Plasmiid: definitsioon, funktsioonid ja roll bakterites

Plasmiid: iseseisev DNA-element bakterites — definitsioon, funktsioonid, roll horisontaalses geeniülekandes ja antibiootikumiresistentsi levikus.

Plasmiid on ringikujuline või mõnikord lineaarnne DNA-molekul, mis eksisteerib kromosomaalsest DNA-st eraldi ja mis suudab sobivas peremehes iseseisvalt replitseerida (kopeerida). Plasmiidid ei ole osa bakteri põhikromosoomist, kuid need võivad kanduda raku jagunemisel tütarrakkudesse või levida rakkude vahel horisontaalse geeniülekande kaudu.

Termin plasmiid võeti esmakordselt kasutusele Ameerika molekulaarbioloogi Joshua Lederbergi poolt 1952. aastal.

Levik ja esinemine

Plasmiidid esinevad laialdaselt prokariotides ja neid on leitud ka mõningates eukarüootilistes organismides (näiteks Saccharomyces cerevisiae 2‑mikromeetriline rõngas). Enamik looduslikke plasmiide on bakterites (bakterid), kuid sarnased replikatiivsed elemendid võivad olla ka arheates (arhea) ja eukarüootides.

Struktuur ja suurus

Plasmiidid on enamasti ringikujulised, kuid esinevad ka lineaarsetena. Nende suurus varieerub tavaliselt 1 kbp-st kuni üle 1000 kbp-ni. Ühes rakus võib identseid plasmiide olla ühest kuni tuhandeteni, sõltuvalt plasmiidi kopeerimisvõimest ehk kopeerimissagedusest (copy number).

Replikatsioon ja säilitamine

Plasmiidide replikatsioon võib toimuda erinevate mehhanismide kaudu, näiteks theta-tüüpi või rulliva ahela (rolling circle) replikatsiooniga. Plasmiidid sisaldavad replikatsiooni alguskohta (ori), geenikomplekte, mis tagavad stabiilse jaotumise tütarrakkudesse (partition-süsteemid) ning sageli ka mehhanisme, mis takistavad samaaegset eksistentsi sama klassi plasmiididega (incompatibility‑grupid).

Leviku mehhanismid

Plasmiidide ülekandmine rakkude vahel toimub peamiselt kolmel viisil:

• Konjugatsioon: otsene rakkudevaheline kontakt, mille kaudu konjugaatorplasmid (nt F‑plasmid) kannab üle DNA osa või terve plasmiidi; sageli nõuab see konjugatsiooni-geenide (tra) olemasolu ja pili moodustumist.
• Transformatsioon: vabalt eksisteeriva DNA uptake ehk transformatsioon, kus kompetentsed rakud omastavad keskkonnast vaba plasmiidset DNA.
• Transduktsioon: viiruste (bakteriofaagide) vahendusel toimuv DNA osaline või täismahus ülekandmine.

Need mehhanismid aitavad selgitada plasmiidide rolli horisontaalses geeniülekandes populatsioonide ja liikide vahel.

Tüübid ja funktsioonid

Plasmiidid võivad kanda väga erinevaid geene, mis mõjutavad peremehe fitnessi:

• R‑plasmiidid: antibiootikumiresistentsuse geenid, mis annavad selektiivse eelise antibiootikumide olemasolul.
• Virulentsusplasmiidid: geenid, mis suurendavad patogeensust (nt toksiinid, adherentsustegurid).
• Metaboolsed plasmiidid: ensüümikompleksid, mis võimaldavad toota spetsiifilisi aineid või lagundada haruldasi ühendeid (näiteks raskesti lagunevad orgaanilised ühendid).
• Bioloogilised ressursid: plasmiidid võivad kanda geene lämmastiku sidumiseks või muude spetsiifiliste keskkonnatingimustega kohanemiseks.
• Krüptilised plasmiidid: näivad ilma nähtava fenotüübilise efektita, kuid võivad kasuks tulla muutuvates tingimustes või toimida geenivahetuse baasina.

Peremehesuhted ja mõju

Plasmiidid ei ole per definitione parasitaarsed ega sümbiootilised sõltumatud liigid, vaid pigem mobiilsed geneetilised elemendid. Nende mõju peremehele võib olla kontekstipõhine: neutraalne, kasulik (nt resistentsus, uued metaboolsed võimed) või kulukas (energia- ja ressursikulu plasmiidi replikatsioonist ja geeniekspressioonist). Keskkonnatingimused määravad sageli, kas plasmiid andestab selektiivse eelise.

Antibiootikumiresistentsus ja avalik tervis

Paljud antibiootikumiresistentsuse geenid paiknevad plasmiididel, mis soodustab kiiret levikut eri bakterirakkude vahel ning võib viia ravi ebaõnnestumiseni. Plasmiidid võivad sisaldada ka mobiilseid elemente nagu transposoonid ja integronid, mis kergendavad resistentsusgeenide reorganiseerimist ja levikut. Selle tõttu on plasmiidide uurimine kriitilise tähtsusega mikrobioloogia ja epidemioloogia seisukohalt.

Labori- ja biotehnoloogiline kasutus

Plasmiidid on molekulaarbioloogias hädavajalikud tööriistad. Laborkloneeritud plasmiidid (vektorid) sisaldavad ori‑kohti, selektsioonimärgiseid (nt antibiootikumi resistentsus) ja multiple cloning site’e, võimaldades geenide kloonimist, ekspressiooni ja konstruktsioonide manipuleerimist. Näited rakendusest: hindamine valguekspressioonisüsteemides, geeniteraapia lähtevektorite uurimine (in vitro) ja rekombinantsete valkude tootmine.

Tuvastamine ja analüüs

Plasmiide uuritakse ja tuvastatakse erinevate meetoditega: plasmidiekstraktsioon ja agarose‑geeli elektroforees, restriktsiooni‑profiilide koostamine, kloonimine ja järjestamine (next‑generation sequencing). Analüüs võimaldab määrata plasmiidi suurust, kopeerimissagedust, kandvaid geene ja liiki‑spetsiifilisi koostiseid.

Kokkuvõte

Plasmiidid on paljufunktsioonilised mobiilsed DNA‑elemendid, millel on keskne roll bakterite evolutsioonis ja kohanemises. Nad võivad anda organismile ellujäämise eeliseid (nt resistentsus, uued metaboolsed võimed), aidata levitada geene populatsioonide vahel ning on olulised uurimis‑ ja tööstuslikud vahendid biotehnoloogias. Samal ajal kujutavad resistentsust kandevad plasmiidid tõsist väljakutset avalikule tervisele, mistõttu nende jälgimine ja mõistmine on oluline.

Küsimused ja vastused

K: Mis on plasmiid?

K: Kes võttis kasutusele termini "plasmiid"?

K: Kui suured on plasmiidid?

K: Kus esinevad plasmiidid looduslikult?

K: Kuidas on horisontaalne geeniülekanne seotud plasmiididega?

K: Kas plasmiide peetakse elusaks?

K: Milliseid eeliseid võib anda teatud geenide kandmine plasmiidil?

Otsing