Tom 51, 2002
Numer 3 (256)
Strony 297 304
URSZULA ZIELENKIEWICZ i PIOTR CEGŁOWSKI
Zakład Biochemii Drobnoustrojów
Instytut Biochemii i Biofizyki PAN
Pawińskiego 5a, 02-106 Warszawa
e-mail: [e-mail]
e-mail: [e-mail]
MECHANIZMY STABILNEGO DZIEDZICZENIA PLAZMIDÓW
LOSOWY I LEPSZY NIŻ LOSOWY ROZDZIAŁ PLAZMIDÓW DO KOMÓREK POTOMNYCH
Podczas podziału komórek bakterii ist- W naturze, również plazmidy występujące
niejące w nich plazmidy ulegają segregacji do w niskiej liczbie kopii są niezwykle trwale
komórek potomnych. Naturalnie występujące utrzymywane w populacjach bakteryjnych,
plazmidy bakteryjne są niezwykle trwale dzie- niezależnie od braku presji selekcyjnej. Ozna-
dziczone przez komórki potomne i to w wa- cza to, że muszą istnieć specyficzne mechani-
runkach braku presji selekcyjnej. Plazmidy zmy skutecznie przeciwdziałające utracie pla-
małe, o wielkoS
ci nie przekraczającej kilku ty- zmidów przez dzielące się komórki. Mechani-
sięcy par zasad, zawdzięczają to po prostu zmy te można podzielić, w zależnoS
ci od sposo-
znacznej liczbie kopii w jakiej występują w ko- bu działania, na trzy grupy: A, Bi C(Ryc. 1).
mórce. Stwierdzenie to stanie się jasne przy Do grupy A należą systemy miejscowo-spe-
założeniu, że plazmidy mogą  rozchodzić się cyficznej rekombinacji, dzięki którym, formy
do komórek potomnych w sposób losowy. oligomeryczne plazmidów powstałe głównie
Wtedy prawdopodobieństwo, że dany plazmid na drodze rekombinacji pomiędzy plazmida-
nie znajdzie się w komórce potomnej wynosi mi, są rozdzielane na pojedyncze cząsteczki
0.5. Jeżeli w dzielącej się komórce występuje n plazmidowe, podlegające następnie losowej
cząsteczek plazmidowych (liczba kopii = n) to dystrybucji do komórek potomnych.
prawdopodobieństwo, że żaden z nich nie trafi Grupa B obejmuje systemy aktywnego roz-
do komórki potomnej wynosi (0.5)n. Ponieważ działu plazmidów (tzw. partycji) do dzielących
każdy podział komórkowy prowadzi do po- się komórek zapewniające, że w trakcie po-
wstania dwóch komórek, to prawdopodobie- działu każda komórka potomna otrzyma pla-
ństwo, że którakolwiek z nich nie będzie za- zmid.
wierać plazmidu (czyli tzw. częstoS
ć segregacji W grupie C występują tzw. mechanizmy ad-
plazmidu) wynosi: P = 2(0.5)n =2(1 n) (NORD- dykcyjne, a więc uzależniające komórki gospo-
STR�M i AUSTIN 1989). Używając powyższego darzy od występujących w nich plazmidów. Po-
równania porównajmy dwa plazmidy, z któ- wodują one S
mierć lub zahamowanie wzrostu
rych jeden występuje w dwóch, a drugi w dwu- powstałych po podziale komórek bezplazmi-
dziestu kopiach w komórce. Komórki bezpla- dowych.
zmidowe powinny pojawić się w przypadku Należy podkreS
lić, że mechanizmy grupy A
pierwszego z nich już po zajS
ciu dwóch po- wspomagają jedynie rozdział losowy plazmi-
działów, a w przypadku drugiego z nich czę- dów, podczas gdy te z grup B i C zapewniają
stoS
ć segregacji wynosi mniej niż 10 6, a więc dziedziczenie lepsze niż losowe. Ponadto, o ile
jest praktycznie niewykrywalna. mechanizmy Ai Bmają bezpoS
redni wpływ na
298 URSZULA ZIELENKIEWICZ i PIOTR CEGŁOWSKI
Ryc. 1. Mechanizmy stabilnego dziedziczenia plazmidów.
Dla uproszczenia wszystkie trzy mechanizmy przedstawiono dla plazmidów występujących w jednej kopii w
przeliczeniu na chromosom gospodarza. (A) Miejscowo-specyficzna rekombinacja; ciemne kółka na plazmidach
oznaczają miejsca res; litera x pomiędzy plazmidami lub wewnątrz dimeru plazmidowego oznacza zachodzenie
rekombinacji. (B) Partycja; jasne prostokąty oznaczają tzw. miejsca centromerowe. (C) Mechanizm addykcyjny
czyli po-segregacyjne zabijanie komórek bezplazmidowych; kontury narysowane przerywaną linią oznaczają
S
mierć komórki na skutek utraty plazmidu.
tzw. stabilnoS
ć segregacyjną plazmidu i działają regułom rachunku prawdopodobieństwa, do
na poziomie komórkowym, to mechanizm C  ich niezwykłej stabilnoS
ci segregacyjnej.
poprzez eliminację komórek pozbawionych Poniżej nieco bardziej szczegółowo omó-
plazmidów  działa na poziomie populacyjnym. wimy mechanizmy z grupAi C, natomiast sys-
Czasem u plazmidów, które zazwyczaj wystę- temom partycji plazmidów poS
więcony jest ar-
pują w 1 2 kopiach w przeliczeniu na chromo- tykuł M. ŁOBOCKIEJ i współautorów w tym
som gospodarza, funkcjonują wszystkie trzy ro- zeszycie KOSMOSU. Tutaj należy jedynie pod-
dzaje mechanizmów wspomagających dziedzi- kreS
lić, że systemy z grupy B są niezwykle pre-
czenie, a niektóre z nich mogą być jeszcze zdu- cyzyjne i skutecznie zapewniają wysoką stabil-
plikowane, co prowadzi, całkowicie na przekór noS
ć segregacyjną plazmidów.
SYSTEMY MIEJSCOWO-SPECYFICZNEJ REKOMBINACJI
Identyczne kopie plazmidów często ule- ru. W konsekwencji, liczba powstających dime-
gają między sobą rekombinacji i tworzą tym sa- rów będzie wzrastać. Wynikiem tej sytuacji,
mym tzw. dimery lub formy oligomeryczne wy- okreS
lanej mianem  katastrofy dimerowej
ższego rzędu (trimery, tetramery itd.). Tym sa- (SUMMERS i współaut. 1993) jest częstsze niż
mym zmniejsza się liczba jednostek plazmido- oczekiwane powstawanie komórek bezplazmi-
wych podlegających segregacji do komórek dowych.
potomnych. Warto tu zaznaczyć, że system Bardzo często plazmidy kodują specjalny
kontroli liczby kopii plazmidu, który działa po- system miejscowo-specyficznej rekombinacji,
przez  odliczanie miejsc startu replikacji (ori) tzw. mrs (ang. multimer resolution system) sku-
 nie dostrzega , że np. w dimerze dwa ori wy- tecznie przeciwdziałający utrzymywaniu się
stępują w jednej cząsteczce DNA i nie urucha- form multimerycznych plazmidów w komórce.
mia mechanizmów korygujących liczbę kopii Proces przekształcania ich w formy monome-
plazmidu. Natomiast, ponieważ ori wybierane ryczne odbywa się na drodze wewnątrzplazmi-
są losowo do replikacji, prawdopodobieństwo dowej rekombinacji. Przeprowadzają go miej-
wybrania w mieszaninie monomerów i dime- scowo-specyficzne rekombinazy (tzw. resolwa-
rów plazmidowych danego ori do replikacji zy) rozpoznające okreS
lone miejsca w plazmi-
jest dla dimeru 2-razy wyższe niż dla monome- dach, tzw. sekwencje res, które obejmują zwy-
Mechanizmy stabilnego dziedziczenia plazmidów 299
kle kilkadziesiąt par zasad. Systemy mrs są za- białka komórkowego (np. białko Hbsu B. subti-
zwyczaj w całoS
ci kodowane przez plazmidy lis dla rekombinazy beta plazmidu pSM19035,
(np. loxP-cre plazmidu P1, AUSTIN i współaut. ALONSO i współaut. 1995).
1981; parCBA plazmidu RK2, GRINTER i Systemy miejscowo-specyficznej rekombi-
współaut. 1989). Znane są jednak przypadki, że nacji są często jedynymi dodatkowymi mecha-
plazmid (np. plazmid ColE1) zawiera tylko miej- nizmami stabilizującymi plazmidy występujące
sce res, a do rozdziału oligomerów wykorzystu- w S
redniej (15-30) liczbie kopii. Jednakże, w
je rekombinazę kodowaną przez genom gospo- połączeniu z precyzyjną, pozbawioną fluktu-
darza (SUMMERS i SHERRATT 1984). Zdarza się acji kontrolą liczby kopii skutecznie zapobie-
też, że kodowany przez plazmid system mrs wy- gają one utracie plazmidów z populacji
maga chromosomalnego histono-podobnego (SUMMERS 1998).
SYSTEMY ADDYKCYJNE
Chociaż powyżej opisane procesy zasadni- niu trucizny. Trucizna zawsze jest białkiem, a
czo zapewniają trwałe dziedziczenie plazmi- odtrutką może być albo białko albo tzw. anty-
dów, to jednak z niską częstoS
cią pojawiają się sensowny RNA. W komórce posiadającej pla-
komórki bezplazmidowe. Brak plazmidu zmid przebiega ciągła, kontrolowana synteza
zmniejsza obciążenie metaboliczne komórki odtrutki zapewniająca jej nadmiar, dzięki cze-
co powoduje, że bezplazmidowe bakterie mu komórka jest chroniona przed działaniem
dzieląc się szybciej zdominowałyby całą popu- trucizny. Jednakże, z chwilą utraty plazmidu,
lację doprowadzając praktycznie do eliminacji iloS
ć odtrutki szybko się zmniejsza na skutek de-
komórek plazmidowych. Bardzo szczególnym gradacji przez odpowiedni enzym hydrolitycz-
sposobem uniknięcia takiej sytuacji jest ny i dochodzi do syntezy lub uwolnienia z kom-
działanie systemów addykcyjnych, zwanych pleksu aktywnej trucizny. Pozbawiona plazmi-
również systemami po-segregacyjnego zabija- du komórka więc ginie, a w populacji pozostaną
nia komórek bezplazmidowych, trucizny i od- jedynie komórki zawierające plazmid (Ryc. 2).
Ryc. 2. Funkcjonowanie
plazmidowych systemów
addykcyjnych u bakterii.
Na przedstawionym schema-
cie trucizna i odtrutka są
białkami. Kontur narysowany
przerywaną linią oznacza de-
gradację odtrutki przez specy-
ficzną proteazę.
SYSTEMY ADDYKCYJNE REGULOWANE PRZEZ
trutki, czy zaprogramowanej S
mierci komórko-
ANTYSENSOWNY RNA
wej. Systemy te doprowadzają do eliminacji ko-
Systemy addykcyjne regulowane przez an-
mórki potomnej jeżeli nie odziedziczyła ona
plazmidu. Ideę addykcji, czyli uzależnienia ko- tysensowny RNA stanowią spójną grupę okre-
S
laną mianem rodziny hok-sok (ang. host kil-
mórek od własnych plazmidów zaproponował
Koyama (KOYAMA i współaut. 1975) zauwa- ling, suppression of killing) opisujących geny
znalezione na plazmidzie R1 E. coli. Model or-
żając, że jeżeli komórka tracąca plazmid ginie,
to w populacji nigdy nie znajdzie się pozbawio- ganizacji genetycznej locus hok-sok przedsta-
wiono na Ryc. 3. Zawiera on trzy nakładające
nego plazmidów potomstwa.
Molekularną podstawą funkcjonowania sys- się geny: hok  kodujący truciznę, mok - regu-
temów addykcyjnych jest istnienie przynajm- lujący translację trwałego mRNA trucizny oraz
niej dwóch genów plazmidowych, warun- sok  kodujący nietrwały, antysensowny RNA,
kujących powstawanie trwałego czynnika tok- który jest komplementarny do obszaru 5
mRNA mok-hok. mRNA trucizny zawdzięcza
sycznego oraz odtrutki  nietrwałego czynnika
przeciwdziałającego powstawaniu lub działa- swoją wysoką trwałoS
ć występującej na jego
300 URSZULA ZIELENKIEWICZ i PIOTR CEGŁOWSKI
BIAŁKOWE SYSTEMY ADDYKCYJNE
końcu 3 strukturze fbi (ang. fold back inhibi-
tion). Ekspresja genu hok jest negatywnie regu-
W tym przypadku oba składniki systemu
lowana przez RNA Sok, który łącząc się z kom-
przeciwdziałającego utracie plazmidów są
plementarnym odcinkiem mRNA genu mok
białkami. Organizacja genetyczna białkowych
sprawia, że utworzony kompleks, reprezen-
kaset stabilizujących plazmidy jest zasadniczo
podobna  dwa (niekiedy trzy) geny stanowią
operon. Bardzo istotną cechą tych operonów
jest autoregulacja transkrypcji: białko odtrutki
samo lub w kompleksie z trucizną działa jako
represor. Wyjątkowo, w autoregulacji addyk-
cyjnego systemu - - plazmidu pSM19035 z
Streptococcus pyogenes nie biorą udziału ani
odtrutka ani trucizna, lecz oddzielne białko re-
Ryc. 3. Schemat systemu hok-sok kodowanego
gulatorowe (DE LA HOZ i współaut. 2000).
przez plazmid R1.
Białka systemów addykcyjnych, poza jed-
Miejsce SokT w mRNA mok-hok oznacza region kom-
nym wyjątkiem, są raczej małe (70 130 amino-
plementarny dla RNA Sok. W tym miejscu powstaje
kwasów), przy czym prawie zawsze białka tru-
dwuniciowy RNA, ktory jest degradowany przez RNazę
cizn są nieco większe od białek odtrutek (Tabe-
III.
la 1). Chociaż strukturalne i funkcjonalne po-
dobieństwo licznych systemów addykcjnych
jest wyrax
ne, nie ma znaczących podobieństw
tujący dwuniciowy RNA, jest rozcinany przez
sekwencji ich genów. Natomiast często odnaj-
RNazę III i tym samym nie dochodzi do transla-
duje się prawie identyczne kasety stabilizujące
cji białek Mok i Hok. W komórce bezplazmido-
wS
ród plazmidów pokrewnych, co zapewne
wej istniejący RNA Sok zostaje zdegradowany,
jest odbiciem horyzontalnego transferu genów
a niezwiązany mRNA hok ulega translacji. Po-
pomiędzy różnymi bakteriami i plazmidami
wstające małe, zbudowane z 52 aminokwasów,
(GERDES 2000).
błonowe białko Hok powoduje S
mierć komó-
Jednym z najlepiej poznanych systemów
rek poprzez zahamowanie oddychania, obniże-
działających według przedstawionego powy-
nie potencjału błonowego i wypływ związków
żej schematu jest system addykcyjny ccd jedno-
niskocząsteczkowych (THISTED i współaut.
kopiowego plazmidu F E. coli. Początkowo zo-
1995). Homologiczne geny hok-sok odnajdy-
stał opisany jako uzależniający podział komór-
wane są na licznych plazmidach bakterii Gra-
kowy od wczeS
niejszego zreplikowania pla-
m-ujemnych, a także w chromosomach wielu
zmidu (ang. coupled cell division, OGURA i
bakterii, gdzie ich ewentualna funkcja stanowi
HIRAGA 1983), a następnie jako stabilizujący
prawdziwą zagadkę.
utrzymywanie plazmidu poprzez eliminowa-
Niedawno odkryto podobnie regulowany
nie komórek bezplazmidowych (ang. control
poprzez antysensowny RNA, lecz niehomolo-
of cell death, JAFFE i współaut. 1985). W locus
giczny do rodziny hok-sok, system stabilizacji
ccd gen odtrutki ccdA poprzedza gen trucizny
plazmidów u bakterii Gram-dodatnich: par pla-
ccdB. Ekspresja operonu jest negatywnie regu-
zmidu pAD1 z Enterococcus faecalis (WEAVER i
lowana poprzez kompleks białek CcdA i CcdB
współaut. 1996). Region par koduje dwa prze-
(Ryc. 4). Białko toksyny CcdB doprowadza do
ciwstawnie transkrybowane RNA: dłuższy RNA
I zawierający gen toksyny fst (ang. faecalis pla-
smid-stabilizing peptide) oraz krótszy RNA II,
komplementarny do RNA I. Utworzenie kom-
pleksu obu RNA hamuje wytwarzanie trucizny
poprzez uniemożliwienie dostępu rybosomów
do sekwencji inicjacji translacji fst. Również w
Ryc. 4. Schemat systemu ccd kodowanego przez
tym przypadku czas trwania czynnika zabez-
plazmid F.
pieczającego RNA II jest znacznie krótszy niż
RNA I. Zarówno nadprodukcja RNA I, jak i pep-
Zgięta strzałka wychodząca z miejsca P oznacza pro-
tydu Fst powoduje S
mierć komórek, przed motor transkrypcji. Jego aktywnoS
ć jest reprymowana
przez kompleks utworzony przez produkty genów
którą chroni dostarczenie nadmiaru RNA II
ccdA ccdB.
(GREENFIELD i współaut. 2000).
Mechanizmy stabilnego dziedziczenia plazmidów 301
S
mierci komórek przez zablokowanie funkcjo- Warto zaznaczyć, że system ccd nie jest je-
nowania gyrazy  enzymu wprowadzającego dynym przyczyniającym się do trwałego utrzy-
dodatkowe skręty w helisie DNA. Funkcjono- mywania plazmidu F. Poza nim, plazmid F po-
wanie gyrazy jest niezbędne w wielu proce- siada kilka miejscowo-specyficznych rekombi-
sach komórkowych, takich jak transkrypcja, re- naz, system partycji sop oraz dwa, homologicz-
kombinacja czy rozdział chromosomów do ko- ne do rodziny hok-sok, systemy regulowane an-
mórek potomnych. CcdB wiąże się trwale za- tysensownym RNA (NORDSTR�M i AUSTIN
równo do wolnej gyrazy, blokując jej aktyw- 1989). Niewielki, w porównaniu np. z sop, sto-
noS
ć, jak i do kompleksu gyrazy z naciętym pień stabilizacji poprzez ccd, prawdopodobnie
DNA uniemożliwiając ponowne jego złącze- wynika z tego, że wywołuje w pierwszej kolej-
nie. Powstałe w ten sposób pęknięcia w DNA noS
ci odpowiedx
SOS, a nie natychmiastową
wywołują alarmową reakcję komórki, tzw. od- S
mierć komórek bezplazmidowych. Postuluje
powiedx
SOS, polegającą m.in. na indukcji wie- się więc, że jego rolą może być, po częS
ci, za-
lu białek naprawy DNA. NiemożnoS
ć usunięcia pewnienie komórkom zmiennoS
ci genetycz-
uszkodzeń wywołanych zablokowaniem ak- nej (COUTURIER i współaut. 1998).
tywnoS
ci gyrazy powoduje wstrzymanie po- Pomimo intensywnych badań prowadzo-
działów komórkowych, a następnie S
mierć ko- nych przez ostatnie lata nad różnymi systema-
mórek. mi trucizna-antidotum tylko dla nielicznych z
Tabela 1. Wybrane przyklady bialkowych systemów stabilizujacych utrzymywanie plazmidów; kom-
pilacja wg GERDESA 2000 oraz ZIELENKIEWICZ i CEGŁOWSKIEGO 2001.
System Plazmid Trucizna Odtrutka Proteaza degra- Cel
dująca odtrutkę
ccd F CcdB (101) CcdA (72) Lon gyraza
pem/parD R100/R1 PemK/Kid (110) PemI/Kis (84) Lon helikaza (DnaB)
phd-doc P1 Doc (126) Phd (76) ClpXP translacja?
parDE RK2/RP4 ParE (103) ParD (83) nieznana gyraza
pas pTF-FC2 PasB (90) PasA (74) Lon nieznana
relBE/stbDE P307/R485 RelE/StbE (95) RelB/StbD (83) Lon translacja?
hig Rts1 HigB (92) HigA (104) nieznana nieznana
pSM19035 Zeta (287) Epsilon (90) nieznana nieznana
- -
W nawiasach podano wielkoS
ci białek w liczbach aminokwasów.
Znane są mutanty nietoksyczne białka nich udało się ustalić molekularny mechanizm
CcdB oraz mutanty gyrazy niewrażliwe na tę działania trucizny. Obok opisanego powyżej
truciznę. Dzięki temu oraz poznaniu krysta- mechanizmu działania białka CcdB plazmidu F
licznej struktury większej podjednostki gyra- poznano także cel ataku trucizny systemu
zy zaproponowano model tworzenia kom- pemI/pemK (inaczej okreS
lanego jako kis/kid)
pleksu GyrA-CcdB, w którym C-końcowy frag- plazmidu R1 (RUIZ-ECHEVARRIA i współaut.
ment toksyny umieszczony jest w przestrzeni 1995). PemK (Kid) blokuje aktywnoS
ć DnaB 
centralnej dimeru gyrazy (LORIS i współaut. enzymu helikazy DNA, który rozplata dwuni-
1999). ciowy DNA podczas inicjacji replikacji chro-
Odtrutka CcdA nie tyko zapobiega tworze- mosomu i niektórych plazmidów E. coli. Ostat-
niu kompleksu CcdB z gyrazą wiążąc się trwale nio ustalono, że trucizna ParE plazmidu RK2,
z trucizną, ale uwalnia również CcdB z już ist- podobnie jak CcdB, jest inhibitorem gyrazy
niejących kompleksów. Odtrutka CcdA jest de- (JIANG i współaut. 2002). Molekularne mecha-
gradowana przez proteazę Lon, a jej okres nizmy działania trucizn innych systemów nie
trwania jest dwukrotnie krótszy niż okres trwa- zostały jeszcze ustalone. Nieco lepiej przedsta-
nia trucizny CcdB. wia się wiedza dotycząca mechanizmów zwię-
302 URSZULA ZIELENKIEWICZ i PIOTR CEGŁOWSKI
kszonej wrażliwoS
ci odtrutek w porównaniu ryota także u Archaea. Niekiedy liczne, po-
do toksyn plazmidów E. coli  są one najczę- krewne geny systemów trucizna-odtrutka po-
S
ciej degradowane przez proteazę Lon, a od- wtórzone są w tym samym chromosomie
trutka Phd systemu phd/doc jest substratem (GERDES, 2000). Rola jaką geny te mogą pełnić
dla proteazy ClpXP (Tabela1). w chromosomach bakterii jest całkowicie nie-
jasna. Ich funkcjonowanie jako systemów
trwałego dziedziczenia chromosomów nie
GENY TRUCIZNA-ODTRUTKA UMIEJSCOWIONE W
miałoby żadnego sensu, bo komórki pozbawio-
CHROMOSOMACH
ne chromosomów tak czy inaczej czeka nie-
chybna S
mierć. Jednakże, chromosomalne ho-
Wiele plazmidowych genów addykcyjnych mologi genów addykcyjnych, przeniesione na
ma swoje homologi w chromosomach bakte- plazmidy wydatnie zwiększają ich stabilnoS
ć
ryjnych. Systematyczne przeszukiwania kom- segregacyjną (AIZENMAN i współaut. 1996,
puterowych baz danych pokazują, że są one GOTFREDSEN i GERDES 1998).
obecne w każdej grupie taksonomicznej Proka-
BAKTERIOCYNY ORAZ INNE CZYNNIKI PLAZMIDOWE DZIAŁAJĄCE Z ZEWNĄTRZ
Nazwą bakteriocyny oznacza się produko- nieważ jednoczeS
nie aktywne są geny warun-
wane przez bakterie związki hamujące wzrost kujące opornoS
ć. Rezultatem jest względna
sąsiadujących komórek zazwyczaj blisko spo- nieobecnoS
ć komórek bezplazmidowych, nie-
krewnionych gatunków. Często zdolnoS
ć pro- chronionych przed obecną w podłożu tru-
dukowania trującej bakteriocyny niesiona jest cizną. Podobieństwo działania bakteriocyn i
przez plazmidy, zawsze razem z odpowiednim systemów addykcji jest tylko powierzchowne.
genem(i) kodującym(i) odpornoS
ć na działa- Plazmidowe systemy addykcyjne nie dopusz-
nie tego czynnika na komórkę producenta. czają do powstania bezplazmidowego potom-
Białka bakteriocyn wydzielane są na zewnątrz stwa, natomiast produkowanie toksyn zew-
produkujących je komórek i adsorbowane na nętrznych broni głównie komórki posiadające
powierzchni komórek wrażliwych, których plazmid przed konkurencją nowych, bezpla-
wzrost ulega zahamowaniu. Produkujące bak- zmidowych komórek.
teriocyny komórki są na nie niewrażliwe, po-
SYSTEMY RESTRYKCJI-MODYFIKACJI JAKO CZYNNIKI STABILNOR
CI PLAZMIDÓW
Systemy restrykcji-modyfikacji DNA (R-M) NAITO i współaut. (1995) wykazali, że obec-
występują powszechnie u Prokaryota zarówno noS
ć genów systemów R-M, EcoRI lub PaeR7 w
w chromosomach, jak i na plazmidach. Para ge- plazmidzie wydatnie podnosi jego stabilnoS
ć
nów R-M koduje dwa enzymy: endonukleazę segregacyjną. Proponowany mechanizm stabi-
(R) rozpoznającą specyficzną krótką sekwen- lizacyjny również funkcjonuje na zasadzie
cję nukleotydową w dwuniciowym DNA i po-segregacyjnego zabijania komórek bezpla-
zdolną do jego przecięcia w obrębie lub po- zmidowych, jednak należy podkreS
lić tu wyra-
bliżu tej sekwencji oraz metylazę (M), która po- x
ną różnicę w porównaniu do działania kla-
przez metylację tej sekwencji czyni DNA nie- sycznych systemów addykcyjnych. W przypad-
wrażliwym na działanie endonukleazy restryk- ku systemów R-M nie jest potrzebna różnica w
cyjnej. Przyjmuje się, że obecnoS
ć systemów stabilnoS
ci metylazy DNA (odpowiednik od-
R-M zabezpiecza komórkę przed inwazją obce- trutki) i endonukleazy restrykcyjnej (odpo-
go DNA (np. wirusów czy plazmidów). Jednak wiednik trucizny). Obydwa enzymy mogą
hipoteza  obrony komórkowej nie wyjaS
nia mieć taką samą trwałoS
ć w komórce, jednak
różnorodnoS
ci ani specyficznoS
ci enzymów postępująca ich inaktywacja lub rozcieńczanie
restrykcyjnych, zwłaszcza tych rozpoznających w dzielących się komórkach bezplazmidowych
sekwencje 8-nukleotydowe, które niezwykle osiągają takie stadium, że niektóre sekwencje
rzadko lub w ogóle nie występują w małych ge- w chromosomie nie zostaną już zmetylowane.
nomach plazmidów i wirusów, przed którymi Do przecięcia chromosomu w niezmetylowa-
mają chronić komórki. nych sekwencjach i wywołania S
mierci komór-
Mechanizmy stabilnego dziedziczenia plazmidów 303
ki wystarczy tu nawet S
ladowa aktywnoS
ć en- ewolucji jako moduły zaprogramowanej S
mier-
donukleazy restrykcyjnej. ci komórek, a które zostały wykorzystane przez
Widziane w ten sposób systemy R-M, po- plazmidy do zapewniania ich trwałego bytowa-
dobnie jak systemy addykcyjne, rozważane są nia w komórkach bakterii (YARMOLINSKY
jako samolubne elementy, które utrwaliły się w 1995, KOBAYASHI 1998).
MECHANISMS OF PLASMID STABLE INHERITANCE
S u mma r y
The stable inheritance of bacterial plasmids is stable maintenance of plasmid in bacterial cells. The
achieved by a number of different mechanisms. post-segregational killing systems involve a stable poi-
Among them are: resolution of plasmid multimers into son and an unstable antidote. The antidotes nautralize
monomers, selective killing of plasmid-free segregants their cognate poisons or prevent their synthesis. The
and active plasmid partitioning into dividing cells. The different decay rates of the poisons and the antidotes
first two mechanisms are discussed in this article. The underlie the molecular mechanisms of poison activa-
multimer resolution systems (mrs) consist of a site tion in plasmid-free cells. By killing and eliminating
specific recombinase (resolvase) and the defined nu- plasmid-free cells from the population of plasmid-
cleotide sequence res located on the plasmid. By spe- bearing ones the poison-antidote couples act there-
cific recombination between repeated res sequences fore as plasmid addiction systems. While the mrs maxi-
the recombinase resolves plasmid oligomers to mono- mize the random plasmid distribution into the divid-
mers. This maximizes the number of plasmid units ing cells addiction systems assure better-than-random
prior to cell division and considerably contributes to plasmid distribution.
LITERATURA
AIZENMAN E., ENGELBERG-KULKA H., GLASER G., 1996. An JAFFE A., OGURA T., HIRAGA S., 1985. Effects of the ccd
Escherichia coli chromosomal  addiction modu- function of the F plasmid on bacterial growth. J.
le regulated by guanosine 3 ,5 -bispyrophospha- Bacteriol. 163, 841 849.
te: a model for programmed bacterial cell death. JIANG Y., POGLIANO J., HELINKI D.R., KONIECZNY I., 2002.
Proc. Natl. Acad. Sci. USA 93, 6059 6063. ParE toxin encoded by the broad-host-range pla-
ALONSO J. C., WEISE F., ROJO F., 1995. The Bacillus subti- zmid RK2 is an inhibitor of Escherichia coli gyra-
lis histone-like protein Hbsu is required for DNA se. Mol. Microbiol. 44, 971 979.
resolution and DNA inversion mediated by the KOBAYASHI I., 1998. Selfishness and death: raison d -
beta recombinase of plasmid pSM19035. J. Biol. etre of restriction, recombination and mitochon-
Chem. 270, 2938 2945. dria. Trends Genet. 14, 368 374.
AUSTIN S., ZIESE M., STERNBERG N., 1981. A novel role for KOYAMA A. H., WADA C., NAGATA T., YURA T., 1975. In-
site-specific recombination in maintenance of direct selection for plasmid mutants: isolation of
bacterial replicons. Cell 25, 729 736. ColVBtrp mutants defective in self-maintenance
COUTURIER M., BAHASSI E., VAN MELDEREN L., 1998. Bacte- in Escherichia coli. J. Bacteriol. 122, 73 79.
rial death by DNA gyrase poisoning. Trends LORIS R., DAO-THI M. H., BAHASSI E. M., VAN MELDEREN L.,
Microbiol. 6, 269 275. POORTMANS F., LIDDINGTON R., COUTURIER M., WYNS
DE LA HOZ A. B., AYORA S., SITKIEWICZ I., FERNANDEZ S., L., 1999. Crystal structure of CcdB, a topoisomera-
PANKIEWICZ R., ALONSO J. C., CEGŁOWSKI P., 2000. se poison from E. coli. J. Mol. Biol. 285, 167 1677.
Plasmid copy-number control and better-than- NAITO T., KUSANO K., KOBAYASHI I., 1995. Selfish be-
random segregation genes of pSM19035 share a havior of restriction-modification systems. Scien-
common regulator. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 97, ce 267, 897 899.
728 733. NORDSTROM K., AUSTIN S. J., 1989. Mechanisms that con-
GERDES K., 2000. Toxin-antitoxin modules may regula- tribute to the stable segregation of plasmids.
te synthesis of macromolecules during nutritio- Annu. Rev. Genet. 23, 37 69.
nal stress. J. Bacteriol. 182, 561 572. OGURA T., HIRAGA S., 1983. Mini-F plasmid genes that
GOTFREDSEN M., GERDES K. 1998. The Escherichia coli couple host cell division to plasmid proliferation.
relBE genes belong to a new toxin-antitoxin gene Proc. Natl. Acad. Sci. USA 80, 4784 4788.
family. Mol. Microbiol. 29, 1065 1076. RUIZ-ECHEVARRIA M. J., GIMENEZ-GALLEGO G., SABARIEGOS-
GREENFIELD T. J., EHLI E., KIRSHENMANN T., FRANCH T., JARENO R., DIAZ-OREJAS R., 1995. Kid, a small prote-
GERDES K., WEAVER K. E., 2000. The antisense RNA in of the parD stability system of plasmid R1, is an
of the par locus of pAD1 regulates the expression inhibitor of DNA replication acting at the initia-
of a 33-amino-acid toxic peptide by an unusual tion of DNA synthesis. J. Mol. Biol. 247, 568 577.
mechanism. Mol. Microbiol. 37, 652 660. SUMMERS D. K., 1998. Timing, self-control and a sense of
GRINTER N. J., BREWSTER G., BARTH P. T., 1989. Two me- direction are the secrets of multicopy plasmid sta-
chanisms necessary for the stable inheritance of bility. Mol. Microbiol. 29, 1137 1145.
plasmid RP4. Plasmid 22, 203 214.
304 URSZULA ZIELENKIEWICZ i PIOTR CEGŁOWSKI
SUMMERS D. K., BENTON W. H., WITHERS H. L., 1993. Mul- Translation and Antisense RNA Binding. J. Mol.
ticopy plasmid instability: the dimer catastrophe Biol. 247, 1960 1968.
hypothesis. Mol. Microbiol. 8, 1031 1038. WEAVER K. E., JENSEN K. D., COLWELL A., SRIRAM S. I.,
SUMMERS, D. K., SHERRATT D. J., 1984. Multimerization 1996. Functional analysis of the Enterococcus fae-
of high copy number plasmids causes instability: calis plasmid pAD1-encoded stability determi-
CoIE1 encodes a determinant essential for pla- nant par. Mol. Microbiol. 20, 53 63.
smid monomerization and stability. Cell 36, YARMOLINSKY M. B., 1995. Programmed cell death in
1097 1103. bacterial populations. Science 267, 836 837.
THISTED T., SORENSEN N. S., GERDES K., 1995. Mechanism ZIELENKIEWICZ U., CEGŁOWSKI P., 2001. Mechanisms of
of Post-segregational Killing: Secondary Structure plasmid stable maintenance with special focus on
Analysis of the Entire Hok mRNA from Plasmid R1 plasmid addiction systems. Acta Biochim. Polon.
Suggests a Fold-back Structure that Prevents 48, 1003 1023.