На відміну від еукаріотів бактерії не мають оформленого ядра, однак їх ДНК не розкидана по всій клітці, а зосереджена в компактну структуру, яку називають нуклеоидом. У функціональному відношенні він являє собою функціональний аналог ядерного апарату.
Що таке нуклеоид
Нуклеоид бактерій — це область в їх клітинах, що містить структурований генетичний матеріал. На відміну від ядра еукаріотів вона не відокремлена мембраною від решти клітинного вмісту і не має постійної форми. Незважаючи на це генетичний апарат бактерій чітко відмежований від цитоплазми.
Сам термін означає “подібний ядра” або “ядерна область”. Вперше цю структуру виявив у 1890 р. зоолог Отто Бючли, але її відмінності від генетичного апарату еукаріотів були виявлені аж до початку 1950-х років завдяки технології електронної мікроскопії. Назва “нуклеоид” відповідає поняттю “бактеріальна хромосома”, якщо остання міститься в клітині в єдиному екземплярі.
Нуклеоид не включає в себе плазміди, які є внехромосомными елементами бактеріального генома.
Особливості нуклеоида бактерій
Зазвичай нуклеоид займає центральний ділянку бактеріальної клітини і орієнтований вздовж її осі. Обсяг цього компактного освіти не перевищує 0,5 мкм3, а молекулярна маса варіює від 1×109 до 3×109 дальтон. У певних точках нуклеоид пов’язаний з клітинною мембраною.
До складу нуклеоида бактерій входять три компоненти:
- ДНК.
- Структурні і регуляторні білки.
- РНК.
ДНК має хромосомну організацію, відмінну від эукариотической. Найчастіше нуклеоид бактерій містить одну хромосому або кілька копій (при активному зростанні їх кількість досягає 8 і більше). Цей показник варіює залежно від виду та стадії життєвого циклу мікроорганізму. Деякі бактерії мають кілька хромосом з різним набором генів.
У центрі нуклеоида ДНК укомплектована досить щільно. Ця зона недоступна для рибосом, ферментів реплікації та транскрипції. Навпаки, дезоксирибонуклеїнові петлі периферичної області нуклеоида безпосередньо контактують з цитоплазмою і являють собою активні ділянки бактеріального генома.
Кількість білкового компонента в нуклеоиде бактерій не перевищує 10 %, що приблизно в 5 разів менше, ніж у хроматині еукаріотів. Більша частина білків асоційована з ДНК і бере участь в її структуруванні. РНК являє собою продукт транскрипції бактеріальних генів, яка здійснюється на периферії нуклеоида.
Генетичний апарат бактерій є динамічним утворенням, здатним змінювати свою форму і структурну конформацію. У ньому відсутні характерні для ядра эукариотической клітини ядерця і мітотичний апарат.
Бактеріальна хромосома
У більшості випадків хромосоми нуклеоида бактерій мають замкнуту кільцеву форму. Значно рідше зустрічаються лінійні хромосоми. У будь-якому випадку ці структури складаються з однієї молекули ДНК, яка містить набір генів, необхідних для виживання бактерій.
Хромосомна ДНК укомплектована у вигляді суперспирализованных петель. Кількість петель на хромосому варіює від 12 до 80. Кожна хромосома є повноцінним репликоном, так як при подвоєнні ДНК копіюється цілком. Починається цей процес завжди з точки початку реплікації (OriC), яка прикріплена до плазматичної мембрани.
Сумарна довжина молекули ДНК в хромосомах на кілька порядків перевищує розміри бактерії, тому виникає необхідність у її упаковці, але при збереженні функціональної активності.
В хроматині еукаріотів ці завдання виконують основні білки — гистоны. Нуклеоид бактерій має в своєму складі ДНК-зв’язуючі білки, які відповідають за структурну організацію генетичного матеріалу, а також впливають на експресію генів і реплікацію ДНК.
До нуклеоид-ассоциированым білків належать:
- гистоноподобные білки HU, H-NS, FIS і IHF;
- топоізомеразу;
- білки сімейства SMC.
Останні 2 групи чинять найбільший вплив на суперспирализацию генетичного матеріалу.
Нейтралізація негативних зарядів хромосомної ДНК здійснюється за рахунок поліамінів та іонів магнію.
Біологічна роль нуклеоида
В першу чергу нуклеоид необхідний бактеріям для того, щоб зберігати і передавати спадкову інформацію, а також реалізовувати її на рівні клітинного синтезу. Іншими словами, біологічна роль цього утворення така ж, як у ДНК.
Інші функції нуклеоида бактерій включають:
- локалізацію і компактизацию генетичного матеріалу;
- функціональну упаковку ДНК;
- регуляцію метаболізму.
Структурування ДНК не тільки дозволяє молекулі вміститися в мікроскопічній клітці, але і створює умови для нормального протікання процесів реплікації і транскрипції.
Особливості молекулярної організації нуклеоида створюють умови для контролю клітинного метаболізму шляхом зміни конформації ДНК. Регулювання відбувається за рахунок выпетливания певних ділянок хромосом у цитоплазму, що робить їх доступними для ферментів транскрипції, або навпаки, втягування всередину.
Способи виявлення
Існує 3 способи візуального виявлення нуклеоида в бактеріях:
- світлова мікроскопія;
- фазово-контрастна мікроскопія;
- електронна мікроскопія.
Залежно від способу підготовки препарату та методу дослідження нуклеоид може виглядати по різному.
Світлова мікроскопія
Для виявлення нуклеоида за допомогою світлового мікроскопа бактерії попередньо фарбують таким чином, щоб нуклеоид мав колір, відмінний від решти клітинного вмісту, інакше ця структура не буде видно. Також обов’язкова фіксація бактерій на предметному склі (при цьому мікроорганізми гинуть).
Через об’єктив світлового мікроскопа нуклеоид виглядає як бобовидной утворення з чіткими межами, яку займає центральну частину клітини.
Методи фарбування
У більшості випадків для візуалізації нуклеоида методом світлової мікроскопії використовують наступні способи забарвлення бактерій:
- по Романовському-Гімзе;
- метод Фельгена.
При фарбуванні за Романовскому-Гимзе бактерії попередньо фіксуються на предметному склі метиловим спиртом, а потім протягом 10-20 хвилин просочуються барвником з рівної суміші азура, эонина і метиленового синього, розчинених у метанолі. В результаті нуклеоид стає фіолетовим, а цитоплазма блідо-рожевою. Перед мікроскопією фарба зливається, а препарат промивається дистилятом і висушується.
У методі Фельгена застосовується слабо кислотний гідроліз. В результаті звільнена дезоксирибоза переходить в альдегидную форму і взаємодіє з фуксинсернистой кислотою реактиву Шиффа. У підсумку нуклеоид стає червоним, а цитоплазма набуває синій колір.
Фазово-контрастна мікроскопія
Фазово-контрастна мікроскопія має більшу роздільну здатність, ніж світлова. Цей метод не вимагає фіксації і забарвлення препарату, — спостереження відбувається за живими бактеріями. Нуклеоид в таких клітинах виглядає як світла овальна область на тлі темної цитоплазми. Більш ефективним метод можна зробити, застосувавши флуоресцентні барвники.
Виявлення нуклеоида за допомогою електронного мікроскопа
Існує 2 способи підготовки препарату для дослідження нуклеоида під електронним мікроскопом:
- ультратонкий зріз;
- зріз замороженої бактерії.
На електронних мікрофотографіях ультратонкого зрізу бактерії нуклеоид має вигляд складається з тонких ниток щільною сітчастої структури, яка виглядає світліше навколишньої цитоплазми.
На зрізі замороженої бактерії після иммуноокрашивания нуклеоид виглядає як кораллоподобная структура з щільною серцевиною і тонкими проникаючими в цитоплазму виступами.
На електронних фотографіях нуклеоид бактерій найчастіше займає центральну частину клітини і має менший обсяг, ніж в живій клітині. Це пов’язано з впливом хімічних реактивів, які використовуються для фіксації препарату.
