ci prostego dostosowania jego gradacyjnych w katabolizmie toksycznych
cząsteczki do roli wektora do klonowania ge- związków organicznych daje schemat na
nów. System replikacyjny typu ColE1 obecny Ryc. 5. Widać tu jednoczeS
nie, że w wielu przy-
jest w wielu wektorach, zarówno ogólnego padkach ważnym metabolitem poS
rednim jest
(np. pBR322), jak i specjalistycznego (pUC18 , katechol, który dalszym przemianom może ule-
pBluScript, pTZ19U itp.) zastosowania. gać w dwojaki sposób: według szlaku meta-
kodowanego przez geny plazmidowe lub orto-
kodowanego przez geny chromosomowe. Jed-
nym z najlepiej scharakteryzowanych szlaków
BIODEGRADACJA TOKSYCZNYCH ZWIĄZKÓW
degradacji fenolu jest plazmidowo kodowany
ORGANICZNYCH (PLAZMIDY KATABOLICZNE)
system obecny w Pseudomonas sp.CF600. Na
Ogólnie znana jest nieograniczona wręcz
plazmidzie pVI150 obecnym w tym szczepie zi-
rola bakterii w procesach biodegradacji gro-
dentyfikowano 16 genów zorganizowanych w
madzącej się w S
rodowisku materii organicz-
jeden operon dmp, poznano produkty tych ge-
nej w wyniku wykorzystywania tychże
nów, ich funkcje i sposób regulacji (PAW-
związków jako x
ródeł węgla i energii. Jednak
LOWSKI i SHINGLER 1994).
wiele naturalnych lub syntetyzowanych w pro-
Należałoby wspomnieć, że pierwszym zi-
wadzonych przez człowieka procesach prze-
dentyfikowanym w 1974 r. plazmidem degra-
RóżnorodnoS
ć cech fenotypowych bakterii kodowanych przez plazmidy 247
Tabela 2. Przykłady toksycznych związków (naturalnych i syntetycznych) degradowanych pod kon-
trolą genów plazmidowych
Nazwa degradowanego związku Plazmid Szczep bakterii
Oktan, dekan OCT Pseudomonas oleovorans PpG6
Niecykliczne izoprenoidy pSRQ50 Pseudomonas putida PPU2
Salicylan SAL1 Pseudomonas putida R1
Benzen pWW174 Acinetobacter calcoaceticus
Anilina pCIT1 Pseudomonas sp. CIT1
Styren pEG Pseudomonas putida ST
Bifenyl pWW100 Pseudomonas sp. CB406
Nikotyna NIC Pseudomonas convexa Pcl
Dibenzotiofen pDBT2
Pseudomonas alcaligenes DBT2
Chlorobenzen pP51
Pseudomonas sp. P51
Kwas 3-chlorobenzoesowy (3CBA) pBR60
Alcaligenes sp. BR60
Kwas para-toluenosulfonowy pTSA
Comamons testosteroni T-2
Polichlorobifenyle (PCBs) pSS60
Achromobacterium sp.
pKF1
Arthrobacter sp.
Oligomer nylonu pOAD2
Flavobacterium sp.
Paration pCS1
Pseudomonas diminuta
Kwas dichlorofenoksyoctowy (2,4-D) pJP4
Ralstonia eutropha
dacyjnym był plazmid TOL (117 kb) z Pseudo- rozprzestrzenianie się w S
rodowisku nawet je-
monas putida, któremu następnie nadano żeli plazmid będący pierwotnym noS
nikiem
symbol pWWO i stał się on prototypem dużej transpozonu nie może replikować się w no-
grupy plazmidów  TOL odpowiedzialnych za wym gospodarzu (TAN 1999). Przykłady trans-
degradację toluenu i jego pochodnych. Pierw- pozonów katabolicznych to Tn4651 (z
sza częS
ć szlaku katabolizmu toluenu (tzw. gór- pWWO), Tn4655 (z plazmidu NAH7), Tn5280
ny operon), prowadząca do przemiany tolu- (z pP51  degradacja chlorokatecholu),
enu do katecholu, jest przedstawiona na Tn4371 (obecny w wielu plazmidach IncP1).
Plazmidy kataboliczne są niezmiernie wa-
żne z praktycznego punktu widzenia. Znajdują
toluen
one szerokie zastosowanie w procesach biore-
naftalen
kamfora p-krezol
mediacji. Wiele z nich posłużyło do konstruk-
benzen salicylan cji chronionych patentami systemów wyko-
rzystywanych w profesjonalnych urządze-
katechol
niach usuwających zanieczyszczenia ze S
cie-
szlaki zależne
ków, gleby wokół zakładów przemysłowych i
od genów plazmidowych
innych skażonych miejsc.
szlaki zależne
od genów chromosomowych
METABOLIZM PODSTAWOWY
CECHY ZWIĄZANE Z PATOGENNOR
CIĄ BAKTERII
WOBEC CZŁOWIEKA I ZWIERZĄT
Ryc. 5. Schematyczne przedstawienie roli pla-
Genetyczna determinacja zjawiska pato-
zmidów katabolicznych w szlakach degradacji
gennoS
ci bakterii (czyli ich zdolnoS
ci do
związków toksycznych.
wywoływania chorób) to problem bardzo
złożony. Wiele spoS
ród czynników odpowie-
dzialnych za patogennoS
ć bakterii, czyli tzw.
Ryc. 6. Geny kodujące enzymy szlaków degra-
czynników wirulencji, jest kodowanych przez
dacyjnych zgrupowane w operony są często
geny umiejscowione na plazmidach. Należy
zlokalizowane na transpozonach, co pozwala
jednak zdać sobie sprawę, ze czynników które
na ich efektywny transfer między obecnymi w
możemy uważać za związane z chorobotwór-
komórce replikonami, a także na horyzontalne
248 MIROSŁAWA WŁODARCZYK
CH
3
Dla zilustrowania roli plazmidów w proce-
sach patogenezy bardzo spektakularne (aczkol-
TOLUEN
wiek dobrane zupełnie arbitralnie) są zjawiska
1
związane z  wirulencyjnymi plazmidami po-
CH OH
2
pularnych enteropatogenów takich jak Salmo-
nella i Shigella, a także rola plazmidów w  uzja-
ALKOHOL
BENZYLOWY dliwianiu się szczepów nieszkodliwego ko-
2
mensala, mieszkańca naszego jelita, czyli
CHO
pałeczki okrężnicy, E. coli (BAHRANI- MOUGEOT
i DONNENBERG 2000).
ALDEHYD
BENZYLOWY
Na przykładzie chorobotwórczych szcze-
3
pów Salmonella i Shigella możemy przeS
ledzić
COOH
też bardzo ciekawe zjawisko współdziałania
genów chromosomowych i plazmidowych w
BENZOESAN
warunkowaniu zdolnoS
ci bakterii do
4
wywołania kompletnego procesu chorobowe-
HOOC OH
go. Bakterie z rodzaju Salmonella są jedną z
OH
1-2 DIHYDROKSY-
najczęstszych przyczyn zakażeń pokarmowych
CYKLOHEKSADIENO
KARBOKSYLAN
(dur brzuszny, dur rzekomy) przejawiających
5
się jako zapalenia jelita cienkiego lub grubego,
OH
ale także są odpowiedzialne za znacznie gro-
OH
KATECHOL
x
niejsze tzw. infekcje systemowe u ludzi i
zwierząt. Wiele genów związanych z wirulen-
szlak meta- szlak orto-
cją, zwłaszcza tych wymaganych do adhezji i in-
(plazmidowy) (chromosomowy)
wazji komórek nabłonka, ale także odpowie-
dzialnych za opornoS
ć na fagocytozę odnale-
aldehyd octowy acetylokoenzym A
ziono w tzw. wyspach patogennoS
ci (SPI) w
+ +
chromosomie (MARCUS i współaut. 2000). Jed-
pirogronian bursztynian
nak powszechna jest także obecnoS
ć w róż-
Ryc. 6. Szlak degradacyjny toluenu determinowa-
nych serowarach Salmonella tzw.  plazmidów
ny przez geny zlokalizowany na plazmidzie
wirulencji (ROTGER i CASADESUS 1999). Są to
pWWO.
plazmidy heterogenne, zazwyczaj duże (50 
Enzymy przeprowadzające kolejne reakcje: (1) mono-
ponad 200 kb), lecz wiele z nich zawiera kon-
ksygenaza ksylenowa, (2) dehydrogenaza alkoholu
serwanty ( 8 kb) region, w którym zlokalizo-
benzylowego, (3) dehydrogenaza aldehydu benzylo-
wany jest operon spv, którego produkty wyma-
wego, (4) oksygenaza toluenianowa, (5) dehydroge-
naza dwuhydroksycykleheksadienokarboksylenowa. gane są do kolonizacji głębiej położonych tka-
nek. Potwierdza to fakt, że szczepy bezplazmi-
dowe wywołują objawy zapalne jelita, lecz nie
czoS
cią jest wiele. Jednym z omawianych już są zdolne do infekcji systemowej. Kilka spo-
czynników jest chociażby cecha opornoS
ci S
ród plazmidów wirulencji Salmonella (np.
bakterii na antybiotyki. OczywiS
cie brak tej ce- pSLT, 94 kb plazmid z S. typhimurium LT2 oraz
chy nie zmienia zdolnoS
ci patogenu do plazmidy pHCM1 i pHCM2 z S. enterica CT18)
wywołania choroby, ale jej występowanie zostało kompletnie zsekwencjonowanych, a
stwarza ogromne problemy w terapii. WS
ród ponieważ od niedawna znana jest także kom-
czynników bezpoS
rednio zaangażowanych w pletna sekwencja nukleotydowa chromoso-
proces wywoływania choroby, kodowanych mów szczepów LT2 i CT18 należy spodziewać
przez geny plazmidowe, możemy wyróżnić się znacznego postępu w zrozumieniu moleku-
zdolnoS
ć do adhezji do powierzchni odpo- larnych mechanizmów wirulencji tego patoge-
wiednich komórek atakowanej tkanki i ewen- na, w tym także roli genów plazmidowych w
tualnej penetracji do wnętrza komórki, roz- tym zjawisku.
przestrzenianie się między komórkami (czyli Także większoS
ć genów wirulencji odpo-
inwazyjnoS
ć patogena), zdolnoS
ć do produkcji wiedzialnych za chorobotwórczoS
ć Shigella
różnego typu toksyn, opornoS
ć na antybakte- spp. głównego czynnika etiologicznego bakte-
ryjne czynniki obecne w surowicy (ang. serum ryjnych dezynterii, zlokalizowanych jest na du-
resistance) itp. żych, 220 kb plazmidach obecnych we
RóżnorodnoS
ć cech fenotypowych bakterii kodowanych przez plazmidy 249
wszystkich chorobotwórczych szczepach Shi- Przedstawione przykłady nie wyczerpują
gella oraz enteroinwazyjnych szczepach tematu  moim celem było jedynie zasygnalizo-
E. coli. W 2001 r. poznano kompletną sekwen- wanie roli plazmidów w tak ważnym i bezpo-
cję nukleotydową jednego z plazmidów wiru- S
rednio dotykającym człowieka temacie jakim
lencji Shigella (pWR501 z S. flexneri, VENKA- jest genetyczna determinacja procesów pato-
TESAN i współaut. 2001); okazało się, że geny genezy. Przykłady innych plazmidowo-kodo-
związane z wirulencją stanowią aż 35% jego ge- wanych cech odgrywających rolę w zdolnoS
ci
nomu. Geny te zgrupowane są w funkcjonalne bakterii do wywoływania procesu chorobowe-
zespoły. Na przykład na 30 kb fragmencie go zamieszczono w Tabeli 1.
DNA plazmidowego zlokalizowane są geny ipa
(ang. invasion plasmid antigens) kodujące
INTERAKCJE BAKTERII Z KOMÓRKAMI
białka niezbędne do adhezji (IpaD) i inwazji
ROR
LINNYMI
(Ipa A,B,C), oraz geny mxi (10 loci) i spa  ge-
netyczne determinanty specyficznego systemu Niewątpliwie najlepszym modelowym
sekrecyjnego tych białek. Na innym fragmen- układem do zaprezentowania tematu zawarte-
cie plazmidu zgrupowane są geny warun- go w tytule rozdziału jest analiza roli dużych
kujące międzykomórkowe rozsiewanie się (>200 kb) plazmidów Ti oraz Ri w genetycz-
bakterii (icsA i icsB). Natomiast wiele genów nym uwarunkowaniu procesu powstawania
regulacyjnych całego systemu mieS
ci się w rakowatych naroS
li (ang. crown gall tumors)
chromosomie. Również chromosomową loka- lub włosowatoS
ci/kędzierzowatoS
ci korzeni
lizację mają geny kodujące letalną cytotoksynę (ang. hairy roots) w wyniku infekcji roS
liny
produkowaną tylko przez S. dysenteriae (tzw. (najczęS
ciej dwuliS
ciennej) przez szczepy
Shiga toxin) odpowiedzialną za wywoływanie Agrobacterium tumefaciens lub A. rhizogenes.
najcięższego przejawu shigellozy, tzw. zespołu Jest to system bardzo złożony, wymagający
HUS (ang. hemolytic uremic syndrome), pro- współdziałania wielu genów chromosomo-
wadzącego do trwałego uszkodzenia nerek wych i plazmidowych bakterii, lecz jego efekt
oraz poważnych symptomów neurologicz- biologiczny jest unikatowy  częS
ć genomu
nych. Nieplazmidowa lokalizacja genów ko- plazmidowego, fragment okreS
lany jako
dujących tę toksynę jest dla człowieka  korzyst- T-DNA, zostaje wprowadzony w procesie spe-
na , obniża bowiem prawdopodobieństwo cyficznego rodzaju koniugacji, warunkowane-
przenoszenia się tego niebezpiecznego fenoty- go przez zespół plazmidowych genów vir do
pu do szczepów innych enteropatogenów. komórki roS
linnej, aby następnie wniknąć do
Wiele zjadliwych, tzw. enteropatogennych jej jądra komórkowego i trwale wbudować się
(EPEC) szczepów E. coli, wywołuje objawy po- do chromosomowego DNA. Konsekwencją tej
dobne do zakażeń Shigella spp.; w nich stwier- integracji jest indukcja niekontrolowanych po-
dzono obecnoS
ć plazmidów (podobnych do działów komórek prowadzących do utworze-
wirulencyjnych plazmidów Shigella) odpowie- nia rakowatego guza u nasady łodygi roS
liny
dzialnych za niektóre objawy chorobowe, inne (Ti plazmid), ale także do syntezy specyficz-
wynikają z  pojawienia się w chromosomie nych substancji (typu opin lub nopalin) stano-
wysp patogennoS
ci. wiących unikatowe x
ródło substancji odżyw-
Kilka lat temu duże zainteresowanie wzbu- czych dla bakterii niosących plazmid (Ti lub
dzał izolowany w 1982 r. enterohemokrwo- Ri) wyposażony w geny umożliwiające katabo-
toczny (EHEC) szczep E. coli oznaczony sym- lizm tych właS
nie związków.
bolem O157:H7. Produkuje on dwie grox
ne Naszkicowany tutaj krótki zarys procesu
werotoksyny (STX-1 i STX-2), podobne do jest rozbudowany w odrębnym artykule (patrz
wspomnianej wyżej toksyny  Shiga toxin , a za- art. A. ZIEMIENOWICZ w tym zeszycie KOS-
chorować można po spożyciu pokarmu zaka- MOSU), tamże można znalex
ć odsyłacze do in-
żonego bardzo małą dawką bakterii (10 100 nych pozycji literatury z tego tematu. Wspo-
komórek), trudną do wykrycia w czasie rutyno- mniany artykuł przedstawia także drogi mody-
wej kontroli procesu technologicznego (np. fikacji tego naturalnego procesu biologiczne-
produkcji hamburgerów). Dla analizowanego go dla celów konstrukcji systemu przydatnego
tematu ważna jest informacja, że szczep ten w tworzeniu transgenicznych roS
lin.
niesie 93 kb plazmid (pO157) kodujący szereg Innym przykładem udziału genów plazmi-
cech związanych z patogennoS
cią swego go- dowych w procesach oddziaływania pomiędzy
spodarza (BURLAND i współaut. 1998). bakteriami a roS
linami jest zależnoS
ć pomiędzy
250 MIROSŁAWA WŁODARCZYK
INNE WYBRANE WŁAR
CIWOR
CI FENOTYPOWE
zdolnoS
cią roS
lin motylkowych do wiązania
azotu cząsteczkowego z powietrza a ich sym-
biotycznym związkiem z bakteriami z rodziny W tej częS
ci, stosując absolutnie subiektyw-
Rhizobiaceae, które dla uproszczenia okreS
lam ne kryteria, chcę wskazać niektóre kodowane
dalej ogólnym terminem  rizobia (FREIBERG i przez plazmidy fenotypy, które nie zostały za-
współaut. 1997) Plazmidy w rizobiach wystę- kwalifikowane do wyżej wyróżnionych grup, a
pują bardzo powszechnie, a niektóre z nich są według mojej oceny rozszerzają i urozmaicają
bardzo duże, osiągając wielkoS
ć nawet 1700 kb wachlarz kodowanych plazmidowo cech.
(=1,7 Mb), czyli większą niż niektóre bakteryj- I tak na przykład, poza wyżej wymienionymi
ne chromosomy. Nawiasem mówiąc, to w sto- typami opornoS
ci (opornoS
ć na antybiotyki, na
sunku do tych plazmidów zastosowano pier- substancje toksyczne), obecnoS
ć plazmidu R46
wotnie termin megaplazmidy, który następnie w S. typhimurium lub plazmidu pMK101 w E.
rozszerzono na inne plazmidy, też bardzo duże coli powoduje efekt ochronny (a więc zwiększa
lecz nie przekraczające wielkoS
ci 1 Mb (np. wy- opornoS
ć) wobec letalnego skutku działania
mieniany wyżej megaplazmid pMOL30  0,24 promieniowania UV, przy jednoczesnym zwięk-
Mb). Rizobia wykształciły bardzo skompliko- szonym poziomie jego (UV) mutagennoS
ci. Wy-
wane symbiotyczne związki z korzeniami ro- daje się, że obserwowany fenotyp wynika z akty-
S
lin motylkowych, przejawiające się tworze- wacji systemu naprawczego typu  error prone
niem brodawek korzeniowych, w których na-  czyli powodującego błędy podczas naprawy.
stępuje proces enzymatycznej redukcji azotu Podobny efekt w stosunku do P. aeruginosa
cząsteczkowego. Lista genów  symbiotycz- wywołują plazmidy R takie jak: pMG1, R2, R931.
nych zidentyfikowanych w rizobiach liczy po- Także wiele spoS
ród genów odpowiedzialnych
nad 50 pozycji. Wiele spoS
ród genów determi- za niezwykłą w S
wiecie żywym opornoS
ć na
nujących proces symbiozy mieS
ci się na tzw. promieniowanie jonizujące bakterii Deinococ-
plazmidach symbiotycznych (pSym), inne w cus radiodurans mieS
ci się na dużym plazmi-
chromosomie. W różnych gatunkach dystrybu- dzie pMP1 (177 kb).
cja tych genów pomiędzy różne replikony w Niektóre  proste właS
ciwoS
ci metabolicz-
komórce nie jest jednakowa. Główne grupy ge- ne, u pewnych gatunków bakterii są kodowane
nów to: zespół genów odpowiedzialnych za przez geny plazmidowe. Jako przykłady mogą
tworzenie brodawek (nod), ich rozwój (ndv), posłużyć: fermentacja laktozy przez Streptococ-
specyficznoS
ć wobec gospodarza (hsn), tzw. cus cremoris (pML3601), dekarboksylacja lizy-
efektywnoS
ć nodulacji (nfe), za syntezę kom- ny przez Proteus morgani (pGC1070), wyko-
ponentów strukturalnych powierzchni komór- rzystywanie sacharozy przez S. senftenberg
ki takich jak np. egzoopolisacharydy (exo) oraz (CTnscr94), produkcja proteazy przez Strepto-
genów, których produkty związane są bezpo- coccus lactis (pLM3001), a także zdolnoS
ć Ral-
S
rednio z procesem wiązania azotu: nif (gen stonia eutropha do utleniania wodoru
strukturalny nitrogenazy), hem (gen struktu- (pHG1).
ralny leghemoglobiny chroniącej nitrogenazę Plazmidy kodują takie cechy jak: zdolnoS
ć
przed destrukcyjnym działaniem tlenu) i wiele do produkcji antybiotyków (plazmid pSCP1 u
innych. Rizobia zawierają także liczne plazmi- Streptomyces coelicolor), insektocydobójcze-
dy tzw. niesymbiotyczne (MERCADO-BLANCO i go białka (pHD2 u Bacillus thuringiensis), pig-
TORO 1996), które, chociaż nie niosą genów mentację (pPL376 u Erwinia herbicola) oraz
bezpoS
rednio zaangażowanych w proces sym- pęcherzyków gazowych przez halofilnego ar-
biotycznego wiązania azotu odgrywają ważną cheona (pHH1 u Halobacterium sp.). Dalsze
rolę w adaptacji komórek gospodarza do lokal- wyliczanie cech kodowanych przez geny zloka-
nych warunków S
rodowiskowych, chociażby lizowane w genomach plazmidowych wydłu-
dzięki kodowaniu enzymów pozwalających na żałoby te listę czyniąc ją nużącą dla Czytelnika
katabolizm różnych nietypowych związków  a przecież nowe jej pozycje pojawiają się nie-
obecnych w ryzosferze (pRtrW14-2c), jak też ustannie. Na zakończenie tego przeglądu
np. tolerancję niskiego pH (pRtrANU1173b), chciałabym wspomnieć o nowej, opisanej w
podwyższonego stężenia chlorku sodu (pR- 2001 r. właS
ciwoS
ci bakterii E. coli niosących
trW14-2b) itp., co pozwala przetrwać poten- plazmid F. Okazało się, że ten  najstarszy i nie-
cjalnym symbiontom w okresie tzw.  free- mal doskonale scharakteryzowany plazmid
living state (TOP i współaut. 2000). (patrz następny rozdział) poza zdolnoS
cią do
RóżnorodnoS
ć cech fenotypowych bakterii kodowanych przez plazmidy 251
koniugacji warunkuje zdolnoS
ć komórek do w czym kluczową, rolę, niewątpliwie odgry-
tworzenia błon biologicznych (GHIGO 2001), wają pilusy.
ZDOLNOR
Ć BAKTERII DO KONIUGACYJNRGO TRANSFERU DNA
Przenoszenie się plazmidów z komórki do cząsteczki) i niesie ponad 35 genów. WS
ród
komórki, zarówno w S
rodowisku naturalnym, nich wyróżniamy dużą grupę genów warun-
jak i w laboratorium, czyli tzw. transfer hory- kujących syntezę pilusów (tworzenie mate-
zontalny, może następować w wyniku transfor- riału budulcowego  piliny i jej montowanie w
macji, transdukcji i koniugacji. Jednak jedynie ostateczną formę strukturalną) odgrywających
w przypadku koniugacji kluczowe genetyczne rolę w tworzeniu par koniugacyjnych, geny ko-
determinanty takiego procesu zlokalizowane dujące białka stabilizujące pary koniugacyjne
są w obrębie DNA plazmidowego, a plazmidy oraz geny odpowiedzialne za proces koniuga-
niosące takie determinanty nazywamy plazmi- cyjnego metabolizmu DNA. W tej ostatniej gru-
dami koniugacyjnymi. Koniugacyjny transfer pie genów bardzo ważną funkcję pełni gen traI
materiału genetycznego pomiędzy bakteriami kodujący białko o aktywnoS
ci helikazy (enzy-
to zagadnienie bardzo obszerne; doczekało się mu rozwijającego helisę DNA), lecz także ak-
ono bardzo wielu opracowań przeglądowych, tywnoS
ci  nikazy , wprowadzającej specyficz-
do których odsyłam zainteresowanych Czytel- ne nacięcie nici DNA w miejscu oriT (ang. ori-
ników (np. CLEWELL 1993, FIRTH i współaut. gin of transfer), od którego zaczyna się proces
1996, ZATYKA i THOMAS 1998, WŁODARCZYK rozwijania DNA i przekazywania nici o wol-
1998, FROST 2000, ZECHNER i współaut. 2000), nym końcu 5 do komórki biorcy. W obszarze
a w tym miejscu zwracam jedynie uwagę na tym znajdują się także geny regulacyjne całego
niektóre aspekty tego zjawiska. systemu tra. Organizacja genetyczna regionu
Prototypem plazmidu koniugacyjnego bak- tra plazmidu F przedstawiona jest w sposób
terii Gram-ujemnych jest plazmid F Escheri- uproszczony na Ryc. 7. Plazmidów posiada-
chia coli. Struktura genetyczna regionu jących system tra, homologiczny do opisanego
cząsteczki plazmidu F odpowiedzialnego za ko- w plazmidzie F jest wS
ród plazmidów bakterii
niugacyjny transfer jego DNA (tzw. region tra Gram-ujemnuch bardzo wiele, okreS
lamy je
 ang. transfer) została bardzo dokładnie po- zbiorczą nazwą plazmidów  F-like , czyli po-
znana. Region tra plazmidu F obejmuje około dobnych do F (np. NR1, ColV, R6, pSC50, R386
33 kb (co stanowi niemal 30% wielkoS
ci jego oraz kilkadziesiąt innych). Na ogólnie podob-
RepFIC
a)
IS3
Tn1000
100/0
Ryc. 7. Uproszczona mapa
90
10
IS3 genetyczna całego plazmidu
Tra
F (a) oraz jego regionu tra
IS2
80
20
(b).
F
Na mapie zaznaczono lokaliza-
30
70
cję systemów replikacyjnych
plazmidu F (RepF), regionu tra
oriT
40
60
punktu początkowego transfe-
50
ru (oriT) oraz elementów trans-
RepFIB
lokacyjnych IS i TN (a), oraz w
częS
ci (b): 16 genów warun-
RepFIA
kujących syntezę pilusów
b)
płciowych (wysokie szare
słupki), geny koniugacyjnego
ALEKB V C i WUc F H G X
metabolizmu DNA (M-Y-D-I),
R I
M finP J Y P g Ne a Qbjf ST D h finO
d
geny odpowiedzialne za stabili-
zację par i wykluczanie po-
wierzchniowe (N-S-T-G), oraz
geny regulacyjne (J, finO, finP).
Pominięto geny, których funk-
F (kb)
70 80 90 100
cja nie jest w pełni jasna.
oriT
252 MIROSŁAWA WŁODARCZYK
nej zasadzie (kontakt komórek warunkowany Jeszcze inny mechanizm odpowiada za ko-
obecnoS
cią specyficznych struktur powierzch- niugacyjny transfer u promieniowców (Strep-
niowych, pilusów płciowych, syntetyzowa- tomyces sp.). Plazmidy koniugacyjne promie-
nych pod kontrolą genów plazmidowych) niowców mogą być małe (9 kb plazmid
działają systemy koniugacyjne determinowane pIJ101) lub bardzo duże (liniowy plazmid
przez plazmidy z grupy IncP. W odróżnieniu SCP1  350 kb). Wiele spoS
ród tych plazmi-
od bardzo wyspecjalizowanego systemu koniu- dów wykazuje właS
ciwoS
ć CMA (ang. chromo-
gacyjnego warunkowanego przez plazmid F, some mobilizing activity). Genetyczne uwa-
plazmidy koniugacyjne z grupy IncP umożli- runkowanie systemu koniugacyjnego plazmi-
wiają transfer koniugacyjny w obrębie szero- dów Streptomyces nie jest tak dokładnie pozna-
kiego kręgu niespokrewnionych filogenetycz- ne jak systemów wspomnianych wyżej.
nie bakterii (system typu  broad host range ). Zjawisko zależnej od plazmidów koniuga-
Czasem plazmid nie niesie pełnego kompletu cyjnej wymiany materiału genetycznego, które
genów potrzebnych do przeprowadzenia pro- jest możliwe nie tylko między blisko spokrew-
cesu koniugacji, lecz przy  pomocy innego nionymi szczepami (plazmid F), ale także ga-
plazmidu, tzw. mobilizującego, jego DNA może tunkami bakterii odległymi filogenetycznie
być przekazany do komórki biorcy. O takich (systemy obecne na plazmidach z grupy IncP),
plazmidach mówimy, że są one mobilizowalne a nawet między różnymi domenami S
wiata ży-
(Mob+); przykładem plazmidu mobilizowalne- wego (np. bakterie/roS
liny), zwłaszcza, że
go jest znany nam już ColE1. może zachodzić nie tylko w laboratorium, ale i
Na zupełnie innej zasadzie funkcjonuje sys- w S
rodowiskach naturalnych, ma zupełnie nie-
tem koniugacyjny Gram-dodatniej bakterii En- wymierny udział w krążeniu i mieszaniu się
terococcus faecalis. W tym przypadku plazmid puli materiału genetycznego całego S
wiata ży-
koniugacyjny (np. pAD1) jest elementem wego. W tym momencie nie należy zapominać,
składowym mechanizmu  odpowiadającego że plazmidy tzw. koniugacyjne zwykle niosą ta-
na wytwarzane przez szczep biorcy, pod kon- kże geny determinujące opisane powyżej prze-
trolą genów chromosomowych, feromony różne inne właS
ciwoS
ci bakterii, które w akcie
płciowe. Warunkuje on syntezę przez komórkę koniugacji także przekazywane są nowym go-
dawcy substancji agregacyjnej (adhezyny), nie- spodarzom.
zbędnej do utworzenia par lub agregatów ko-
niugacyjnych.
PODSUMOWANIE
Problem pochodzenia plazmidów, dróg i ekologicznej. Plazmidy replikujące się jako au-
mechanizmów ich ewolucji to zagadnienie tonomiczne jednostki, niezależne od chromo-
samo w sobie bardzo ciekawe i złożone i wy- somu nie wpływają w znaczący sposób na tem-
kracza poza przyjęte ramy tego rozdziału. Pyta- po wzrostu populacji bakteryjnej. OczywiS
cie
nie, które nasuwa się jednak niewątpliwie po koniecznoS
ć replikowania dodatkowego DNA
spojrzeniu na wieloS
ć i różnorodnoS
ć funkcji w komórce (nawet tego teoretycznie autono-
jakie plazmidy mogą pełnić w komórkach swo- micznego) jest dla niej pewnym obciążeniem
ich gospodarzy to  dlaczego wobec tylu korzy- metabolicznym, jednak to obciążenie w mniej-
S
ci płynących z posiadania plazmidów nie są szym stopniu odbija się na czasie generacji ko-
one po prostu częS
cią chromosomu gospoda- mórki niż gdyby replikacji ulegała jedna duża
rza, który wtedy w każdej sytuacji mógłby ko- struktura. Ponadto, ponieważ cechy fenotypo-
rzystać z ich obecnoS
ci ? Najbardziej oczywi- we zależne od konkretnych plazmidów nie są
ste wyjaS
nienie tej sytuacji to koniecznoS
ć komórce potrzebne w każdej sytuacji, w popu-
utrzymania wielkoS
ci chromosomu w lacji nie poddawanej odpowiedniej presji se-
 rozsądnych granicach  mniejszy chromo- lekcyjnej (czyli gdy nie istnieją warunki wyma-
som replikuje się szybciej niż duży, co w przy- gające korzystania z tych potencjalnych możli-
padku bakterii może stanowić ważny czynnik woS
ci) plazmidy może zachować tylko niewiel-
dający przewagę selekcyjną poprzez możli- ka frakcja bakterii, która w warunkach  za-
woS
ć skrócenia czasu generacji, szybszego grożenia zdominuje bakterie bezplazmidowe
namnażania się i zdominowania jakiejS
niszy mając nad nimi przewagę selekcyjną.
RóżnorodnoS
ć cech fenotypowych bakterii kodowanych przez plazmidy 253
Innym elementem, który należy potrakto- Na zakończenie pozwolę sobie sfor-
wać jako uzasadniający funkcjonowanie pla- mułować myS
l, którą kiedyS
użyłam jako tytuł
zmidów w formie jednostek genetycznych od- swego wykładu na Festiwalu Nauki:  BAKTERIE
rębnych od chromosomów, to właS
nie fakt, że POTRAFIĄ PRAWIE WSZYSTKO  ALE TYLKO
zawarta w nich olbrzymia pula informacji ge- DZIĘKI PLAZMIDOM
netycznej może być, poprzez ułatwioną (w po-
równaniu z pulą informacji zawartej w chro-
mosomie) wymianę horyzontalną z innymi or- Serdecznie dziękuję Dr Dariuszowi Bartosi-
ganizmami. traktowana jako uniwersalny, ogól- kowi za przygotowanie ilustracji do obu arty-
nie dostępny  magazyn genów . kułów mojego autorstwa.
DIVERSITY OF PLASMID ENCODED BACTERIAL PHENOTYPIC TRAITS
S u mma r y
Preceded by general information on the type of ways of the degradation of natural and man-made
genes existing as obligatory or facultative  modules toxic substances. The phenomenon of plasmid de-
in plasmid genomes, the range of bacterial phenotypic pendent bacteriocinogeny is presented. Also several
functions depending on plasmid located genes is re- examples of the role of plasmids in the relationship of
viewed. The plasmid encoded functions are divided bacteria with eukaryotic organisms are given. The last
into several commonly distinguished functional subject covered concerns the plasmid-encoded func-
groups. Representatives of the individual groups are tions involved in the pathogenicity of bacteria to hu-
characterized in more detail except for those dealt mans as well as the role of rhizobial plasmids in symbi-
with in separate articles of this issue. Special attention otic relations with nitrogen fixing plants.
is given to the plasmid-encoded mechanisms of bacte- A section presenting a general description of the
rial resistance to heavy metal ions (mercury, cadmium, role of plasmids in conjugational horizontal gene
zinc and cobalt) as well as to plasmid-dependent path- transfer is also included.
LITERATURA
BAHRANI-MOUGEOT F. K., DONNENBERG M.S., 2000. Ente- GHIGO J. M., 2001. Natural conjugative plasmids indu-
ropathogenic bacteria. [W:] Encyclopedia of ce bacterial biofilm development. Nature 412,
Microbiology. LEDERBERG J. (red). Academic Press. 442 445.
Wyd. 2, 187 200. HAY A.G., RIPP S., SAYLER G. S., 2000. Plasmids, catabo-
BAREFOOT S. F., HARMON K. M., GRINSTED D. A. NETTLES C. lic. [W:] Encyclopedia of Microbiology. LEDERBERG
G., 1992. Bacteriocins, Molecular biology. [W:]En- J. (red.). Academic Press, Wyd. 3, 730 744.
cyclopedia of Microbiology. LEDERBERG J. (red.). JOERGER R. D., HOOVER D. G., BAREFOOT S. F., HARMON K.
Academic Press, San Diego, New York, Boston, M., GRINSTEAD D. A., NETTLES CUTTER C. G., 2000.
417 430. Bacteriocins. [W:] Encyclopedia of Microbiology.
BURLAND V., SHAO Y., PERNA N.T. PLUNKETT G., SOFIA H. J., LEDREBERG J. (red.). Academic Press, Wyd. 1,
BLATTNER F. R., 1998. The complete DNA sequence 383 397.
and analysis of the large virulence plasmid of LURIA S. E., SUIT J. L., 1987. Colicins and Col plasmids.
Escherichia coli O157:H7. Nucleic Acid Res. 28, [W:] Escherichia coli and Salmonella. Cellular
4196 4204. and Molecular Biology. NEIETHARDT F. C. (red).
CLEWELL D. B., 1993. Bacterial Conjugation. Plenum, ASM Press, Washington, D.C., 1615 1624.
New York. MAHILLON J., LEONARD C., CHANDLER M., 1999. IS ele-
FIRTH N., IPPEN-IHLER K., SKURRAY R. A., 1996. Structure ments as constituents of bacterial genomes. Res.
and function of the F factor and mechanism of Microbiol. 150, 678 687.
conjugation. [W:] Escherichia coli and Salmonel- MARCUS S. L., BRUMELL J. H., PFEIFER C. G., FINLAY B. B.,
la. Cellular and Molecular Biology. NEIDHARDT F.C. 2000. Salmonella pathogenicity islands: big viru-
(red.). ASM Press, Washington, D.C., 3277 3401. lence in small packages. Microbes Infect. 2,
FREIBERG C., FELLAY R., BAIROCH A., BROUGHTON W. J., 145 156.
ROSENTHAL A., PERRET X., 1997. Molecular basis of MERCADO-BLANCO J., TORO N., 1996. Plasmids in Rhizo-
symbiosis between Rhizobium and legumes. Na- bia: the role of nonsymbiotic plasmids. Mol.
ture 387, 394 401. Plant-Microbe Inter. 9, 535 545.
FROST L. S, 2000. Conjugation, bacterial. [W:] Encyclo- MERGEAY M., NIES D., SCHLEGEL H. G., GERITS J., CHARLES
pedia of Microbiology. LEDRBERG J. (red). Acade- P., VAN GIJSEGEM F., 1985. Alcaligenes eutrophus
mic Press, Wyd. 2, 847 862. CH34 is a facultative chemolithotroph with pla-
smid-bound resistancee to heavy metals. J. Bacte-
riol. 162, 328 334.
254 MIROSŁAWA WŁODARCZYK
MISRA T. K., 1992. Bacterial resistance to inorganic [W:] The Horizontal Gene Pool: Bacterial Pla-
mercury salts and organomercurials. Plasmid 27, smids and Gene Spread. THOMAS C. M. (red). Har-
4 16. wood Academic Reading, UK, 249 280.
NIES D.H., 1992. Resistance to cadmium, cobalt, zinc, VENKATESAN M. M., GOLGBERG M. B., ROSE D. J., GROTBECK
and nickel in microbes. Plasmid 27, 17 28. E. J., BURLAND V., BLATTNER F. F., 2001. Complete
PAWLOWSKI J., SHINGLER V., 1994. Genetics and bioche- DNA sequence and analysis of the large virulence
mistry of phenol degradation by Pseudomonas sp. plasmid of Shigella flexneri. Infect. Immun. 69,
CF600. Biodegradation 5, 219 236. 3271 3285.
RILEY M. A., GORDON D. M., 1999. The ecological role of WALLACE W. H., SAYLER G. S., 1992. Catabolic plasmids
bacteriocins in bacterial competition. Trends in the environment. [W:] Encyclopedia of Micro-
Microbol. 7, 129  133. biology. LEDERBERG J. (red.). Academic Press Wyd.
ROTGER R., CASADESUS J., 1999. The virulence plasmids 1, 417 430.
of Salmonella. Int. Microbiol. 3, 177 184. WŁODARCZYK M., 1998. Wymiana materiału genetycz-
SILVER S., 1996. Bacterial resistance to toxic metal ion- nego i rekombinacja u bakterii. Kosmos 47,
s-a review. Gene 179, 1 9. 137 146.
SILVER S., MISRA T. K., 1988. Plasmid-mediated heavy ZATYKA M., THOMAS C. M., 1998. Control of genes for
metal resistances. Annu. Rev. Microbiol. 42, conjugative transfer of plasmid and other mobile
717 743. elements. FEMS Microbiol. Rev. 21, 291 319.
SILVER S., PHUNG L. T., 1996. Bacterial heavy metal resi- ZECHNER E. L., DE LA CRUZ F., EISENBRANDT R., GRAHN
stance: new surprises. Ann. Rev. Microbiol. 50, A. M., KORAIMANN G., LANKA E., MUTH G., PANSEGRAU
753 789. W., THOMAS C.M., WILKINS B. M., ZATYKA M., 2000.
TAN H. M., 1999. Bacterial catabolic transposons. Conjugative-DNA transfer processes. [W:] The Ho-
Appl. Microbiol. Biotechnol. 51, 1 12. rizontal Gene Pool: Bacterial Plasmids and Gene
THOMAS C. M., 2000. Paradigms of plasmid organisa- Spread. THOMAS C. M. (red.). Harwood Academic
tion. Mol. Microbiol. 37, 485 491. Reading, UK, 87 174.
TOP E. M., M�ENNE-LOCCOZ Y., PEMBROKE T., THOMAS C.
M., 2000. Phenotypic traits conferred by plasmids.