За разлика от еукариотите, бактериите нямат образувано ядро, но тяхната ДНК не е разпръсната из клетката, а е концентрирана в компактна структура, наречена нуклеоид. Във функционално отношение той е функционален аналог на ядрения апарат.
Какво е нуклеоид
Бактериален нуклеоид е регион в техните клетки, който съдържа структуриран генетичен материал. За разлика от еукариотното ядро, то не е отделено с мембрана от останалото клетъчно съдържание и няма постоянна форма. Въпреки това, генетичният апарат на бактериите е ясно отделен от цитоплазмата.
Самият термин означава "ядроподобен" или "ядрен регион". Тази структура е открита за първи път през 1890 г. от зоолога Ото Бухли, но разликите й от генетичния апарат на еукариотите са идентифицирани още в началото на 50-те години на миналия век благодарение на технологията за електронна микроскопия. Името "нуклеоид" съответства на концепцията за "бактериална хромозома", ако последната се съдържа в клетка в едно копие.
Нуклеоидът не включва плазмиди, коитоса извънхромозомни елементи на бактериалния геном.
Характеристики на бактериалния нуклеоид
Обикновено нуклеоидът заема централната част на бактериалната клетка и е ориентиран по оста си. Обемът на тази компактна формация не надвишава 0,5 микрона3, а молекулното тегло варира от 1×109 до 3×109 далтон. В определени точки нуклеоидът е свързан с клетъчната мембрана.
Бактериалният нуклеоид съдържа три компонента:
- ДНК.
- Структурни и регулаторни протеини.
- RNA.
ДНК има хромозомна организация, която е различна от еукариотната. Най-често бактериалният нуклеоид съдържа една хромозома или няколко негови копия (при активен растеж броят им достига 8 или повече). Този показател варира в зависимост от вида и етапа на жизнения цикъл на микроорганизма. Някои бактерии имат множество хромозоми с различни набори от гени.
В центъра на нуклеоидната ДНК е опакована доста плътно. Тази зона е недостъпна за рибозомите, репликационните и транскрипционните ензими. Напротив, дезоксирибонуклеиновите бримки на периферната област на нуклеоида са в пряк контакт с цитоплазмата и представляват активни области на бактериалния геном.
Количеството на протеиновия компонент в бактериалния нуклеоид не надвишава 10%, което е около 5 пъти по-малко, отколкото в еукариотния хроматин. Повечето протеини са свързани с ДНК и участват в нейното структуриране. РНК е продукттранскрипция на бактериални гени, която се извършва по периферията на нуклеоида.
Генетичният апарат на бактериите е динамична формация, способна да променя формата и структурната си конформация. Липсват нуклеоли и митотичен апарат, характерни за ядрото на еукариотна клетка.
Бактериална хромозома
В повечето случаи бактериалните нуклеоидни хромозоми имат затворена пръстеновидна форма. Линейните хромозоми са много по-рядко срещани. Във всеки случай тези структури се състоят от една-единствена ДНК молекула, която съдържа набор от гени, необходими за оцеляването на бактериите.
Хромозомната ДНК е завършена под формата на супер навита бримки. Броят на бримките на хромозома варира от 12 до 80. Всяка хромозома е пълноправен репликон, тъй като при удвояване ДНК се копира изцяло. Този процес винаги започва от началото на репликацията (OriC), която е прикрепена към плазмената мембрана.
Общата дължина на ДНК молекула в хромозома е с няколко порядъка по-голяма от размера на бактерия, така че става необходимо тя да бъде пакетирана, но при запазване на функционална активност.
В еукариотния хроматин тези задачи се изпълняват от основните протеини - хистони. Бактериалният нуклеоид съдържа ДНК-свързващи протеини, които са отговорни за структурната организация на генетичния материал и също така влияят на генната експресия и репликацията на ДНК.
Свързаните с нуклеоиди протеини включват:
- хистон-подобни протеини HU, H-NS, FIS и IHF;
- топоизомерази;
- протеини от семейството на SMC.
Последните 2 групи имат най-голямо влияние върху свръхнавиването на генетичния материал.
Неутрализацията на отрицателните заряди на хромозомната ДНК се извършва от полиамини и магнезиеви йони.
Биологичната роля на нуклеоида
На първо място, нуклеоидът е необходим на бактериите, за да съхраняват и предават наследствена информация, както и да я реализират на ниво клетъчен синтез. С други думи, биологичната роля на тази формация е същата като тази на ДНК.
Други бактериални нуклеоидни функции включват:
- локализация и уплътняване на генетичен материал;
- функционална ДНК опаковка;
- регулиране на метаболизма.
ДНК структурирането не само позволява на молекулата да се побере в микроскопична клетка, но също така създава условия за нормално протичане на процесите на репликация и транскрипция.
Характеристиките на молекулярната организация на нуклеоида създават условия за контрол на клетъчния метаболизъм чрез промяна на ДНК конформацията. Регулирането се осъществява чрез примка на определени участъци от хромозомата в цитоплазмата, което ги прави достъпни за транскрипционни ензими, или обратно, като ги изтегля.
Методи за откриване
Има 3 начина за визуално откриване на нуклеоид в бактериите:
- светлинна микроскопия;
- фазова контрастна микроскопия;
- електронна микроскопия.
В зависимост от методаподготовката на препарата и метода на изследване, нуклеоидът може да изглежда различно.
Светлинна микроскопия
За откриване на нуклеоид с помощта на светлинен микроскоп, бактериите се оцветяват предварително, така че нуклеоидът да има цвят, различен от останалото клетъчно съдържание, в противен случай тази структура няма да се вижда. Също така е задължително да се фиксират бактерии върху предметно стъкло (в този случай микроорганизмите умират).
През лещата на светлинния микроскоп нуклеоидът изглежда като формация с форма на боб с ясни граници, която заема централната част на клетката.
Методи за оцветяване
В повечето случаи се използват следните методи за оцветяване на бактерии за визуализиране на нуклеоида чрез светлинна микроскопия:
- според Романовски-Гимза;
- Метод на Фелген.
При оцветяване по Romanovsky-Giemsa, бактериите се фиксират предварително върху предметно стъкло с метилов алкохол и след това за 10-20 минути се импрегнират с багрило от равна смес от лазур, еонин и метиленово синьо, разтворен в метанол. В резултат на това нуклеоидът става лилав, а цитоплазмата става бледорозова. Преди микроскопия петното се отцежда и предметното стъкло се измива с дестилат и се суши.
Методът Feulgen използва хидролиза със слаба киселина. В резултат на това освободената дезоксирибоза преминава в алдехидна форма и взаимодейства с фуксин-серната киселина на реактива на Шиф. В резултат на това нуклеоидът става червен, а цитоплазмата става синя.
Фазова контрастна микроскопия
Фазовата контрастна микроскопия имапо-висока резолюция от светлината. Този метод не изисква фиксиране и оцветяване на препарата - наблюдението се извършва за живи бактерии. Нуклеоидът в такива клетки изглежда като светла овална област на фона на тъмна цитоплазма. По-ефективен метод може да се направи чрез прилагане на флуоресцентни багрила.
Откриване на нуклеоиди с електронен микроскоп
Има 2 начина да подготвите препарат за нуклеоидно изследване под електронен микроскоп:
- ултра-тънка кройка;
- Изрежете замразени бактерии.
В електронни микроснимки на ултратънък участък от бактерия, нуклеоидът има вид на плътна мрежова структура, състояща се от тънки нишки, която изглежда по-лека от заобикалящата цитоплазма.
На участък от замразена бактерия след имунооцветяване, нуклеоидът изглежда като структура, подобна на корал с плътна сърцевина и тънки издатини, проникващи в цитоплазмата.
В електронните снимки нуклеоидът на бактериите най-често заема централната част на клетката и има по-малък обем, отколкото в жива клетка. Това се дължи на излагането на химикалите, използвани за фиксиране на препарата.
