timp de mulți ani, toate bacteriile s-au crezut că au un singur cromozom circular în comparație cu eucariotele, care au cromozomi liniari. Poate că acest lucru s-a datorat eșantionului limitat de tulpini bacteriene studiate la acea vreme și tehnicilor de secvențiere disponibile pentru examinarea cromozomilor bacterieni. Cu toate acestea, această credință a fost respinsă atunci când bacteriile cu cromozomi multipli și/sau liniari au fost descoperite în 1989.

cromozom unic și Circular

cromozom supercoilat de E. coli

harta cromozomului circular al E. coli

în 1963, studiile efectuate de mai mulți cercetători au stabilit că genomul Escherichia coli a fost organizat într-un singur cromozom circular . Dovezile pentru structura ADN-ului cromozomial au fost prezentate prin imagini realizate prin autoradiografie, microscopie electronică și imagini în mișcare ale ADN-ului folosind microscopia fluorescentă. Cairns a fost primul cercetător care a obținut o imagine a întregului cromozom pentru E. coli . Tehnica utilizată a fost autoradiografia în care cromozomul pentru E. coli a fost etichetat folosind timidină marcată cu tritiu, un izotop radioactiv al hidrogenului . Cu toate acestea, dimensiunile cromozomilor au fost variabile și a fost detectată o frecvență scăzută a formelor circulare. Experimente suplimentare bazate pe conjugarea Hfr demonstrând convingător că E. coli are un cromozom circular .

datele publicate ale cromozomului circular din E. coli au fost adoptate rapid de mulți cercetători. Prin urmare, E. coli a devenit utilizat pe scară largă ca model primar pentru a investiga replicarea cromozomială .

cromozomi multipli

harta a doi cromozomi circulari ai lui R. sphaeroides

prima dovadă a cromozomilor multipli în bacterii a fost găsită în Rhodobacter sphaeroides, o bacterie gram-negativă în formă de tijă (Figura 2) . Cercetătorii au reușit să furnizeze o hartă fizică completă a genomului R. sphaeroides prin obținerea de fragmente de ADN cromozomial prin digerarea restricției cu AseI, SpeI, DraI și SnaBI din ADN-ul genomic, care a ajutat la dovedirea existenței mai multor cromozomi . Electroforeza cu câmp puls (PFGE) este utilizată pentru a separa moleculele de ADN prin aplicarea unui câmp electric. Spre deosebire de electroforeza standard pe gel, tensiunea este comutată constant în trei direcții diferite . Presupunerea aici este că ADN-ul circular este imobil, în timp ce cea mai mare parte a ADN-ului este mobilizată prin rupere . Avantajul PFGE este că poate separa ADN-urile de la câteva kilobaze (kb) la peste 10 megabase (Mb) perechi. Fragmentele de ADN obținute din utilizarea endonucleazelor precum SnaBI produc un model distinct de benzi utile pentru cartografierea fizică a cromozomilor. Primele dovezi care au condus la ideea a doi cromozomi circulari au fost din digestia ADN-ului genomic folosind SnaBI și AseI, unde fragmentele au fost separate folosind PFGE și hibridizarea cu hemA ca sondă . Rezultatele au arătat că fragmentul SnaBI de 784 kb a fost localizat integral în fragmentele AseI D, E și H de 914 kb . Cu toate acestea, există un 130 kb de ADN necunoscut, ceea ce îl face aritmetic imposibil, deoarece trebuie să existe o lungime totală a fragmentului SnaBI de 1.225 kb . Prin urmare, fragmentele AseI D, E și H nu pot fi unite cu celelalte fragmente Asei contigue . Prin procesul de îngustare a modului în care fragmentele se conectează, cromozomii au fost cartografiați fizic. Într-o bază moleculară, acest experiment a fost utilizat pentru a determina că R. sphaeroides are doi cromozomi circulari, unde unul este de 3,1 Mb, iar celălalt este de 0,9 Mb . În ceea ce privește baza genetică, experimentele de împerechere întrerupte folosind tulpini Hfr au întărit dovezile prezenței cromozomilor multipli în R. sphaeroides .

cromozomi liniari

în 1970, au fost descoperite primele dovezi ale cromozomilor liniari, dar disponibilitatea limitată a tehnicilor științifice și o credință puternică a circularității cromozomiale bacteriene au fost atât de convingătoare încât mulți oameni nu au luat această idee decât mult mai târziu. Până în 1989, a fost dezvoltată tehnica electroforezei în gel cu câmp pulsatoriu și utilizată împreună cu digerările de restricție pentru a verifica dacă spirocheta Borrelia burgdorferi are un cromozom liniar folosind un proces similar de îngustare prin conectarea fragmentelor separate precum R. sphaeroides . B. burgdorferi a fost prima bacterie care a arătat că cromozomii liniari sunt prezenți în procariote, iar dimensiunea cromozomului s-a dovedit a fi în jur de 1,0 Mb . Această organizare a cromozomilor este comparabilă cu organizarea cromozomului eucariot.

probleme cu cromozomii liniari

două probleme apar cu prezența și utilizarea cromozomilor liniari în comparație cu cromozomii circulari în procariote. În primul rând, capetele libere de ADN dublu catenar trebuie să aibă un fel de protecție, astfel încât nucleazele intracelulare să nu le degradeze . În al doilea rând, telomerii, care sunt capetele moleculelor liniare de ADN, vor necesita un proces diferit pentru replicarea ADN-ului . Pentru protecție, există două tipuri de telomere care au fost observate. Primul se numește bucle palindromice de ac de păr, în care nu există capete libere dublu-catenare disponibile , . Celălalt tip este telomerii invertron unde cromozomii conțin o proteină care se leagă de capetele 5′,. Acest lucru poate fi găsit în cromozomii liniari Streptomyces. În ceea ce privește replicarea ADN a capetelor moleculelor ADN liniare, nu se știe prea multe despre Mecanism.

alte descoperiri ale cromozomilor liniari

S. griseus este o bacterie Gram-pozitivă cunoscută pentru producerea antibioticului, streptomicina . Această bacterie are, de asemenea, un cromozom liniar identificat prin electroforeza în gel cu câmp puls în combinație cu digestii de restricție . Există, de asemenea, alte specii de Streptomyces cu cromozomi liniari identificați.

Agrobacterium tumefaciens

folosind electroforeza în gel cu câmp puls, a fost analizat genomul A. tumefaciens, unde au fost identificați un cromozom liniar și un cromozom circular . Dimensiunea cromozomului liniar este de 2100 Kb, care este mai mică decât cromozomul circular de 3000 Kb . Speciile Agrobacterium au o relație strânsă de secvență ARNr 16S cu speciile Brucella, care au membri cunoscuți că au doi cromozomi circulari .

alte descoperiri ale cromozomilor multipli

B. melitensis este o bacterie Coccobacillus Gram-negativă, care are doi cromozomi circulari . Cele două dimensiuni ale cromozomilor sunt de 2117 Kb și 1178 Kb . Alte specii de Brucella cu doi cromozomi circulari includ B. suis biovar 1, B. suis biovar 2, B. suis biovar 4, B. abortus și B. ovis .

paracoccus denitrificans

P. denitrificans este o bacterie specială cu trei cromozomi circulari identificați prin electroforeză în gel cu câmp puls . Dimensiunile aproximative ale cromozomilor sunt 2, 1,1 și 0,64 Mb .

specii Vibrio

există multe alte bacterii cu cromozomi multipli, dar speciile Vibrio au membri care au doi cromozomi circulari . Acestea includ V. cholerae, V. parahaemolyticus, V. vulnificus și V. fluvialis .

Summary of Currently Known Bacterial Chromosome Organizations

(1) Allardet-Servent, A., Michaux-Charachon, S., Jumas-Bilak, E., Karayan, L. and Ramuz, M. „Presence of One Linear and One Circular Chromosome in the Agrobacterium tumefaciens C58 Genome.” Journal of Bacteriology, 1993, 175(24): 7869-7874

(2) Baril, C., Richaud, C., Baranton, G. and Saint-Girons, I. „Cromozomul liniar al lui Borrelia burgdorferi.”Res. Microbiol., 1989, 140: 507-516

(3) Bendich, A. J. „forma moleculelor ADN cromozomiale din celulele bacteriene.”Biochimie, 2001, 83: 177-186

(4) Cairns, J. „cromozomul bacterian și modul său de replicare așa cum se vede prin autoradiografie.”J. Mol. Biol., 1963, 6: 208-213

(5) Del Vecchio, V. G., Kapatral, V., Elzer, P., Patra, G. și mujer, C. V. „genomul Brucella melitensis.”Microbiologie veterinară, 2002, 90: 587-592

(6) Egan, E. S., Fogel, M. A. și Waldor, M. K. „genomi divizați: Negocierea ciclului celular în procariote cu cromozomi multipli.”Microbiologie moleculară, 2005, 56(5): 1129-1138

(7) Griswold, A. „ambalarea genomului în procariote: cromozomul Circular al E. coli.”Educația naturii, 2008, 1 (1)

(8) Hinnebusch, J. și Tilly, K. „plasmide liniare și cromozomi în bacterii.”Microbiologie moleculară, 1993, 10(5): 917-922

(9) Jumas-Bilak, E., Michaux-Charachon, S., Bourg, G., O’ Callaghan, D. și Ramuz, M. „diferențe în numărul de cromozomi și rearanjări ale genomului în genul Brucella.”Mol. Microbiol., 1998, 27(1): 99-106

(10) Lezhava A., Mizukami, T., Kajitani, T., Kameoka, D., Redenbach, M., Shinkawa, H., Nimi, O. și Kinashi, H. „harta fizică a cromozomului liniar al Stremptomyces griseus.”Jurnalul de Bacteriologie, 1995, 177(22): 6492-6498

(11) Suwanto, A. și Kaplan, S. „transferul cromozomilor în Rhodobacter sphaeroides: formarea Hfr și dovezi genetice pentru doi cromozomi circulari unici.”Jurnalul de Bacteriologie, 1992, 174(4): 1135-1145

(12) Suwanto, A. și Kaplan, S. „cartografierea fizică și genetică a genomului Rhodobacter sphaeroides 2.4.1: Prezența a doi cromozomi circulari unici.”Jurnalul de Bacteriologie, 1989, 171(11): 5850-5859

(13) Ussery, D. „genetica bacteriofagilor.”2000, http://www.cbs.dtu.dk/staff/dave/roanoke / genetics980311.html

(14) Volff, J. N. și Altenbuchner, J. „Un nou început cu noi scopuri: liniarizarea cromozomilor circulari în timpul evoluției bacteriene.”FEMS Microbiology Letters, 2000, 186: 143-150

(15) Winterstein, C. și Ludwig, B. „genele care codifică harta complexelor respiratorii pe toți cei trei cromozomi ai genomului paracoccus denitrificans.”Arch. Microbiol., 1998, 169(4): 275-281

(16) Yamaichi, Y., Iida, T., Park, K. S., Yamamoto, K. și Honda, T. „harta fizică și genetică a genomului Vibrio parahaemolyticus: prezența a doi cromozomi la speciile Vibrio.”Mol Microbiol., 1999, 31(5): 1513-1521