دستاوردهای جدید در مورد ژنوم باکتری‌ها

دستاوردهای جدید در مورد ژنوم باکتری‌ها

ژنوم باکتری‌ها از دو قسمت تشکیل شده است؛ ژنوفور و پلاسمید. گاهی به ژنوفور، کروموزوم گفته می‌شود ولی نام درست آن ژنوفور است‌. سالها است تصور می شود که ژنوم باکتریها فقط از یک کروموزوم حلقوی، متشکل از DNA دو رشته ای (ds DNA) و در مواردی یک یا چند پلاسمید (ds DNA) حلقوی تشکیل شده است. اما آیا واقعا این پندار درست است؟ امروزه باکتری‌های زیادی کشف شده اند که از این قانون پیروی نمی‌کنند. تعداد زیادی از باکتریها دارای چند کروموزوم مختلف اند (n کروموزومی) تعدادی از باکتریها نیز دارای دو کروموزوم مشابه می‌باشند. (دیپلوئید یا ۲n کروموزومی). همچنین برخی از باکتریها دارای کروموزومهای خطی هستند. شناسایی این باکتریها، بسیاری از تصورات میکروبیولوژیست‌ها در مورد مکانیسم‌های مختلف همانندسازی، رونویسی، جداشدن کروموزومها از هم (Segregation)، کراسینگ آور و وجود هموزیگوسیتی و
هتروزیگوسیتی کامل در باکتری‌ها را دگرگون ساخت و با شناسایی رشته‌هایی همانند دوک تقسیم میتوز بوسیله میکروسکوپ الکترونی در برخی از باکتریها، فرضیه وقوع میتوز در باکتری‌ها بوسیله برخی از باکترولوژیست‌های مولکولی ارائه شد.

پلاسمیدها چه تفاوتی با کروموزومهای باکتری دارند:
از آنجا که از سال‌ها پیش مشخص شده بود که در برخی از باکتریها پلاسمیدهای مختلفی وجود دارد و اکثرا این پلاسمیدها بصورت پلی پلوئید می‌باشند، برای عده ای از باکتیولوژیست‌ها این شبهه پیش آمد که شاید کروموزوم‌های چند گانه و یا کروموزوم‌های دیپلوئید در باکتری‌ها، در واقع پلاسمیدهای بسیار بزرگی باشند که بعلت اندازه آنها با کروموزوم باکتری اشتباه شده اند.اما هنگامی که تعریف دقیق کروموزوم و پلاسمید و تفاوتهای آنها توسط عده دیگری از دانشمندان ارائه شد، این شبهه نیز مرتفع شد. پلاسمیدها عناصر ژنتیکی هستند که چندان ضرورتی برای باکتری ندارند و تنها برخی خصوصیات ویژه را به باکتریها می دهند که به بقاء آنها کمک می کند و در صورتی که پلاسمیدهای باکتری حذف شوند، باکتری می‌تواند به حیات خود ادامه دهد. همچنین همانند سازی پلاسمیدها ارتباطی با چرخه سلولی و تقسیم باکتری ندارد و پلاسمیدها می‌توانند مستقل از سیکل سلولی به تعداد نامشخص (تعداد را نیاز سلول و شرایط محیطی تعیین می‌کند) تکثیر شوند. در هر سلول ممکن است چندین پلاسمید مشابه وجود داشته باشد. در صورتی که کروموزومها بسیار برای باکتریها حیاتی هستند و درصورت حذف هر یک از کروموزومها، باکتری خواهد مرد. تعداد دقیق کروموزومها بسیار برای تعادل ژنتیکی باکتری ضروری است حتی اگر یکی از کروموزومهای همولوگ در باکتریهای دیپلوئید حذف شوند باکتری خواهد مرد. همانندسازی کروموزوم‌ها دقیقاً منطبق با چرخه سلولی است و در هر سیکل سلولی فقط یک بار همانندسازی می‌کنند. بنابراین تفاوت پلاسمیدها با کروموزومها در اندازه آنها نیست امروزه پلاسمیدهایی شناسایی شده اند که می توانند از کروموزومها بسیار بزرگتر باشند (kbp 055-2055). این پلاسمیدها که مگاپلاسمید نام دارند، در جنس‌های Agrobacterium, Paracoccus, Pseudomonas, Alcaligenes, Rhizobium, Thermus دیده شده است.
پلاسمیدهای خطی سالها پیش از کروموزومهای خطی در سال ۹۱۹۱ در باکتری Streptomyces rochei کشف شد. در آن هنگام در این باکتری خصوصیاتی مشاهده شد، که با توجه به توارث آنها، ژنهای عامل آن صفات می بایست بر روی پلاسمید قرار می گرفتند. اما به کمک روش‌های عادی جداسازی پلاسمید، در باکتری هیچ پلاسمیدی مشاهده نشد. پس جستجوهای متعدد سرانجام دانشمندان توانستند بوسیله روش PFGE (ژل- الکتروفورز با میدان الکتریکی متناوب) از باکتری پلاسمیدهایی را جداسازی کنند. اما باکمال تعجب، با استفاده از روشهایی مانند نقشه برداری فیزیکی (با اثر دادن اندوکلئازهای محدود کننده بر روی پلاسمیدها)، الکتروفورز به روش SSCP single -standrd conformationol poly mophism و میکروسکوپ الکترونی مشخص شد که این پلاسمیدها، خطی هستند. این نوع پلاسمیدها همچنین دربرخی از جنسهای خانوادهای آکتینومیستال‌ها، همانند Rhodococcus opacus استریتومایسس ها، مانند S.laurentli, S.roche, S.lasalensis, S.coelicor, S.Lividans و مایکوباکتریهایی مانند M.avium, M.brander, M.telomeric دیده شده است. کروموزوم‌های خطی بدنبال شناسایی پلاسمیدهای خطی، در موارد بسیاری در باکتریها گزارش شد. کروموزومهای خطی در برخی گونه های بورلیا مانند B.borgdorferi,B.afzelii,B.bermsii برخی از گونه های استرپتومایسس مانند: S.lesalins, S.avermitilis, S.caviuligarus S.rimosus, Srochei, S.coelicre, S.lividans, S.ambofaciens, S.lividans, S.coelicore, S.rimosus, S.Calviuligarus و برخی گونه های رودوکوکوس مانند R.fascens, R.erithropolis, R.globerulus دیده شده است. وجود کروموزوم‌ها و پلاسمیدهای خطی در باکتریها سوال بزرگی را برای دانشمندان مطرح ساخت و آن سوال این بود: انتهای کروموزوم‌های خطی چگونه محافظت می‌شود؟ همان‌طور که می‌دانید در یوکاریوت‌ها (و برخی ویروس‌ها) که دارای کروموزوم‌های خطی هستند، در دو انتهای کروموزوم‌ها ساختارهایی بنا م تلومر وجود دارد که دو انتهای کروموزوم را از آسیبهای مختلف محافظت می‌کند. در صورت نبودن تلومرها انتهای کروموزوم‌های مختلف بوسیله لیگازهای موجود در سلول به هم متصل می‌شد. همچنین، تلومرها با ایجاد توالیهای DNA اضافه، کاهش مقداری از توالی های کروموزوم که در اثر حذف پرایمر پس از هربار همانندسازی ایجاد می‌شود را، جبران می‌کنند.

تلومرهای باکتریایی

بررسی‌های بیشتر کروموزوم‌ها و پلاسمیدهای خطی منجر به شناسایی توالی‌هایی در دو طرف آنها شد که نقش تلومر را دارند. تلومرهای باکتریایی به دوشکل کلی دیده می‌شوند: شکل تلومریک (telomeric type) و شکل اینورترونیک (invertronic type) در نوع تلومریک، در دو انتهای کروموزوم‌ها یا پلاسمیدهای خطی، توالی‌های تکراری معکوس انتهایی (Terminal Inverted Repeat) یا TIR قرار دارد که دو نوکلئوئید انتهایی از هر رشته با یک پیوند کووالان بهم متصل شده اند و ساختار بسته ای را بوجود آورده اند که دو انتهای پلاسمید یا کروموزوم را محافظت می کنند. تاکنون آنزیم تلومرازی در پروکاریوت‌ها کشف نشده است که در ایجاد این پیوند کووالان نقش داشته باشد. همانندسازی این کروموزوم‌ها از نقطه ای درمیان کروموزوم آغاز می شود (ori) و بصورت دو جهتی با تشکیل پرایمر RNA پیش می رود. در نوع invertronic نیز در دو انتهای کروموزوم توالیهای تکراری معکوس یا TIR قرار دارنداما دو رشته بوسیله پیوند کوالان بهم متصل نشده اند، در عوض در انتها ی ۵آزادهرطرف کروموزوم یک پروتئین متصل شده است.این ساختارباعث محافظت دو انتهای مولکول می شود. پروتئین متصل به انتها ی ۵ آزاد، همچنین بعنوان یک پرایمر عمل می کند؛ یعنی لازم نیست که برای همانندسازی DNA ابتدا یک پرایمر RNA ساخته شود (در صورتی که از پرایمر RNA استفاده می‌گردید پس از پایان همانندسازی و حذف پرایمر، با هر دور همانندسازی طول DNA کاهش می یافت) این پروتئین موجود در انتهای ۵، انتهای OH آزاد لازم برای DNA پلیمراز را فراهم می کند.همانندسازی این نوع مولکول خطی DNA با روش همانندسازی متعارف بصورت همانندسازی رشته پیشرو (leading) و پیرو (lagging) که برای اکثر مولکولهای DNA بکار می‌رود تفاوت دارد. در این نوع همانندسازی یکی ازرشته ها از یک طرف DNA شروع به همانندسازی می کند و رشته دیگر همزمان ازطرف دیگر DNA درجهت مخالف همانندسازی می کند.
شناسایی باکتری‌هایی که دارای چندین کروموزوم و یا دارای کروموزومهای همولوگ می‌باشند، تحول بزرگی را در ژنتیک باکتریها ایجاد کرده است. وجود دیپلوئیدی در برخی باکتریها مانند باکتری Methanococcus jannaschii از نظر تکاملی یک پیشرفت بزرگ محسوب می‌شود. این امر سبب میشود که این باکتریها در برابر عوامل مختلف جهش زا از خود مقاومت بشتری نشان دهند، چراکه در صورت بروز جهش در یک آلل، باکتری دارای آلل سالم دیگری بر روی کروموزوم همولوگ خود خواهد بود.
یکی از مسائلی که ذهن دانشمندان را به خود مشغول کرده است چگونگی segregation این دو کروموزوم همولوگ در هنگام تقسیم سلولی است. اشتیاق دانشمندا ن به دانستن این موضوع زمانی شدت یافت که گزارشهایی از مشاهده رشته هایی شبیه دوک تقسیم میتوز توسط میروسکوپ الکترونی ، در این باکتریها انتشار یافت. هنوز در این باکتریها پروتئینی که مسئول ایجاد چنین ساختارهایی باشد شناسایی نشده است. گروه دیگری از از باکتریهایی که دارای چندین کروموزوم می‌باشند، بصورت منوپلوئید اند. یعنی این کروموزوم‌ها با هم همولوگ نیستند. در این باکتریها بین دو تا چهار کروموزوم مختلف وجود دارد که برخی از آنها خطی می‌باشند. مثلا Rhodobacter sphaeriode دارای دو کروموزوم است، اگروباکتریوم نیز دارای دو کروموزوم می باشد که کروموزوم II آن بصورت خطی میباشد. برخی گونه های جنس بروسلا دارای دو کروموزوم و برخی دارای یک کروموزوم می باشند. مثلاً B.suisB ، ۱ B.melitensis و B. Neotoma, B.abortus, دارای دوکروموزوم (کروموزوم I, II) و B.suisB3 و B.canis درای یک کروموزوم می باشند. باکتری سودوموناس سپاسیا (P.cepacia) دارای سه کروموزوم است (کروموزوم I,II.III) و باکتری لپتوموناس اینتروگانس (L.interogans) دارای دو کروموزوم است. این باکتری یک استثناء مهم در ژنتیک باکتری‌هاست، زیرا برخی ژن‌های آن مانند ژن‌های ۱۱srRNA,33srRNA در بیش از یک اپرون در یک کروموزوم قرار دارند که در پروکاریوتها غیر معمول است‌.
در کروموزوم‌های غیرهمولوگ باکتری‌هایی که چندین کروموزوم دارند ژن‌های مختلفی وجود دارد .در برخی موارد ممکن است ژن‌های مشابهی در هر یک از چندین کروموزوم، یک باکتری وجود داشته باشد، اما این ژنها تحت کنترل پروموترهای متفاوتی قرار دارند. و تنظیم بیان آنها متفاوت است. مثلاً در هر یک از دوکروموزم II ,I باکتری رودوباکتراسفروئید، یک اپرون rRNA وجود دارد، اما زمان بیان هر یک از این دو اپرون در مراحل مختلف چرخه سلولی باکتری، متفاوت است بنابر این، این موارد را نمی‌توان جزء دیپلوئیدی نسبی (Partial Diploidy) بحساب آورد.

Suwanto, A., and S. Kaplan. 1191. Physical and genetic mapping of the Rhodobacter sphaeroides 3.4.1
genome: presence of two unique circular chromosomes. J. Bacteriol. 171: 5955-5951
Suwanto, A and S. Kaplan. 1113. Chromosome transfer in Rhodobacter sphaeroides: Hfr formation and genetic evidence for two unique circular chromosomes. J. Bacteriol. 174: 1135-1145
Trucksis et al. 1119. The Vibrio cholerae genome contains two unique circular chromosomes. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 15: 14414-14411
Volff, J.-N., and J. Altenbuchner. 3555. A new beginning with new ends: linearisation of circular chromosomes during bacterial evolution. FEMS Microbiol. Lett. 191: 143-155.