Skip to main content
Global

2.4C: פלסמידים וטרנספוזונים

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    208905

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    מטרות למידה
    1. תאר פלסמידים וציין את התועלת האפשרית שלהם לחיידקים.
    2. ציין את הפונקציה של הדברים הבאים:
      1. טרנספוזונים
      2. אינטגרונים
      3. אפיזום
      4. פלסמיד מצומד
    3. ציין את הדרך הנפוצה ביותר להעברת פלסמידים מחיידק אחד למשנהו.
    4. הגדר העברת גנים אופקית.

    בנוסף לכרומוזום החיידקי, חיידקים רבים מכילים לרוב מולקולות DNA קטנות שאינן כרומוזומליות הנקראות פלסמידים. פלסמידים מכילים בדרך כלל בין 5 ל -100 גנים. פלסמידים אינם חיוניים לצמיחה תקינה של חיידקים וחיידקים עלולים לאבד או להשיג אותם ללא נזק. עם זאת, הם יכולים לספק יתרון בתנאים סביבתיים מסוימים. לדוגמה, בתנאי גידול סביבתיים רגילים, חיידקים אינם נחשפים בדרך כלל לאנטיביוטיקה ואין להם ערך לפלסמיד המקודד לאנזים המסוגל לדנטורציה של אנטיביוטיקה מסוימת. עם זאת, אם חיידק זה מוצא את עצמו בגוף כאשר ניתנת האנטיביוטיקה המסוימת שהאנזים המקודד לפלסמיד מסוגל לפרק לטיפול בזיהום, החיידק המכיל את הפלסמיד מסוגל לשרוד ולצמוח.

    מבנה והרכב

    פלסמידים הם מולקולות קטנות של DNA כפול גדילי, סלילי, לא כרומוזומלי. ברוב הפלסמידים שני הקצוות של מולקולת ה-DNA הדו-גדילית המרכיבים פלסמידים נקשרים יחד באופן קוולנטי ויוצרים מעגל פיזי. עם זאת, לחלק מהפלסמידים יש DNA ליניארי. פלסמידים משתכפלים ללא תלות בכרומוזום המארח, אך חלק מהפלסמידים, הנקראים אפיזומים, מסוגלים להכניס או להשתלב בכרומוזום של התא המארח, שם השכפול שלהם מוסדר על ידי הכרומוזום.

    למרות שחלק מהפלסמידים יכולים להיות מועברים מחיידק אחד למשנהו על ידי טרנספורמציה ועל ידי התמרה כללית, המנגנון הנפוץ ביותר של העברת פלסמיד הוא צימוד. פלסמידים שיכולים להיות מועברים במגע בין תא לתא נקראים פלסמידים מצומדים. הם מכילים גנים המקודדים לחלבונים המעורבים הן בהעברת DNA והן ביצירת זוגות הזדווגות.

    פונקציות

    פלסמידים מקודדים לסינתזה של כמה חלבונים שאינם מקודדים על ידי הכרומוזום החיידקי. לדוגמה, פלסמידים R, המצויים בכמה חיידקים גראם שליליים, יש לעתים קרובות גנים המקודדים הן לייצור פילוס צימוד (נדון בהמשך יחידה זו) והן עמידות מרובה לאנטיביוטיקה. באמצעות תהליך הנקרא צימוד, פילוס הצימוד מאפשר לחיידק להעביר עותק של פלסמידים R לחיידקים אחרים, מה שהופך אותם גם לעמידים לאנטיביוטיקה מרובים ומסוגלים לייצר פילוס צימוד. בנוסף, חלק מהאקסוטוקסינים, כגון אקסוטוקסין טטנוס, אנטרוטוקסין Escherichia coli ו- E. coli רעלן שיגה שנדון בהמשך ביחידה 2 תחת פתוגניות חיידקית, מקודדים גם על ידי פלסמידים. ידוע כי קיימים אלפי פלסמידים שונים.

    טרנספוזונים

    טרנספוזונים (יסודות הניתנים להעברה או "גנים קופצים") הם חתיכות קטנות של DNA המקודדות לאנזימים המעבירים את הטרנספוזון, כלומר מעבירים אותו ממיקום DNA אחד למשנהו, על אותה מולקולת DNA או על מולקולה אחרת. טרנספוזונים עשויים להימצא כחלק מהנוקלאואיד של חיידק (טרנספוזונים מצומדים) או בפלסמידים ואורכם בדרך כלל בין אחד לשנים עשר גנים. טרנספוזון מכיל מספר גנים, המקודדים לעמידות לאנטיביוטיקה או תכונות אחרות, המוקפים בשני הקצוות ברצפי החדרה המקודדים לאנזים הנקרא טרנספואז. טרנספואז הוא האנזים המזרז את החיתוך והאיטום מחדש של ה-DNA במהלך טרנספוזיציה. לפיכך, טרנספוזונים כאלה מסוגלים לחתוך את עצמם מתוך נוקלאואיד חיידקי או פלסמיד ולהכניס את עצמם לנוקלואיד או פלסמיד אחר ולתרום בהעברת עמידות לאנטיביוטיקה בקרב אוכלוסיית חיידקים.

    פלסמידים יכולים גם לרכוש מספר גנים שונים של עמידות לאנטיביוטיקה באמצעות אינטגרונים. אינטגרונים הם טרנספוזונים שיכולים לשאת אשכולות גנים מרובים הנקראים קלטות גנים הנעים כיחידה מחתיכת DNA אחת לאחרת. אנזים הנקרא אינטגראז מאפשר לקלטות גנים אלה להשתלב ולהצטבר בתוך האינטגרון. בדרך זו ניתן להעביר מספר גנים שונים של עמידות לאנטיביוטיקה כיחידה מחיידק אחד למשנהו.

    פלסמידים וטרנספוזונים מצומדים חשובים מאוד בהעברת גנים אופקית בחיידקים. העברת גנים אופקית, המכונה גם העברת גנים לרוחב, היא תהליך שבו אורגניזם מעביר חומר גנטי לאורגניזם אחר שאינו צאצאיו. יכולתם של חיידקים וארכיאה להסתגל לסביבות חדשות כחלק מאבולוציה חיידקית נובעת לרוב מרכישת גנים חדשים באמצעות העברת גנים אופקית ולא על ידי שינוי תפקודי הגנים באמצעות מוטציות. (ההערכה היא כי עד 20% מהגנום של Escherichia coli מקורו בהעברת גנים אופקית.)

    העברת גנים אופקית מסוגלת לגרום לשינויים בקנה מידה גדול למדי בגנום חיידקי. לדוגמה, חיידקים מסוימים מכילים גנים ארסיים מרובים הנקראים איי פתוגניות הממוקמים באזורים גדולים ולא יציבים בגנום החיידקי. איי פתוגניות אלה יכולים להיות מועברים לחיידקים אחרים על ידי העברת גנים אופקית. עם זאת, אם הגנים המועברים הללו אינם מספקים יתרון סלקטיבי לחיידקים הרוכשים אותם, הם בדרך כלל הולכים לאיבוד על ידי מחיקה. באופן זה גודל הגנום של החיידק יכול להישאר בערך באותו גודל לאורך זמן.

    קריספר

    מכיוון שחיידקים תמיד קולטים DNA חדש מהעברת גנים אופקית או נדבקים בבקטריופאגים, חיידקים פיתחו מערכת להסרת חומצת גרעין ויראלית או DNA מפלסמידים המשרתים את עצמם או מזיקים. מערכת זו מייצגת סוג של חסינות אדפטיבית בחיידקים, ומתבצעת על ידי רצפים חוזרים פלינדרומיים קצרים (CRISPR) מקובצים, מרווחים באופן קבוע וחלבונים הקשורים ל-CRISPR (Cas) בעלי פעילות נוקלאז. מערכת CRISPR/Cas מכוונת לרצפי DNA זרים ספציפיים בחיידקים להשמדה.

    וידאו: סרט יוטיוב של מערכת קריספר/Cas9 בחיידקים (www.youtube.com/V/zsxiu5-S5DS)

    יישומים של טכנולוגיית CRISPR הפכו כעת לכלי נפוץ המשמש בביולוגיה מולקולרית לעריכת גנום בתיווך CRISPR/Nuclease (הנדסה גנטית) במגוון רחב של סוגי תאים שונים. ביולוגים מולקולריים מתחילים כעת להשתמש בזה כדי לבצע שינויים יעילים וממוקדים ביותר ברצף הגנום ובביטוי הגנים ומקווים להשתמש בו בסופו של דבר לתיקון גנים פגומים או לא מתפקדים.

    תרגיל: שאלות חשיבה-זוג-שתף

    פלסמיד F + הוא פלסמיד מצומד המקודד אך ורק ליכולת לייצר פילוס צימוד וזוג הזדווגות.

    ציין איזה אירוע משמעותי מבחינה רפואית עלול להתרחש אם טרנספוזון הממוקם בנוקלואיד של חיידק מעיים פלורה תקין ומכיל גנים לעמידות לאנטיביוטיקה היה נחתך מהנוקלאואיד של החיידק ומוחדר לפלסמיד F +.

    סיכום

    1. חיידקים רבים מכילים לעתים קרובות מולקולות DNA קטנות שאינן כרומוזומליות הנקראות פלסמידים.
    2. בעוד פלסמידים אינם חיוניים לצמיחה תקינה של חיידקים וחיידקים עלולים לאבד או להשיג אותם ללא נזק, הם יכולים לספק יתרון בתנאים סביבתיים מסוימים.
    3. פלסמידים מקודדים לסינתזה של כמה חלבונים שאינם מקודדים על ידי הכרומוזום החיידקי.
    4. טרנספוזונים (גנים קופצים) הם חתיכות קטנות של DNA המקודדות לאנזימים המאפשרים לטרנספוזון לעבור ממיקום DNA אחד למשנהו.
    5. טרנספוזונים עשויים להימצא כחלק מכרומוזום של חיידק או בפלסמידים
    6. אינטגרונים הם טרנספוזונים שיכולים לשאת אשכולות גנים מרובים הנקראים קלטות גנים הנעים כיחידה מחתיכת DNA אחת לאחרת
    7. העברת גנים אופקית היא תהליך שבו אורגניזם מעביר חומר גנטי לתא אחר שאינו צאצאיו.
    8. העברת גנים אופקית מסוגלת לגרום לשינויים בקנה מידה גדול למדי בגנום חיידקי.
    9. היכולת של חיידקים וארכיאה להסתגל לסביבות חדשות כחלק מאבולוציה חיידקית, נובעת לרוב מרכישת גנים חדשים באמצעות העברת גנים אופקית ולא על ידי שינוי תפקודי הגנים באמצעות מוטציות.

    שאלות

    ללמוד את החומר בסעיף זה ולאחר מכן לכתוב את התשובות לשאלות אלה. לא רק ללחוץ על התשובות ולכתוב אותם. זה לא יבחן את הבנתך במדריך זה.

    1. תאר פלסמידים וציין את התועלת האפשרית שלהם לחיידקים. (נס)
    2. ציין מדוע פלסמידים R מציגים בעיה לא קטנה כיום בטיפול בזיהומים גראם שליליים רבים. (נס)
    3. _____________ הם חתיכות קטנות של DNA המקודדות לאנזימים החותכים קטעי DNA ממיקום בכרומוזום חיידקי או בפלסמיד ומחדירים אותו לכרומוזום או פלסמיד אחר. מקטעים אלה של DNA שעבר טרנסלוקציה מכילים לעתים קרובות גנים לעמידות לאנטיביוטיקה. (נס)
    4. הגנים המקודדים לעמידות לאנטיביוטיקה בפלסמידים חיידקיים משתנים לעתים קרובות עם הזמן, ומאפשרים לחיידק להתנגד לאנטיביוטיקה חדשה. מה יכול להסביר את זה? (נס)
    5. ציין את הדרך הנפוצה ביותר להעברת פלסמידים מחיידק אחד למשנהו. (נס)
    6. הגדר העברת גנים אופקית. (נס)
    7. בחירה מרובה (ans)