Πλασμίδια:Ορισμός, Δομή, Τύποι &Εφαρμογές στην Έρευνα

Πλασμίδια είναι μικρά, κυκλικά κομμάτια DNA που αντιγράφονται ανεξάρτητα από το χρωμοσωμικό DNA στα κύτταρα. Είναι πιο κοινά σε βακτήρια, αλλά εμφανίζονται επίσης σε αρχαία και σε ορισμένους ευκαρυώτες. Ενώ τα πλασμίδια δεν είναι απαραίτητα για τη βασική επιβίωση, συχνά φέρουν γονίδια που προσδίδουν χρήσιμα χαρακτηριστικά, όπως αντίσταση στα αντιβιοτικά, παράγοντες λοιμογόνου δράσης ή την ικανότητα μεταβολισμού ασυνήθιστων ουσιών. Τα πλασμίδια διαδραματίζουν κρίσιμο ρόλο στη γενετική μηχανική, τη βιοτεχνολογία και την έρευνα στη μοριακή βιολογία.

Βασικά Takeaways:Plasmids

• Τα πλασμίδια είναι εξωχρωμοσωμικά μόρια DNA που εμφανίζονται σε πολλά βακτήρια, ορισμένα αρχαία και ορισμένους ευκαρυώτες.
• Αναπαράγονται ανεξάρτητα του χρωμοσωμικού DNA του κυττάρου.
• Τα πλασμίδια συχνά φέρουν γονίδια που παρέχουν πλεονεκτήματα, όπως αντοχή στα αντιβιοτικά ή παραγωγή τοξινών.
• Οι επιστήμονες χρησιμοποιούν πλασμίδια ως φορείς για το χειρισμό και τη μεταφορά γονιδίων στη γενετική μηχανική.
• Τα πλασμίδια ποικίλλουν σε μέγεθος, δομή και λειτουργία , με πολλαπλά σχήματα ταξινόμησης που βασίζονται σε αυτούς τους παράγοντες.

Τι είναι ένα πλασμίδιο;

Ένα πλασμίδιο είναι ένα μικρό, κυκλικό (ή μερικές φορές γραμμικό) μόριο DNA που υπάρχει ανεξάρτητα από το κύριο χρωμοσωμικό DNA ενός κυττάρου. Τα περισσότερα πλασμίδια είναι δίκλωνα και μη ουσιαστικό , που σημαίνει ότι ένα κύτταρο μπορεί να επιβιώσει χωρίς αυτά. Ωστόσο, τα πλασμίδια συχνά φέρουν γονίδια που ωφελούν τον ξενιστή υπό συγκεκριμένες περιβαλλοντικές συνθήκες, όπως η έκθεση σε αντιβιοτικά.

Τα πλασμίδια συνήθως αναπαράγονται αυτόνομα χρησιμοποιώντας τη δική τους προέλευση αντιγραφής (ori) , αν και ορισμένοι βασίζονται σε παράγοντες ξενιστή για την έναρξη και τον έλεγχο της αναπαραγωγής.

Ιστορία και ανακάλυψη πλασμιδίων

Η έννοια των πλασμιδίων χρονολογείται από τα μέσα του 20ού αιώνα:

• 1952 :Ο όρος πλασμίδιο επινοήθηκε από τον Αμερικανό μοριακό βιολόγο Τζόσουα Λέντερμπεργκ , ο οποίος το περιέγραψε ως «οποιονδήποτε εξωχρωμοσωμικό κληρονομικό καθοριστικό παράγοντα».
• δεκαετίες 1950–1960 :Οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι η αντοχή στα αντιβιοτικά θα μπορούσε να μεταφερθεί μεταξύ των βακτηριακών κυττάρων, υποδεικνύοντας την ύπαρξη κινητών γενετικών στοιχείων.
• 1970 :Η ανάπτυξη της τεχνολογίας ανασυνδυασμένου DNA έφερε τα πλασμίδια στο προσκήνιο ως φορείς κλωνοποίησης .
• 1980–σήμερα :Τα πλασμίδια είναι κεντρικής σημασίας για τη βιοτεχνολογία, τη μοριακή γενετική, τη συνθετική βιολογία και τη βιοφαρμακευτική παραγωγή.

Λειτουργίες πλασμιδίων

Τα πλασμίδια έχουν διάφορους ρόλους, ανάλογα με τα γονίδια που φέρουν:

• Αντοχή στα αντιβιοτικά :Πολλά πλασμίδια κωδικοποιούν πρωτεΐνες που αδρανοποιούν τα αντιβιοτικά ή τα διώχνουν από το κύτταρο.
• Μονοπάθεια :Τα παθογόνα βακτήρια συχνά φέρουν πλασμίδια που κωδικοποιούν τοξίνες ή παράγοντες προσκόλλησης.
• Μεταβολισμός :Ορισμένα πλασμίδια αφήνουν τα βακτήρια να μεταβολίζουν ασυνήθιστες ή τοξικές ενώσεις.
• Σύζευξη :Ορισμένα πλασμίδια επιτρέπουν στα βακτήρια να μεταφέρουν γενετικό υλικό μέσω άμεσης επαφής.
• Βιοτεχνολογία :Τα κατασκευασμένα πλασμίδια χρησιμοποιούνται για την εισαγωγή και έκφραση ξένων γονιδίων στα κύτταρα-στόχους.

Πού βρίσκονται τα πλασμίδια

Τα πλασμίδια συνδέονται κυρίως με προκαρυωτικούς οργανισμούς , αλλά υπάρχουν και σε ορισμένουςευκαρυώτες , ιδιαίτερα σε οργανίδια ή παρασιτικούς πρωτιστές. Έχουν ανακαλυφθεί σε:

• Βακτήρια (κοινό)
• Αρχαία (λιγότερο κοινό, αλλά ευρέως διαδεδομένο)
• Μαγιές (π.χ., Saccharomyces cerevisiae )
• Πρωτόζωα (π.χ., Τρυπανόσωμα )
• Φυτέψτε μιτοχόνδρια και χλωροπλάστες (ορισμένες περιπτώσεις)

Οργανισμοί με πλασμίδια

Τύπος οργανισμού Παραδείγματα Νότες πλασμιδίου ΒακτήριαΕ. coli , Σταφυλόκοκκος Φέρτε διάφορα πλασμίδια με αντοχή στα αντιβιοτικά και άλλα χαρακτηριστικάΑρχαίαSulfolobus , Haloferax Φιλοξενεί μοναδικά πλασμίδια, μερικά με ιδιότητες που μοιάζουν με ιούς Μύκητες (ζυμομύκητες)S. cerevisiae Έχει το πλασμίδιο των 2 μικρών, που χρησιμοποιείται στη βιοτεχνολογία ΠρωτόζωαΤρυπανόσωμα , Λεϊσμανία Οι δομές που μοιάζουν με πλασμίδιο συμβάλλουν στη λοιμογόνο δύναμη των φυτών στους όγκους της χοληδόχου κύστης (Agrobacterium )Τ-DNA από το πλασμίδιο Ti ενσωματώνεται στο γονιδίωμα του φυτού Άνθρωποι Σπάνιες τεχνητές περιπτώσεις Χρησιμοποιούνται μόνο σε εργαστηριακές συνθήκες ως φορείς

Δομή και σύνθεση

Τα πλασμίδια είναι γενικά κυκλικά δίκλωνα μόρια DNA , αν και γραμμικά πλασμίδια υπάρχουν επίσης. Το τυπικό μέγεθος κυμαίνεται από 1.000 έως 200.000 ζεύγη βάσεων (1–200 kb) .

Τα βασικά στοιχεία περιλαμβάνουν:

• Προέλευση αντιγραφής (ori) :Ιστότοπος όπου ξεκινά η αναπαραγωγή.
• Επιλέξιμος δείκτης :Γονίδιο (π.χ. αντίσταση στα αντιβιοτικά) που επιτρέπει την ταυτοποίηση κυττάρων που περιέχουν πλασμίδιο.
• Πολλαπλή τοποθεσία κλωνοποίησης (MCS) :Περιοχή με θέσεις περιοριστικών ενζύμων για εισαγωγή ξένου DNA (σε μηχανικά πλασμίδια).
• Ρυθμιστικά στοιχεία :Προαγωγείς και χειριστές για τον έλεγχο της γονιδιακής έκφρασης.
• Γονίδια μεταφοράς (tra genes) :Στα συζευκτικά πλασμίδια, διευκολύνετε τη μεταφορά από κύτταρο σε κύτταρο.

Ταξινόμηση και τύποι πλασμιδίων

Τα πλασμίδια ταξινομούνται με βάση διάφορα κριτήρια:

Συνάρτηση

• πλασμίδια γονιμότητας (πλασμίδια F) :Κωδικοποιούν γονίδια για σύζευξη.
• Πλασμίδια αντίστασης (πλασμίδια R) :Παρέχετε αντοχή στα αντιβιοτικά ή στα βαρέα μέταλλα.
• πλασμίδια λοιμογόνου δράσης :Προσφέρει δυνατότητες πρόκλησης ασθενειών.
• Αποικοδομητικά πλασμίδια :Ενεργοποίηση αποικοδόμησης σύνθετων ουσιών.
• Κρυπτικά πλασμίδια :Δεν φέρουν γνωστά λειτουργικά γονίδια.

Δυνατότητα μεταφοράς

• Συζευγμένα πλασμίδια :Μπορεί να αυτομεταφερθεί σε άλλα κύτταρα μέσω σύζευξης.
• Μη συζευκτικά πλασμίδια :Δεν είναι δυνατή η αυτομεταφορά, αλλά μπορεί να κάνει ωτοστόπ με συζευκτικά πλασμίδια.

Αριθμός αντιγραφής

• Πλασμίδια υψηλού αντιγράφου :Υπάρχει σε πολλά αντίγραφα ανά κελί (π.χ.>50).
• πλασμίδια χαμηλού αντιγράφου :Υπάρχει μόνο σε λίγα αντίγραφα ανά κελί.

Εύρος κεντρικού υπολογιστή

• Πλασμίδια στενού εύρους ξενιστή :Λειτουργεί μόνο σε λίγα είδη.
• Πλασμίδια ευρείας περιοχής ξενιστή :Μπορεί να αναπαραχθεί σε πολλά διαφορετικά είδη.

Οριζόντια μεταφορά γονιδίων και πλασμίδια

Τα πλασμίδια είναι κύριοι παράγοντες οριζόντιας γονιδιακής μεταφοράς (HGT) , που είναι η μετακίνηση γενετικού υλικού μεταξύ οργανισμών εκτός από κάθετη κληρονομικότητα. Τα πλασμίδια συμμετέχουν σε τρεις κύριες μορφές HGT:

• Σύζευξη :Μεταφορά πλασμιδίων μέσω άμεσης επαφής μέσω πασσάλου.
• Μεταμόρφωση :Πρόσληψη ελεύθερου πλασμιδικού DNA από το περιβάλλον.
• Μεταγωγή :Η μεταφορά γίνεται από βακτηριοφάγους.

Το HGT που βασίζεται σε πλασμίδιο συμβάλλει:

• Διάδοση γονιδίων ανθεκτικότητας στα αντιβιοτικά
• Απόκτηση μολυσματικών χαρακτηριστικών σε παθογόνα
• Ταχεία προσαρμογή σε νέα περιβάλλοντα

Ασυμβατότητα πλασμιδίου και συντήρηση

Τα πλασμίδια ανήκουν σε ομάδες ασυμβατότητας (Inc) βασίζονται σε συστήματα ελέγχου αντιγραφής. Δύο πλασμίδια από την ίδια ομάδα Inc δεν μπορούν να συνυπάρχουν σε ένα κύτταρο, οδηγώντας σε απώλεια πλασμιδίου με την πάροδο των γενεών.

Οι μηχανισμοί που βοηθούν στη διατήρηση της παρουσίας πλασμιδίου περιλαμβάνουν:

• Συστήματα διαμερισμάτων :Οι πρωτεΐνες (π.χ. ParA/ParB) διασφαλίζουν τον σωστό διαχωρισμό των πλασμιδίων κατά τη διάρκεια της κυτταρικής διαίρεσης.
• Δολοφονία μετά τον διαχωρισμό :Τα συστήματα τοξινών-αντιτοξινών σκοτώνουν κύτταρα που χάνουν το πλασμίδιο.
• Συστήματα εθισμού :Τα πλασμίδια κωδικοποιούν τόσο μια σταθερή τοξίνη όσο και ένα λιγότερο σταθερό αντίδοτο. Τα κύτταρα χωρίς πλασμίδια πεθαίνουν λόγω της δράσης της τοξίνης.

Πραγματικά παραδείγματα φυσικών πλασμιδίων

Τα πλασμίδια παίζουν σημαντικούς ρόλους στη φύση:

Πλασμίδιο Οργανισμός ξενιστής Ρόλος πλασμίδιο F Ε. coli Σύζευξη και οριζόντια μεταφορά γονιδίωνR100 Shigella flexneri Πολυαντοχή σε φάρμακαπλασμίδιο Ti Agrobacterium tumefaciens Επαγωγή όγκου σε φυτά (χρησιμοποιείται σε γενετικά τροποποιημένες καλλιέργειες)pSym Ριζόβιο spp.Γονίδια δέσμευσης αζώτου για συμβίωση

Πλασμίδια εναντίον άλλων γενετικών στοιχείων

Ενώ τα πλασμίδια είναι μοναδικά ως προς την αντιγραφή και την αυτονομία τους, μπορούν να συγχέονται με άλλα στοιχεία:

• Πλασμίδια εναντίον τρανσποζονίων :Τα τρανσποζόνια είναι κινητές αλληλουχίες DNA που κινούνται μέσα στα γονιδιώματα και όχι σε ανεξάρτητους κύκλους DNA.
• Πλασμίδια εναντίον επισωμάτων :Τα επισώματα είναι πλασμίδια που μπορούν να ενσωματωθούν στο γονιδίωμα του ξενιστή.
• Πλασμίδια εναντίον ιών :Οι ιοί αναπαράγονται χρησιμοποιώντας μηχανήματα ξενιστή και συνήθως έχουν πρωτεϊνικές επικαλύψεις. τα πλασμίδια όχι.

Πώς οι επιστήμονες μελετούν τα πλασμίδια

Η έρευνα για τα πλασμίδια χρησιμοποιεί εργαλεία μοριακής βιολογίας όπως:

• Ηλεκτροφόρηση γέλης :Για τον προσδιορισμό του μεγέθους και της καθαρότητας του πλασμιδίου.
• Πέψη με ένζυμα περιορισμού :Για χαρτογράφηση και επαλήθευση κλωνοποιημένου DNA.
• Μεταμόρφωση :Εισαγωγή πλασμιδίων στα κύτταρα (π.χ. μέσω θερμικού σοκ ή ηλεκτροδιάτρησης).
• PCR και αλληλούχιση :Για αναγνώριση γονιδίων σε πλασμίδια.
• Δοκιμασίες από δημοσιογράφους :Για τη μελέτη της γονιδιακής έκφρασης χρησιμοποιώντας δείκτες φθορισμού ή φωταύγειας.

Χρήσεις πλασμιδίων

Τα πλασμίδια είναι απαραίτητα εργαλεία στη γενετική, τη βιοτεχνολογία και την ιατρική:

• Γονιδιακή κλωνοποίηση :Εισαγωγή και ενίσχυση γονιδίων ενδιαφέροντος.
• Έκφραση πρωτεΐνης :Παράγει ινσουλίνη, αυξητική ορμόνη, αντισώματα και ένζυμα.
• Γονιδιακή θεραπεία :Παροχή διορθωτικών γονιδίων σε ασθενείς.
• εμβόλια DNA :Κωδικοποίηση αντιγόνων για την τόνωση των ανοσολογικών αποκρίσεων.
• Συνθετική βιολογία :Σχεδιάζοντας τεχνητά γονιδιακά κυκλώματα.
• Βιοαισθητήρες και βιοαποκατάσταση :Ανίχνευση ρύπων ή τοξικών ουσιών αποδόμησης.

Τα πλασμίδια βοηθούν επίσης τους επιστήμονες να παρακολουθούν την αντοχή στα αντιβιοτικά και να παρακολουθούν τη μικροβιακή εξέλιξη.

Πίνακας μηχανικών πλασμιδίων και οι χρήσεις τους

Πλασμίδιο Προέλευση Κοινή χρήση pBR322SyntheticGene κλωνοποίηση, μελέτες αντοχής στα αντιβιοτικάpUC19Προέρχεται από pBR322High-copy cloning vectorpGLOΕκπαιδευτικό κιτ GFP Έκφραση για μαθητικά πειράματαspET seriesCommercialProtein έκφραση στο E. coli Η σειρά pGEXCommercial Παράγει πρωτεΐνες σύντηξης GST

Συχνές ερωτήσεις σχετικά με τα πλασμίδια

Βρίσκονται πλασμίδια στον άνθρωπο;
Όχι, τα πλασμίδια δεν υπάρχουν φυσικά στα ανθρώπινα κύτταρα. Ωστόσο, οι επιστήμονες μπορούν να εισάγουν πλασμίδια σε ανθρώπινα κύτταρα σε εργαστηριακό ή κλινικό περιβάλλον.

Πώς τα πλασμίδια μεταδίδουν την αντίσταση στα αντιβιοτικά;
Τα πλασμίδια συχνά φέρουν γονίδια αντίστασης και μπορούν να μετακινηθούν μεταξύ των βακτηρίων μέσω της σύζευξης, εξαπλώνοντας γρήγορα την αντίσταση.

Μπορούν να αφαιρεθούν τα πλασμίδια από τα κύτταρα;
Ναι, μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται σκλήρυνση, όπου το περιβαλλοντικό στρες ή οι χημικές ουσίες διακόπτουν την αναπαραγωγή του πλασμιδίου.

Ποια είναι η διαφορά μεταξύ ενός πλασμιδίου και ενός χρωμοσώματος;
Τα πλασμίδια είναι μικρότερα, μη απαραίτητα και κυκλικά. Τα χρωμοσώματα είναι μεγαλύτερα, απαραίτητα και συχνά γραμμικά στους ευκαρυώτες.

Πώς χρησιμοποιούνται τα πλασμίδια στα εμβόλια;
Πλασμίδια κατασκευασμένα για να εκφράζουν συγκεκριμένα αντιγόνα μπορούν να εγχυθούν ως εμβόλια DNA για να πυροδοτήσουν ανοσοαποκρίσεις.

Γλωσσάρι βασικών όρων

• Σύστημα εθισμού :Ένα σύστημα κωδικοποιημένο από πλασμίδιο που χρησιμοποιεί μια σταθερή τοξίνη και ένα ασταθές αντίδοτο για τη θανάτωση κυττάρων χωρίς πλασμίδια.
• Σύζευξη :Η μεταφορά DNA από ένα βακτήριο σε άλλο μέσω άμεσης επαφής.
• Αντιγραφή αριθμού :Ο αριθμός των αντιγράφων πλασμιδίου ανά κύτταρο.
• Επισώμα :Ένα πλασμίδιο που μπορεί να ενσωματωθεί στο γονιδίωμα του ξενιστή.
• Οριζόντια μεταφορά γονιδίων (HGT) :Μετακίνηση γονιδίων μεταξύ οργανισμών εκτός από την αναπαραγωγή.
• Ομάδα ασυμβατότητας (ομάδα Inc) :Ταξινόμηση βάσει μηχανισμών ελέγχου αντιγραφής πλασμιδίου.
• Προέλευση αντιγραφής (ori) :Αλληλουχία DNA όπου ξεκινά η αντιγραφή του πλασμιδίου.
• Πλασμίδιο: Εξωχρωμοσωμικό DNA που αντιγράφεται ανεξάρτητα από το χρωμοσωμικό DNA.
• Επιλέξιμος δείκτης :Ένα γονίδιο που επιτρέπει την ταυτοποίηση των κυττάρων που περιέχουν το πλασμίδιο.
• Σύστημα τοξινών-αντιτοξινών :Ένας μηχανισμός συντήρησης που εξαλείφει κύτταρα χωρίς πλασμίδια.
• Μεταμόρφωση :Πρόσληψη ξένου DNA από ένα κύτταρο.
• Transposon :Μια αλληλουχία DNA ικανή να κινείται μέσα σε ένα γονιδίωμα.

Αναφορές και περαιτέρω ανάγνωση

• Lederberg, J. (1952). «Κυτταρική γενετική και κληρονομική συμβίωση». Φυσιολογικές Ανασκοπήσεις . 32 (4):403–430. doi:10.1152/physrev.1952.32.4.403
• Lloyd, G.S.; Thomas, C.M. (2023). «Microbial Primer:Η λογική των βακτηριακών πλασμιδίων». Μικροβιολογία . 169 (7):001336. doi:10.1099/mic.0.001336
• Τάφρος, A.G.; Foster, J.W.; Spector, M.P. (2002). Μικροβιακή Φυσιολογία . Γουάι-Λις. ISBN 978-0-471-39483-9.
• Oliveira, P.H.; Prather, K.J.; Prazeres, D.M.; Monteiro, G.A. (2009). «Δομική αστάθεια των πλασμιδικών βιοφαρμακευτικών προϊόντων:προκλήσεις και επιπτώσεις». Τάσεις στη Βιοτεχνολογία. 27 (9):503–511. doi:10.1016/j.tibtech.2009.06.004
• Quandt, J.; Hynes, M.F. (1993). «Πολυδύναμοι φορείς αυτοκτονίας που επιτρέπουν την άμεση επιλογή για αντικατάσταση γονιδίου σε Gram-αρνητικά βακτήρια». Γονίδιο . 127 (1):15–21. doi:10.1016/0378-1119(93)90611-6