Генетики и цитологии нан беларуси удк: 575:579.852 лагодич алексей викторович характеристика плазмид природных штаммов bacillus subtilis

ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ «ИНСТИТУТ ГЕНЕТИКИ И ЦИТОЛОГИИ НАН БЕЛАРУСИ» УДК: 575:579.852 Лагодич Алексей Викторович ХАРАКТЕРИСТИКА ПЛАЗМИД ПРИРОДНЫХ ШТАММОВ BACILLUS SUBTILIS 03.00.26 – молекулярная генетика Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук Минск – 2005 Работа выполнена на кафедре генетики биологического факультета Белорусского государственного университета Научный руководитель – доктор биологических наук, доцент Титок Марина Алексеевна, Белорусский государственный университет, кафедра генетики Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор Гончаренко Григорий Григорьевич, УО «Гомельский государственный университет им. Ф. Скорины», кафедра зоологии и охраны природы;

кандидат биологических наук, доцент Белясова Наталья Александровна, УО «Белорусский государственный технологический университет», кафедра биотехнологии и биоэкологии.

Оппонирующая организация – ГНУ «Институт микробиологии НАН Беларуси».

Защита состоится «»_ 2005 г. в _часов на заседании совета по защите диссертаций Д 01.31.01 в ГНУ «Институт генетики и цитологии НАН Беларуси» по адресу ул. Академическая, 27, Минск, 220072, Беларусь. Тел.: 284-19-11, факс: 284-19-17.

C диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ «Институт генетики и цитологии НАН Беларуси» Автореферат разослан «» 2005 года Ученый секретарь совета по защите диссертаций кандидат биологических наук Л.А.Тарутина ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы диссертации.

Повсеместно распространенные в природной среде обитания бактерии B. subtilis способны утилизировать широкий спектр органических и неорганических субстратов, продуцировать во внешнюю среду биологически активные соединения (ферменты, антибиотики, стимуляторы роста растений). Наличие полной нуклеотидной последовательности генома этих микроорганизмов позволяет целенаправленно изменять их свойства для биотехнологического использования.

Одним из подходов, обеспечивающих детальное изучение регуляции экспрессии генов и улучшение практических свойств штаммов-продуцентов, является применение для этих целей векторных молекул, несущих чужеродный генетический материал. При этом в качестве векторов, как правило, используются внехромосомные генетические элементы, наиболее перспективными из которых являются плазмиды тета-типа. Однако в настоящее время подобного типа структуры у бактерий B. subtilis практически не изучены. Поиск и характеризация плазмид среди природных штаммов этих микроорганизмов позволяет не только исследовать закономерности распространения репликонов определенного типа, но и выявить внехромосомные генетические элементы, обладающие новыми свойствами и являющиеся оптимальной основой для конструирования векторных систем для молекулярного клонирования.

Настоящая работа посвящена изучению молекулярно-генетической организации плазмид бактерий B. subtilis, выделенных из различных природных источников на территории Беларуси, и их использованию при создании векторов для молекулярного клонирования в клетках этих биотехнологически ценных микроорганизмов.

Связь работы с крупными научными программами, темами. Значительная часть настоящего исследования проводилась в рамках научно-исследовательских тем и программ: тема 17.17 государственной программы «Генетическая инженерия»:

«Создать систему хозяин-вектор для клонирования и экспрессии про- и эукариотических генов в бактериях Bacillus subtilis» (2003-2006), грант международной федерации ученых (World Federation of Scientists, National Scholarship Program – Belarus 2004), студенческий грант БГУ «Создание векторных систем для грамположительных микроорганизмов Bacillus subtilis» (2004, № г.р. 20042181), проект Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований «Изучение плазмид с тета-типом репликации, содержащихся в штаммах Bacillus subtilis, выделенных из почв Беларуси и России» (2004-2006) (№ г.р. Б04Р-054).

Цель и задачи исследования. Целью настоящего исследования являлось изучение молекулярно-генетической организации плазмид бактерий B. subtilis, выделенных из различных природных источников на территории Беларуси.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

1. Проанализировать плазмидный состав бактерий B. subtilis, выделенных из различных природных источников на территории Беларуси.

2. Клонировать rep-области выявленных плазмид бактерий B. subtilis.

3. Определить классификационную принадлежность внехромосомных генетических элементов бактерий B. subtilis.

4. Осуществить секвенирование и функциональный анализ клонированных rep областей.

5. Создать на основе выявленных плазмид тета-типа векторные системы для молекулярного клонирования в бактериях B. subtilis и E. coli.

Объект и предмет исследования. Объектом настоящего исследования являлись плазмиды природных штаммов B. subtilis, выделенных на территории Беларуси. Предметом исследования - молекулярно-генетическая организация областей инициации репликации изучаемых плазмид.

Гипотеза. Бактерии B. subtilis широко распространены в природной среде обитания. Хорошо изученные в генетическом отношении и обладающие широким метаболическим потенциалом, они успешно используются в биотехнологическом производстве.

Предполагалось, что поиск плазмид среди природных штаммов B. subtilis позволит выявить внехромосомные генетические элементы, пригодные для создания на их основе векторных систем для молекулярного клонирования.

Методология и методы проведенного исследования. Для решения поставленных задач использовались микробиологические (способы культивирования микроорганизмов, идентификации и фаготипирования), генетические (трансформация), а также основные молекулярно-биологические методы (выделение ДНК, полимеразная цепная реакция, рестрикционный и гибридизационный анализ, клонирование, секвенирование).

Научная новизна и значимость полученных результатов. Полученные результаты являются оригинальными и характеризуются новизной.

• Впервые проведен систематический анализ плазмидного состава бактерий B. subtilis, выделенных из различных природных источников на территории Беларуси.

• Изучена молекулярно-генетическая организация rep-областей плазмид тета типа pBS72 и pBS57 бактерий B. subtilis, не имеющих аналогов среди известных внехромосомных генетических элементов грамположительных и грамотрицательных микроорганизмов.

• Показано, что репликоны подобные pBS72 и pBS57 широко распространены среди природных штаммов B. subtilis, выделенных из различных природных источников на территории Беларуси.

• На основе rep-области плазмиды тета-типа pBS72 создана серия векторов для молекулярного клонирования в бактериях B. subtilis и E. coli.

Практическая (экономическая, социальная) значимость полученных результатов. На основе rep-области плазмиды тета-типа pBS72 сконструированы векторы для молекулярного клонирования в клетках бактерий B. subtilis и E. coli.

Созданные векторные молекулы пригодны для клонирования чужеродного генетического материала размером до 10 kb и могут быть использованы для изучения регуляции экспрессии генов, а также при создании биотехнологически ценных штаммов с заданными свойствами.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

• Среди проанализированных природных штаммов бактерий B. subtilis, выделенных на территории Беларуси, в 24% выявлены плазмиды размером от 6,3 kb до более 90 kb.

• Плазмиды размером до 10 kb реплицируются в соответствии с механизмом «катящегося кольца» и относятся к семейству pC194.

• Широко распространенные среди природных штаммов B. subtilis плазмиды тета-типа размером более 90 kb имеют сходные системы инициации репликации и не имеют аналогов среди известных плазмид грамположительных бактерий.

• Стабильное поддержание плазмид тета-типа (pBS72, pBS57 и pBS4) в клетках B. subtilis обеспечивается двумя структурными единицами: открытой рамкой считывания orf - 1 и межгенным участком, предположительно являющимися rep геном и сайтом инициации репликации oriV.

• На основании rep-области плазмиды рBS72 сконструирована серия двурепликонных векторов, содержащих различные регуляторные участки транскрипции (промоторы lac, tac и spac, терминаторы t0, t1 и t2). Полученные векторные молекулы обеспечивают стабильное поддержание чужеродных молекул ДНК размером до 10 kb и могут быть использованы для молекулярного клонирования в бактериях B. subtilis.

Личный вклад соискателя. Основная часть диссертационной работы выполнена непосредственно соискателем, некоторые экспериментальные данные получены совместно с научным руководителем, а также при участии аспирантов и магистрантов кафедры микробиологии и кафедры генетики Белгосуниверситета (Селезневой Ю.В., Штанюк Я.В., Червы Е.А.). Работа выполнялась на кафедре генетики Белорусского государственного университета.

Апробация результатов диссертации. Основные результаты работы были представлены на: 6-й Пущинской школе-конференции молодых ученых “Биология наука 21-го века” (Пущино-на Оке, 20-24 мая 2002), международной конференции «Микробиология и биотехнология XXI столетия» (Минск, 22-24 мая 2002), VIII съезде генетиков и селекционеров Республики Беларусь «Генетика и селекция в ХХI веке» (Минск, 23-25 июля 2002), 2-й конференции Московского общества генетиков и селекционеров “Актуальные проблемы генетики” (Москва, 20-21 февраля 2003), международной конференции «Современное состояние и перспективы развития микробиологии и биотехнологии» (Минск, 26-28 мая 2004), третьем съезде ВОГиС «Генетика в XXI веке: современное состояние и перспективы развития» (Москва, 6- июня 2004), международной научно-практической конференции «Перспективы и проблемы развития промышленной биотехнологии в рамках единого экономического пространства стран СНГ» (Минск-Нарочь, 23-25 мая 2005).

Опубликованность результатов. Материалы диссертации опубликованы в работах, в том числе в 6 статьях в научных журналах, 4 статьях в сборниках научных работ, 4 тезисах докладов научных конференций, 1 описании изобретения к авторскому свидетельству, которые достаточно полно отражают содержание работы.

Общий объем опубликованных материалов составляет 49 стр.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, 3 глав, заключения, списка литературы и приложений. Объем диссертации составляет 130 стр., включая 37 рис. на 38 стр., 15 табл. на 22 стр., 1 приложение на 8 стр. и ссылки на использованные источники из 190 наименований, в том числе 168 иностранных, на 16 стр.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ Бактерии B. subtilis имеют широкое практическое использование в различных отраслях биотехнологического производства. Одним из подходов, позволяющих изучать регуляцию экспрессии генов, а также конструировать штаммы-продуценты биологически активных соединений является использование для этих целей плазмид.

Являясь необязательными структурами бактериальной клетки, плазмиды могут содержать генетические детерминанты, способные обеспечить селективное преимущество содержащим их микроорганизмам в изменяющихся условиях окружающей среды. Обеспечивая автономное наследование и перенос генетического материала среди микроорганизмов различных таксономических групп, плазмиды выступают в качестве оптимального исходного материала для создания векторных систем для молекулярного клонирования.

У бактерий B. subtilis наиболее изученными являются плазмиды, реплицирующиеся в соответствии с механизмом «катящегося кольца», в то время как плазмиды тета-типа практически не описаны. Однако именно плазмиды тета-типа являются наиболее перспективными в плане создания на их основе векторов для молекулярного клонирования. В связи с этим определенный интерес могут представлять плазмиды природных штаммов B. subtilis, поскольку именно в естественной среде обитания можно обнаружить внехромосомные генетические элементы, обладающие новыми свойствами и являющиеся оптимальной основой для создания эффективных векторных систем.

Настоящее исследование посвящено изучению молекулярно-генетической организации rep-областей плазмид бактерий B. subtilis, выделенных из различных природных источников на территории Беларуси, и созданию на основе одной из охарактеризованных плазмид тета-типа pBS72 эффективных векторных систем для молекулярного клонирования в клетках этих биотехнологически ценных микроорганизмов.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ Штаммы бактерий и плазмиды. При выполнении работы были использованы: 287 штаммов грамположительных спорообразующих бактерий, выделенных на территории Беларуси;

коллекционные штаммы микроорганизмов:

E. coli XL1-Blue, JM105, B. subtilis 168 trpC2, 1A224 и 1A226, P. mendocina ВКМВ 1299;

плазмиды pMTL21C, pMUTIN4, pGEM-T Easy, pLS20, pE194, pT181, p1414, pHV1436 и плазмиды, полученные в ходе выполнения работы.

Среды и реактивы. Бактериальные культуры выращивали в жидких и на плотных питательных средах LB (Sambrook J., Fritsch E., Maniatis T., 1989), либо минимальной среде (Anagnostopoulos C., Spizizen J., 1961). В работе использовали коммерческие препараты антибиотиков.

Выделение спорообразующих грамположительных бактерий из почвы производили методом кипячения (Козловский Ю.Е., Прозоров А.А., 1981).

Видовую принадлежность выделенных штаммов микроорганизмов определяли на основании их чувствительности к специфическим фагам B. subtilis, результатов рекомбинационного теста и метода ARDRA.

Плазмидную ДНК выделяли методом щелочного лизиса (Birnboim H.L., Doly J., 1979).

Трансформацию бактерий E. coli и B. subtilis, предварительно переведенных в состояние компетентности, проводили согласно рекомендациям, приведенным в руководстве J. Sambrook et al. (Sambrook J., Fritsch E., Maniatis T., 1989) и работе S. Bron (1990).

Рестрикцию плазмидной ДНК, обработку фрагментом Кленова, фосфатазой и и последующее лигирование фрагментов осуществляли в условиях, рекомендуемых фирмой изготовителем “MBI Fermentas” (Литва), “Boehringer Mannheim” (Германия) и “New England Biolabs” (Англия).

Электрофоретический анализ ДНК осуществляли общепринятыми методами, приведенными в руководстве J. Sambrook et al. (Sambrook J., Fritsch E., Maniatis T., 1989). Определение концентрации ДНК осуществляли с использованием компьютерной программы ImageQuant Solutions v5.2.

Для идентификации плазмид грамположительных бактерий использовали метод гибридизации по Саузерну.

Полимеразную цепную реакцию проводили с использованием набора реактивов TaKaRa Ex TaqTM (Япония).

Отжиг олигонуклеотидов проводили в буфере: 10 mM Tris pH 7.5-8.0;

50 mM NaCl, 1 mM EDTA при следующем температурном режиме: 95°С – 2 минуты, постепенное охлаждение до 25°С в течение 45 минут.

Для реакции секвенирования плазмидную ДНК выделяли и очищали с использованием Kit Wizard® plus SV Minipreps DNA Purification System (Promega, США). Для постановки секвинирующей ПЦР применяли CycleReader™ Auto DNA Sequencing Kit производства “MBI Fermentas” (Литва). Сиквенс ДНК осуществляли с помощью автоматического секвенатора (ALFexpress II). Результаты анализировали с использованием компьютерных программ BLASTP2.2.1 (NCBI сайт:

http://www.ncbi.nlm.nih.gov), ALFwin™ Sequence Analyser (version 2.10).

РЕЗУЛЬТАТЫ Для выделения грамположительных спорообразующих бактерий B. subtilis использовали образцы почв и воды из ризосферной зоны дикорастущих и сельскохозяйственных растений. Из 87 образцов, выделенных из различных районов Беларуси, было изолировано 287 штаммов грамположительным спорообразующих микроорганизмов, 55 из которых на основании чувствительности к специфическим фагам B. subtilis AR1, AR3, AR9, 105, SP01 были отнесены к виду B. subtilis.

С использованием метода щелочного лизиса с последующим электрофоретическим анализом 55 штаммов, идентифицированных как B. subtilis, были проверены на наличие внехромосомных генетических элементов. В результате было установлено, что 11 штаммов (1, 4, 8, 15, 19, 57, 72, N1, N2, 4K31, 21Z) несут внехромосомные генетические элементы различной молекулярной массы: клетки штаммов 4, 15, 8, 57, N1, N2 содержат по два внехромосомных генетических элемента, один из которых представлен плазмидой размером более 90 kb, а второй – плазмидами размером 8 kb;

клетки 5 штаммов содержали по одной плазмиде: в штамме 1 присутствовала плазмида размером 8 kb, штаммы 19 и 72 несли плазмиду более 90 kb, штаммы 21Z и 4K31 – плазмиду размером 6,3 kb.

Использование методов ARDRA и рекомбинационного анализа подтвердило ранее установленную принадлежность плазмидсодержащих бактерий к виду B. subtilis.

Использование антибактериальных препаратов, соединений тяжелых металлов и интеркалирующих красителей не позволило выявить и локализовать фенотипические маркеры на изучаемых внехромосомных генетических элементах, на основании этого все выявленные плазмиды причислены к разряду криптических.

Характеристика плазмид размером до 10 kb Для идентификации плазмид размером до 10 kb была осуществлена их минимизация путем клонирования их rep-областей в вектор pMTL21C, размер клонированных последовательностей варьировал от 1 kb до 6,3 kb (табл. 1).

Таблица Конструирование мини-репликонов плазмид размером до 10 kb Ферменты Размер Размер Размер рестрикции, Название исходной клонированной полученной Штамм использованные репликона плазмиды, последователь- конструкции, для (kb) ности (kb) (kb) клонирования 1 8,0 HindIII 2,5 pMTL1 6, 4 8,0 PstI 3,9 pMTL4 7, 8 8,0 EcoRI 2,8 pMTL8 6, 15 8,0 EcoRI 1,6 pMTL15 5, 57 8,0 BglII 2,7 pMTL57 6, N1 8,0 EcoRI 1,0 pMTLN1 4, N2 8,0 HindIII 1,0 pMTLN2 4, 4K31 6,3 HindIII 6,3 pMTL4K31 9, 21Z 6,3 HindIII-EcoRI 3,9 pMTL21Z 7, Полученные мини-репликоны одинаково эффективно трансформировали бактерии B. subtilis 1А224 (polA+) и B. subtilis 1А226 (polA-), что свидетельствует о независимости репликации данных внехромосомных генетических элементов от функции ДНК-полимеразы I. При этом 7 из 9 конструкций стабильно наследуются в клетках B. subtilis в течение 20 генераций, утрачиваясь с частотой, не превышающей 10 %, и только две гибридные плазмиды (pMTL8 и pMTL57) утрачиваются с более высокой частотой, соответствующей 27 и 19%.

C использованием метода гибридизации по Саузерну определяли систематическое положение плазмид размером до 10 kb. Обнаружение фракции однонитевой ДНК в процессе репликации изучаемых репликонов (рис. 1), а также результаты гибридизационного анализа (рис. 2) позволили отнести плазмиды размером до 10 kb, выявленные в природных штаммах B. subtilis, к плазмидам RCR типа семейства pC194.

Рис. 1. Результаты гибридизации ДНК клонированных rep-областей природных плазмид с ДНК вектора pMTL21C, меченой [-32P]dCTP.

Цифрами обозначены номера дорожек: 1 – pMTLN2;

2 – pMTL15;

3 – pMTL4;

4 – pMTLN1;

5 – pMTL1;

6 – pMTL4K31. Стрелками () указаны полосы, соответствующие однонитевым интермедиатам (ssДНК), образующимся в результате репликации данных плазмид [1].

Рис. 2. Результаты гибридизации ДНК типовых и изучаемых плазмид с ДНК мини-репликона pMTLN1, меченой [- P]dCTP.

Цифрами обозначены номера дорожек: 1 – реперная ДНК;

2-8 – типовые плазмиды грамположительных бактерий (2 – pAM репликон;

3 – pTB19 репликон;

4 – pT181;

– pC194;

6 – pE194;

7 – pLS20;

8 – p1414);

9-15 – плазмиды, выделенные из природных штаммов(9 – из штамма BS15;

10 – из штамма BS4;

11 – штамм BS2;

12 – штамм BS21Z;

13 – штамм BS1;

14 – штамм BS57;

15 – штамм BS4K31). Числа слева указывают размер молекул реперной ДНК (в п.н.) [1].

При этом в качестве типовых использовали плазмиды p1414, pC194, pE194, pT181, реплицирующиеся в соответствии с механизмом «катящегося кольца» и репликоны тета-типа pLS20, pTB19 и pAM1. Было установлено сходство организации областей репликации всех выделенных плазмид размером до 10 kb между собой и с rep-областями типичных представителей семейства pC194, и отсутствие гомологии с таковыми представителей плазмид грамположительных бактерий RCR-типа семейств pT181 и pE194 и тета-типа – pAM1, рТВ19, pLS (рис. 2).

Характеристика плазмид размером более 90 kb Для клонирования rep-областей плазмид размером более 90 kb использовали вектор pMTL21C. Были изолированы мини-репликоны и определены размеры клонированных rep-областей трех плазмид (табл. 2).

Таблица Размер мини-репликонов плазмид размером более 90 kb Ферменты Размер Размер Название Номер рестрикции, клонированной полученной Плазмида мини использованные последователь- конструкции, штамма репликона для клонирования ности (kb) (kb) 19 pBS19 EcoRI 5,5 pMTLBS19 9, 57 pBS57 EcoRI 2,9 pMTLBS57 6, 72 pBS72 BglII 3,1 pMTLBS72 6, Полученные мини-репликоны эффективно трансформировали клетки типового штамма B. subtilis и стабильно наследовались в ряду поколений. Показано, что их репликация не зависит от функции ДНК-полимеразы I, что исключает их сходство с внехромосомными генетическими элементами, инициация репликации которых зависит от функции данного фермента, в частности, с широко распространенными среди грамположительных бактерий плазмидами тета-типа семейства pAM1.

С целью установления систематического положения плазмид размером более 90 kb был применен метод гибридизации по Саузерну, в результате которого было установлено, что rep-область плазмиды из штамма 72 характеризуется выраженной гомологией с репликонами «крупных» плазмид, выделенных из штаммов 8, 19, 57 и N1 и не обладает сходством ни с одной из типовых плазмид грамположительных бактерий, в частности, pAM1, рТВ19, pLS20 (плазмиды тета-типа) и pT181, pE194, pC194, p1414 (плазмиды RCR-типа) (рис.3).

-- а Рис. 3. Результаты гибридизации ДНК типовых и изучаемых плазмид с ДНК -- б мини-репликона pMTLBS72, меченой [-32P]dCTP.

Цифрами обозначены номера дорожек. – реперная ДНК;

2-7 – типовые плазмиды грамположительных бактерий (2 – pAM1-репликон;

3 – pTB19-репликон;

– pT181;

5 – pE194;

6 – pC194;

7 – pLS20);

8-10 – крупные плазмиды, выделенные из природных штаммов (8 – штамм N1;

9 – штамм 8;

10 – штамм 19);

а – фракция плазмидной ДНК (релаксированная и суперскрученная формы);

б – фракция, представленная фрагментами деградированной хромосомной и плазмидной ДНК;

числа слева указывают размер молекул реперной ДНК (в п.н.) [4].

Отсутствие гомологии rep областей выявленных плазмид с Рис. 4. Результаты репликонами представителей уже гибридизации ДНК мини охарактеризованных семейств, репликонов изучаемых плазмид с ДНК вектора размеры исходных плазмид (более pMTL21C, меченой 90 kb) и отсутствие фракции [- P]dCTP.

однонитевой ДНК при репликации Цифрами обозначены номера дорожек. 1 – мини-репликон мини-репликонов pMTLBS19, pMTLBS19;

2 – мини-репликон pMTLBS57 и pMTLBS72 (рис. 4), pMTLBS72;

3 – мини-репликон pMTL15;

4 – мини-репликон позволяли предположить pMTLN2;

5 – мини-репликон уникальность организации их pMTLBS57. Стрелками () репликативного аппарата и указаны полосы, соответствующие однонитевым принадлежность к новому, еще не интермедиатам (ssДНК), описанному семейству плазмид образующимся при репликации плазмид RCR-типа.

тета-типа.

Выяснение молекулярно-генетической организации rep-областей плазмид размером более 90 kb осуществлялось путем определения их нуклеотидной последовательности и дальнейшего функционального анализа.

В результате этих экспериментов была установлена полная нуклеотидная последовательность ДНК rep-областей плазмид pBS57, pBS72 и pBS4, а также определена роль отдельных детерминант в процессах наследования плазмидного репликона (рис. 5).

Рис. 5. Организация мини-репликонов плазмид pBS72 (3081 bp), pBS57 (2892 bp) и pBS (2076 bp). Обозначения: промотор, последовательность Шайн-Дальгарно, терминатор;

повторы ( – правая, – левая ориентация);

DnaA связывающие последовательности ( ). Открытые рамки считывания (orf - 1-4) детерминируют синтез полипептидов, состоящих из 344, 168, 113, 87 аминокислотных остатков, соответственно.

Для репликации плазмид необходимы ген repA и область, содержащая в своем составе ориджин вегетативной репликации - oriV.

В пределах секвенированных последовательностей обнаружено несколько открытых рамок считывания. Анализ первичной структуры белков, предположительно детерминируемых orf - 2 и orf - 3, не позволил выявить гомологии с известными.

Однако достоверное сходство было обнаружено для полипептида, детерминируемого неполной открытой рамкой считывания orf - 4 с С-терминальной областью бактериальных белков из семейства ParA/Soj, обеспечивающих распределение дочерних молекул ДНК в процессе клеточного деления. Кроме того, для фрагмента полипептида, кодируемого открытой рамкой считывания orf – 1, установлена гомология с N-терминальной последовательностью белка DnaA некоторых грамположительных и грамотрицательных бактерий, участвующего в инициации репликации хромосомы.

В ходе функционального анализа делеционных и инсерционных изменений, полученных в пределах клонированных мини-репликонов, была установлена роль отдельных структурных элементов в процессе наследования плазмид pBS72 и pBS57.

В частности, установлено, что при нарушении открытой рамки считывания 1 мини репликона плазмиды pBS72 не происходит его репликации: инсерционные (рМАТ12 рМАТ14) и делеционные (рМАТ2 и рМАТ3) варианты pMTLBS72 не способны трансформировать бактерии B. subtilis. Для плазмид, несущих непротяженные делеции в пределах межгенного участка, расположенного между открытыми рамками считывания orf - 1 и orf - 2 (рМАТ9), выявлено достоверное снижение трансформирующей способности и замедление скорости роста содержащих их бактерий, тогда как более протяженные делеции в данной области приводили к неспособности мутантных конструкций реплицироваться в клетках бактериального хозяина (pMAT6, pMAT10). Плазмиды с делециями, затрагивающими открытую рамку считывания 2 (pMAT7, pMAT8 и pMAT11), а также orf - 3 и orf - 4 (pMAT4, pMAT5 и pMAT11), характеризовались наследованием, присущим исходному мини репликону pMTLBS72 (рис. 6).

Рис. 6. Результаты функционального анализа rep-области плазмиды pBS72 бактерий B. subtilis.

Делеционные (варианты рМАТ2 – рМАТ11) и инсерционные (варианты рМАТ12 – рМАТ14) мутанты были изолированы в бактериях E. coli и проанализированы на способность + реплицироваться в бактериях B. subtilis: – трансформирующая активность и стабильность наследования соответствует исходному варианту (вариантp рMTLBS72);

+/- – трансформирующая активность и стабильность наследования на порядок ниже чем у исходного варианта;

- – мутантные плазмиды не трансформируют бактерии B. subtilis, – места инсерций. Минимальный репликон pBS72 соответствует варианту рМАТ11 [2].

Таким образом, в результате функционального анализа было установлено, что для репликации и стабильного поддержания мини-репликонов плазмид pBS72 и pBS57 необходимо присутствие только двух структурных единиц: открытой рамки считывания 1, предположительно детерминирующей белок инициации репликации (RepA), и межгенной области протяженностью в 370 п.н., включающей DnaA-бокс, прямые и инвертированные повторы, и предположительно являющейся сайтом начала вегетативной репликации (oriV).

Результаты полимеразной цепной реакции rep-областей плазмид размером более 90 kb с последующим рестрикционным и сиквенс-анализом продуктов амплификации позволили продемонстрировать сходство их организации и отнести данные внехромосомные генетические элементы к новой систематической группе, включающей как минимум десять представителей, выявленных среди природных штаммов бактерий B. subtilis, выделенных на территории Беларуси.

Создание векторных систем для молекулярного клонирования в клетках бактерий B. subtilis Результаты, полученные в ходе секвенирования и функционального анализа мини-репликонов крупных плазмид тета-типа, позволили изолировать их базовый репликон, пригодный для создания векторных молекул. Это послужило основанием для создания серии двурепликонных векторов на основе репликона плазмиды тета типа pBS72 и плазмиды pMTL21C.

В частности, путем клонирования продукта амплификации rep-области плазмиды pBS72 в сайт AflII вектора pMTL21C были получены конструкции pMTL7 1 и pAL1. Полученные конструкции являются векторами общего назначения и пригодны для клонирования и секвенирования генетического материала. При этом экспрессия встроенных фрагментов ДНК в составе данных векторных молекул осуществляется с tac-промотора, индуцируемого в клетках E. coli и способного обеспечить базовый уровень экспрессии в клетках B. subtilis (рис. 7).

Путем замены последовательности tac-промотора на синтетический олигонуклеотид, представленный промотором lac, были получены векторы pLAV1 и pLAV2, предназначенные для изучения экспрессии клонированных генов под контролем собственных регуляторных элементов в клетках грамположительных микроорганизмов B. subtilis (рис. 7).

В векторах pLAV4 и pAL2 последовательность tac-промотора была заменена на область, содержащую различные регуляторные участки транскрипции и промотор spac, способные обеспечить высокий уровень экспрессии чужеродного генетического материала в клетках грамположительных микроорганизмов (рис. 7).

Созданные векторные молекулы эффективно трансформировались в клетки бактерий E. coli и B. subtilis (с эффективностью 106 и 105 клеток на 1мкг ДНК, соответственно), обеспечивали поддержание чужеродного генетического материала размером до 10 kb и характеризовались структурной и сегрегационной стабильностью. В частности, стабильность их наследования составляла 95% при выращивании клеток B. subtilis без селективного давления в течение 60 генераций.

При этом рестрикционный профиль плазмидной ДНК оставался неизменным и не зависел от смены бактериального хозяина.

Рис. 7. Молекулярно-генетическая организация полученных векторов.

Пояснения: oriEc – ColE1-репликон, обеспечивает наследование в клетках E. coli;

oriV и RepA – rep-область плазмиды pBS72, обеспечивает наследование репликона в клетках B. subtilis;

MCS - полилинкер размером 72-78 bp, несущий 11-16 сайтов, пригодных для молекулярного клонирования, (в векторах pMTL7-1 и pAL1 фланкирован последовательностями для использования стандартных праймеров M13/pUC при секвенировании клонируемых фрагментов), перед геном lacZ расположены tac-промотор (pMTL7-1, pAL1), lac-промотор (pLAV1, pLAV2), spac-промотор (pLAV4, pAL2);

t1t2t0 – терминаторы транскрипции;

маркеры устойчивости к ампициллину (Amp) и хлорамфениколу (Cm), выражающиеся в бактериях E. coli и B. subtilis, соответственно [9].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Таким образом, в ходе выполнения данного исследования проведен систематический анализ плазмидного состава природных штаммов бактерий B. subtilis, выделенных из различных природных источников на территории Беларуси и изучена организация rep-областей изолированных плазмид. Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

1. Из 287 штаммов грамположительных бактерий, выделенных из различных природных источников на территории Беларуси, 55 штаммов отнесены к виду B. subtilis. Показано, что 24 % штаммов B. subtilis содержат внехромосомные генетические элементы размером от 6,3 до более 90 kb. При этом в клетках 5 штаммов выявлено по одной плазмиде размером от 6,3 kb до более 90 kb, а в клетках штаммов обнаружено по две плазмиды размером 8,0 kb и более 90 kb. Наиболее распространенными являются внехромосомные элементы размером более 90 kb [1, 3, 4, 12].

2. Установлено, что плазмиды размером до 10 kb реплицируются в соответствии с механизмом «катящегося кольца» и относятся к рС194-семейству.

Показано, что плазмиды размером более 90 kb, широко распространенные среди природных штаммов B. subtilis, имеют сходно организованные rep-области и не имеют аналогов среди плазмид грамположительных бактерий [3, 4, 5, 12].

3. В пределах клонированных и секвенированных последовательностей мини-репликонов плазмид рBS72 и рBS57 размером более 90 kb обнаружено несколько открытых рамок считывания. Открытая рамка считывания orf - 1, предположительно детерминирующая белок инициации репликации, имеющий достоверную гомологию с белком DnaA хромосомного происхождения. Межгенная последовательность, расположенная между открытыми рамками считывания orf - 1 и orf - 2, предположительно является сайтом инициации репликации (oriV) и содержит DnaA-бокс, а также прямые и инвертированные повторы. Обнаруженный Rep-белок является новым, ранее не описанным для плазмид грамположительных и грамотрицательных бактерий [5, 7, 8, 11].

4. В результате функционального анализа установлено, что для стабильного наследования мини-репликонов плазмид рBS72 и рBS57 в клетках бактерий B. subtilis достаточно присутствие rep-гена и сайта инициации репликации oriV. В отличие от известных малокопийных внехромосомных генетических элементов грамположительных и грамотрицательных бактерий сегрегационная стабильность плазмид рBS72 и рBS57 определяется областью инициации репликации и не требует присутствия par-системы, обеспечивающей активное распределение плазмидных копий в процессе деления [1, 2, 13].

5. На основании rep-области плазмиды рBS72 сконструирована серия двурепликонных векторов, содержащих различные регуляторные участки транскрипции (промоторы lac, tac и spac, терминаторы t0, t1 и t2). Полученные векторные молекулы обеспечивают стабильное поддержание чужеродных молекул ДНК размером до 10 kb и могут быть использованы для молекулярного клонирования в бактериях B. subtilis [6, 9, 10, 14, 15].

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи:

1. Titok M.A., Chapuis J., Selezneva Y.V., Lagodich A.V., Prokulevich V.A., Ehrlich S.D., Janniere L. Bacillus subtilis soil isolates: plasmid replicon analysis and construction of a new theta-replicating vector // Plasmid. – 2003. – Vol. 49, № 1. – P. 53– 62.

2. Титок М.А., Лагодич А.В. Молекулярно-генетический анализ rep-области плазмиды тета-типа pBS72 бактерий Bacillus subtilis // Докл. НАН Б. – 2003. – Т. 47, № 4. – С. 67–70.

3. Титок М.А., Лагодич А.В., Селезнева Ю.В. Плазмидный состав бактерий Bacillus subtilis, выделенных из природных источников // Вестник БГУ. – 2003. – Сер.

2, № 3. – С. 35–38.

4. Титок М.А., Лагодич А.В. Характеристика rep-областей плазмид Bacillus subtilis. // Вести НАН Б. – 2004. – № 2. – С. 61–66.

5. Лагодич А.В., Штанюк Я.В., Прозоров А.А., Титок М.А. Характеристика систем репликации плазмид природных штаммов Bacillus subtilis // Мол. Биол. – 2004.

– Т. 38, № 3. – С. 437–441.

6. Лагодич А.В., Черва Е.А., Штанюк Я.В., Прокулевич В.А., Фомичев Ю.К., Прозоров А.А., Титок М.А. Создание векторной системы для молекулярного клонирования в клетках Bacillus subtilis и Escherichia coli // Мол. Биол. – 2005. – Т.

39, № 2. – С. 345–348.

Статьи в сборниках работ:

7. Титок М.А., Лагодич А.В., Прокулевич В.А. Особенности организации и наследования мини-репликона плазмиды Bs72 бактерий Bacillus subtilis // Микробиология и биотехнология XXI столетия. Матер. межд. конф., Минск. 22- мая 2002. – 2002. – С. 151–152.

8. Титок М.А., Лагодич А.В., Прокулевич В.А. Молекулярно-генетический анализ rep-области плазмиды тета-типа pBs72 бактерий Bacillus subtilis // Генетика и селекция в ХХI веке. VIII съезд генетиков и селекционеров Республики Беларусь.

Матер. конф., Минск. 23-25 июля 2002. – 2002. – С. 254-256.

9. Лагодич А.В., Штанюк Я.В., Черва Е.А., Прокулевич В.А., Титок М.А.

Создание векторных систем для молекулярного клонирования в клетках бактерий Escherichia coli – Bacillus subtilis. // Современное состояние и перспективы развития микробиологии и биотехнологии. Матер. межд. конф., Минск. 26-26 мая 2004. – 2004.

– C. 156-158.

10. Лагодич А.В., Прокулевич В.А., Титок М.А. Репликон pBS72 как основа для создания векторных систем для молекулярного клонирования в бактериях B. subtilis // Перспективы и проблемы развития промышленной биотехнологии в рамках единого экономического пространства стран СНГ. Матер. межд. науч-практ. конф., Минск-Нарочь. 23-25 мая 2005. – 2005. – С. 122–123.

Тезисы докладов:

11. Лагодич А.В., Титок М.А. Характеристика rep-области плазмиды тета-типа pBs72 бактерий Bacillus subtilis // Биология – наука 21-го века. Шестая Пущинская школа-конференция молодых ученых. Пущино. 20-24 мая 2002. – 2002. – С. 271–272.

12. Лагодич А.В., Титок М.А. Распространение плазмид тета-типа размером более 90 kb среди природных штаммов Bacillus subtilis // Актуальные проблемы генетики.

Вторая научная конференция Московского общества генетиков и селекционеров. Тез.

докл. межд. конф. Москва. 20-21 февраля 2003.– 2003. – Т. 2. – С. 88-89.

13. Лагодич А.В., Титок М.А. Характеристика плазмиды тета-типа pBS природного штамма Bacillus subtilis // Генетика в XXI веке: современное состояние и перспективы развития. Третий съезд генетиков и селекционеров России. Тез. докл.

межд. конф. Москва. 6 – 12 июня 2004. – 2004. – Т. 1. – C. 387.

14. Лагодич А.В., Титок М.А. Cоздание вектора для молекулярного клонирования в грамположительных и грамотрицательных бактериях // Генетика в XXI веке:

современное состояние и перспективы развития. Третий съезд генетиков и селекционеров России. Тез. докл. межд. конф. Москва. 6 – 12 июня 2004. – 2004. – Т.

1. – C. 388.

Авторские свидетельства:

15. А.с. 7537 МПК: C12N15/63 Челночный вектор для молекулярного клонирования в бактериях Bacillus subtilis и Escherichia coli (варианты) и способ его конструирования / А.В. Лагодич, М.А. Титок (РБ). – № А20030886 заявлено 19.09.2003.

РЕЗЮМЕ Алексей Викторович Лагодич «Характеристика плазмид природных штаммов Bacillus subtilis» Ключевые слова: внехромосомные генетические элементы, плазмида, бактерии Bacillus subtilis, репликон, репликация, вектор.

В ходе выполнения работы охарактеризован плазмидный состав бактерий Bacillus subtilis, выделенных на территории Беларуси. Установлено, что 24 % штаммов B. subtilis содержат внехромосомные генетические элементы размером 6, kb, 8 kb и более 90 kb.

Для плазмид размером до 10 kb установлено, что они реплицируются в соответствии с механизмом «катящегося кольца» и относятся к рС194-семейству.

В пределах секвенированных последовательностей мини-репликонов плазмид рBS72 и рBS57 тета-типа размером более 90 kb обнаружена открытая рамка считывания, предположительно детерминирующая имеющий Rep-белок, достоверную гомологию с белком DnaA хромосомного происхождения, а также последовательность, содержащая Dna-бокс, прямые и инвертированные повторы, характерные для сайта инициации oriV. Выявленный Rep-белок является новым ранее не описанным для плазмид грамположительных и грамотрицательных бактерий. В ходе функционального анализа установлено, что для стабильного наследования изолированных мини-репликонов в клетках бактерий B. subtilis достаточно присутствие rep-гена и сайта инициации репликации oriV.

С использованием метода полимеразной цепной реакции с последующим рестрикционным анализом продуктов амплификации установлено, что клетки, по крайней мере, десяти штаммов, выделенных из различных природных источников содержат внехромосомные генетические элементы, имеющие сходные с плазмидами рBS72 и рBS57 области инициации репликации. Это позволяет утверждать, что данный тип тета-репликонов широко распространен среди природных штаммов B. subtilis на территории Беларуси.

На основании rep-области плазмиды рBS72 сконструирована серия двурепликонных векторов, содержащих различные регуляторные участки транскрипции (промоторы lac, tac и spac, терминаторы t0, t1 и t2). Полученные векторные молекулы характеризуются структурной и сегрегационной стабильностью при клонировании в их состав чужеродных фрагментов ДНК размером до 10 kb.

РЭЗЮМЭ Аляксей Віктаравіч Лагодзіч “Характарыстыка плазмід прыродных штамаў Bacillus subtilis” Ключавыя словы: пазахрамасомныя генетычныя элементы, плазміда, бактэрыі Bacillus subtilis, рэплікон, рэплікацыя, вектар.

У ходзе выканання дадзенага даследавання быў ахарактарызаваны плазмідны састаў бактэрый Bacillus subtilis, выдзеленых на тэрыторыі Беларусі. Вызначана, што 24% штамаў B. subtilis валодаюць пазахрамасомнымі генетычнымі элементамі памерам 6,3 kb, 8 kb і болей за 90 kb.

Для плазмід памерам да 10 kb вызначана, што яны рэпліцыруюцца ў адпаведнасці з механізмам “коцячагася кола” і адносяцца да pC194-сям’і.

У межах секвеніраваных паслядоўнасцяў міні-рэпліконаў плазмід pBS72 i pBS57 тэта-тыпу памерам болей за 90 kb выяўлена адкрытая рамка счытвання, якая, як мяркуецца, дэтэрмінуе Rep-бялок, які, у сваю чаргу, дэманструе дакладную гамалогію з бялком DnaA храмасомнага паходжання. Таксама выяўлена паслядоўнасць, якая змяшчае Dna-бокс, прамыя і інвертаваныя паўторы, характэрныя для сайта ініцыяцыі oriV. Выяўлены Rep-бялок з’яўляецца новым, раней не апісаным, для плазмід грамдадатных і грамадмоўных бактэрый. У выніку функцыянальнага аналізу выяўлена, што для стабільнай перадачы па спадчыне ізаляваных міні рэпліконаў у клетках бактэрый B. subtilis дастатковай умовай з’яўляецца наяўнасць rep-гену і сайту ініцыяцыі рэплікацыі oriV.

З выкарыстаннем метаду палімеразнай ланцуговай рэакцыі з наступным рэстрыкцыйным аналізам прадуктаў ампліфікацыі выяўлена, што клеткі прынамсі дзесяці штамаў, выдзеленых з розных прыродных крыніцаў, змяшчаюць пазахрамасомныя генетычныя элементы, вобласці ініцыяцыі якіх падобныя да вобласцяў ініцыяцыі плазмід pBS72 i pBS57. Гэта дазваляе сцвярджаць, што дадзены тып тэта-рэпліконаў шырока распаўсюджаны сярод прыродных штамаў B. subtilis на тэрыторыі Беларусі.

На аснове rep-вобласці пламіды pBS72 была сканструявана серыя двухрэпліконных вектараў, якія змяшчаюць розныя рэгуляторныя вучасткі транскрыпцыі (прамотары lac, tac i spac, тэрмінатары t0, t1 i t2). Для атрыманых вектарных малекул характэрны структурная і сегрэгацыйная стабільнасць пры кланіраванні ў іх склад чужародных фрагментаў ДНК памерам да 10 kb.

SUMMARY Aliaksei Victaravich Lahodzich “Characterization of plasmids from natural strains of Bacillus subtilis” Keywords: extrachromosomal genetic elements, plasmid, bacteria Bacillus subtilis, replicon, replication, vector.

During this study plasmids of bacteria Bacillus subtilis, isolated within the territory of Belarus, have been described. It was shown that 24% of B. subtilis strains harbour extrachromosomal gentic elements, varying in size from 6,3 and 8 kb to 90 kb and more.

Plasmids smaller than 10 kb were shown to carry a rolling circle replicon of the pC194-family.

The sequence of mini-replicons of large plasmids pBS72 and pBS57 (more than 90 kb), demonstrating the theta-type of replication, allowed to discover one open reading frame (ORF), which is predicted to encode a Rep-protein. This Rep-protein appears to demonstrate the highest homology with DnaA-protein, chromosomal by origin. Also the sequence including DnaA-box was found, the same way as direct and inverted repeats, typical for oriV site of initiation. The Rep-protein of this type wasn’t described before for plasmids of gram-positive and gram-negative bacteria. The functional analysis helped to establish that the stable inheritance of isolated mini-replicons in cells of bacteria B. subtilis is assured only by presence of rep-gene and oriV-site.

The use of the polymerase chain reaction (PCR) and subsequent restriction analysis of PCR products has revealed that at least 10 strains, isolated from different natural sources, harbour extrachromosomal genetic elements with sites of initiation of replication similar to those of plasmids pBS72 and pBS57. Thus, this type of replication is wide-spread among natural strains of B. subtilis on the territory of Belarus.

A series of bireplicon vectors was created on the basis of plasmid pBS72 replicon.

These vectors include different regions regulating transcription (promotors lac, tac and spac, terminators t0, t1 and t2) and show stuctural and segregational stability if the size of cloned DNA fragment is up to 10 kb.