Генетика микроорганизмов

Генетика микроорганизмов

генетика • Наука о наследственности и изменчивости. • Наследственность характеризует сохранение постоянства свойств вида в поколении, т. е. воспроизведение себе подобных. • Изменчивость – различия в свойствах одного вида.

• Существование генов как дискретных единиц наследственности было установлено в 1865 г. Г. Менделем. • В 1869 г. Ф. Мишер впервые выделил ДНК. Сразу не были определены функции ДНК и только через 80 лет было установлено, что носителями генов является нуклеиновая кислота, а не белок. • В 1828 году Ф. Гриффиттс впервые осуществил трансформацию невирулентных пневмококков в вирулентные. • В 1944 г. была осуществлена трансформация бескапсульных пневмококков в капсульные in vitro.

• В 1953 г. Ф. Крик и Д. Уотсон определили структуру гена, основанную на двойной спирали ДНК. Это позволило понять, каким образом ген выполняет три свои фундаментальные функции: 1. непрерывность наследственности – за счет механизма репликации ДНК. 2. управление структурами и функциями организма – с помощью генетического кода. 3. эволюция организмов – благодаря мутациям и генетическим рекомбинациям. • 1966 г. – расшифрован генетический код.

Генетическая система бактерий • Генетическая система бактерий обладает уникальными свойствами, обусловленными двунитчатой структурой молекулы ДНК. Эти свойства заключаются в способности генетической системы: • к самоудвоению с помощью механизма саморепликации; • к самообновлению с помощью мутаций; • самозащите с помощью механизмов ревизии, репарации. • Все эти функции контролируются специальными собственными генами соответствующей генетической системы.

• Ген – универсальная организующая структурная единица живой материи, которая обеспечивает единство и многообразие всех форм существования жизни, ее непрерывность и эволюцию. Ген – носитель и хранитель жизни, а его белок определяет способ и форму существования жизни.

• Любой объект природы, имеющий набор собственных генов, следует рассматривать как живой организм. • Главным критерием , отличающим живое от неживого, является наличие у живого собственной генетической системы.

Генетической система - совокупность всех генов данного вида живого существа. « геном» - совокупность нуклеотидов, содержащихся в хромосоме или в наборе хромосом. Генотип – совокупность имеющихся у данного существа индивидуальных генов, представленных нуклеоидом и обусловливающих наследственные свойства клетки.

Особенности генетики бактерий • Хромосомы располагаются свободно в цитоплазме. • Содержание ДНК у бактерий непостоянно. • У бактерий передача генетического материала идет не только по вертикали ( от родительской клетки к дочерней), но и по горизонтали с помощью процессов конъюгации, трансдукции, трансформации. • У бактерий кроме хромосомного генома имеется плазмидный, который наделяет клетку важными биологическими свойствами.

Генетическая система бактерий • Ядерные структуры; • Внеядерные структуры.

• Молекула ДНК построена из двух полинуклеотидных цепочек. • Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара, дезоксирибозы и фосфатной группы. Азотистые основания представлены пуринами (аденин, гуанин) и пиримидинами (тимин, цитозин). • Нуклеотиды соединяются в полинуклеотидную цепочку. Соединение между цепочками обеспечивается водородными связями комплементарных азотистых оснований: аденина с тимином, гуанина с цитозином.

• Наследственная информация у бактерий хранится в форме последовательности нуклеотидов ДНК, которая определяет последовательность аминокислотных остатков в молекуле белка. • Каждому белку соответствует свой ген. Бактериальная хромосома содержит до 4000 отдельных генов. • Совокупность всех генов называется геномом. Внешнее проявление генома называется фенотипом. • Бактериальная клетка гаплоидна и удвоение хромосомы сопровождается делением клетки.

Внеядерные структуры • Плазмиды; • транспозоны; • инсерционные (вставочные) последовательности (Is). • ПЛАЗМИДЫ могут находиться автономно в цитоплазме или могут быть встроены в хромосому. Транспозоны и Is- последовательности во всех случаях связаны с хромосомой и не способны к самостоятельной репликации.

плазмиды • Двунитевые молекулы ДНК, несущие от 40 – 50 генов. Их количество – от 1 до 200. • Выделяют эписомы и интегрированные плазмиды. Эписомы представляют отдельную замкнутую молекулу ДНК. Интегрированные плазмиды встроены в хромосому бактерии.

Функции плазмид • Регуляторные функции направлены на компенсацию метаболистических дефектов. • Кодирующие функции направлены на внесение в бактерию информации о новых признаках

Классификация плазмид • F- плазмиды; • R- плазмиды; • Col – плазмиды; • Плазмиды патогенности; • Конъюгативные плазмиды.

• F- плазмиды (F-факторы) – (циркуляторно замкнутая нить ДНК) индуцируют деление бактерий за счет удвоения ДНК плазмид, т. е. увеличивают плодовитость. Контролируют синтез половых ворсинок, которые способствуют эффективному спариванию бактерий доноров с реципиентными клетками при конъюгации. Интегрированные F- плазмиды (Hfr- плазмиды) осуществляют перенос части генетической информации, данной хромосомы в другую клетку. • Col – плазмиды – кодируют синтез колицинов (белков) , способных вызывать гибель чувствительных бактерий собственного вида или близкородственных. • Плазмиды патогенности контролируют патогенные свойства бактерий, детерминируя синтез факторов патогенности. Так Ent – плазмиды – определяют синтез энтеротоксинов, Hly- плазмиды – синтез гемолизинов.

• R- плазмиды (R – факторы) – детерминируют устойчивость к лекарственным препаратам. R- плазмиды содержат гены , детерминирующие синтез ферментов, разрушающих антибактериальные препараты. В результате бактериальная клетка становиться устойчивой к целой группе лекарственных веществ. Многие R- плазмиды являются трансмиссивными и, распространяясь в популяции бактерий, переносят резистентность к антибактериальным препаратам. Передача R- плазмид привела к широкому распространению антибиотикорезистентных штаммов и осложнению их химиотерапии.

транспозоны • Сегменты ДНК, состоящие из вставочных последовательностей и структурных генов, обеспечивающих синтез молекул со специфическими биологическими свойствами (токсичность, устойчивость к антибиотикам и др. ) не способны к самостоятельной репликации и размножаются только в составе бактериальной хромосомы.

транспозоны • выполняют регуляторную и кодирующую функции. В частности они могут нести информацию для синтеза бактериальных токсинов и ферментов, разрушающих или модифицирующих антибиотики.

Инсерционные последовательности • Участки ДНК, способные перемещаться из одного места в другое (подвижны) и содержат только гены необходимые для перемещения. Осуществляют координацию взаимодействий плазмид, умеренных фагов, транспозонов и нуклеоида для обеспечения репродукции, регулируют активность генов бактериальной клетки.

Особенности репликации бактериальной ДНК • Вегетативная репликация обусловливает передачу генетического материала по вертикали, т. е. по наследству – от родительской клетки дочерним и контролируется хромосомными и плазмидными генами. • Конъюгативная – осуществляется при конъюгативном способе передачи генетического материала и контролируется только плазмидными генами. • Репаративная – осуществляет устранения из ДНК структурных повреждений и заключительный этап генетической рекомбинации. Эти процессы контролируются хромосомными и плазмидными генами. • Стабильная репликация – происходит независимо от наличия или отсутствия синтеза белка.

Репликация бактериальной ДНК • раскручивание нитей; • разделение нитей; • стабилизация однонитевых участков; • формирование праймосомы – комплекс, в который входят фермент ДНК-праймаза и белки; • синтез затравочной РНК с участием ДНК-праймазы. Затравочная РНК необходима для синтеза каждого сегмента, т. к. сама ДНК- полимераза не способна инициировать синтез ДНК. Роль затравки выполняют короткие фрагменты РНК, комплементарные ДНК матрице; • синтез сегмента; • вырезание затравочной РНК и замещение ее дизоксирибонуклеотидами, комплементарными ДНК-матрице. • сшивание сегмента с предшествующей ДНК ферментом лигазой; • суперспирализация синтезированных участков ДНК; • ревизия ДНК-полимеразой вновь синтезированного фрагмента ДНК на предмет ошибочного включения нуклеотидов. Если произошла ошибка, то ошибочный нуклеотид вырезается и брешь заполняется правильным нуклеотидом.

модификации • Модификации - фенотипические различия между организмами , одинаковыми по генотипу. • Различают генотипическую (наследственную) и модификационную (ненаследственную или фенотипическую) изменчивость.

Форма мутационной изменчивости • R-S - диссоциация Возникает спонтанно вследствие образования двух форм бактериальных клеток, различающихся характером колоний. Процесс диссоциации чаще протекает от S типа к R колониям , иногда через промежуточные стадии образования слизистых колоний. Обратный переход наблюдается реже. В процессе диссоциации меняются не только морфологические, но и биохимические, антигенные и др. свойства.

Механизмы репарации мутаций у бактерий • В клетке имеются механизмы, которые способны полностью или частично восстанавливать исходную структуру поврежденной ДНК. • Совокупность ферментов, катализирующих реакции поврежденной ДНК, объединяют в системы репарации.

• Системы репарации включают 3 основных направления коррекции дефектов ДНК: 1. Реверсия от поврежденной ДНК к исходной структуре. 2. Выпадение повреждений с последующим восстановлением исходной структуры. 3. Активация механизмов, обеспечивающих устойчивость к повреждениям.

Генетические рекомбинации • Обусловлены изменениями в последовательности и сцепленности генов или частей генов и осуществляется при процессах трансформации, трансдукции и конъюгациии.

трансформация • Изменение свойств бактериальной клетки при непосредственной передаче генетического материала (фрагмента ДНК) от донора реципиенту.

Стадии трансформации • Адсорбция и восприятие реципиентами фрагмента двунитчатой ДНК донора; • Распад ДНК: одна нить разрушается, вторая – участвует в последующих фазах: 1. интеграция ДНК в хромосому рецепиента; 2. размножение трансформированного клона клеток, потомство которых будет иметь измененный ген.

Рекомбинации (трансформация, трансдукция, конъюгация) Трансформация Опыты Ф. Гриффитса по трансформации Влияние на Культура Капсула Вирулентность мышей Убитая + Живые Живая - Живые Рекомбинан т (живая) + Смерть Механизм ДНК Реципиент донор Внедрение в реципиент Рекомбинант

трансдукция • Передача генетического материала от одних бактерий другим с помощью фагов. • Открыта Н. Циндером и Дж. Ледербергом в 1951 г. • Специфическая, неспецифическая и абортивная.

Неспецифическая трансдукция • В клетки реципиента вместе с фаговой ДНК могут быть перенесены любые гены донора. Они способны включаться в гомологичную область ДНК клетки реципиента. • Т. о. при неспецифической трансдукции фаги являются пассивными переносчиками генетического материала от одних бактерий к другим, поскольку фаговая ДНК не участвует в образовании рекомбинантов.

• Фаг может трансдуцировать различные признаки : определяющие ферментативные свойства, синтез АМК, устойчивость к антибиотикам, наличие жгутиков. • Поступающие в бактерию-реципиент фрагменты хромосомы донора участвуют в генетической рекомбинации, включаясь в геном реципиента.

Специфическая трансдукция • Заключается в передаче гена, локализованного на хромосоме бактерии – донора рядом с фагом. • Обеспечивается фагами, несущими фрагменты бактериальной хромосомы в своем собственном геноме. • Это связано с тем, что образование трансдуцирующего фага происходит путем выщепления профага из бактериальной хромосомы вместе с генами, расположенными на хромосоме клетки донора.

Абортивная трансдукция • Фрагмент ДНК бактерии донора не включается в хромосому реципиента и располагается в цитоплазме. • Наследуется однолинейно и может утрачиваться в потомстве.

Конъюгация • Перенос генетического материала из клетки донора в клетку реципиента при их скрещивании. Процесс открыт в 1946 г. Д. Ледербергом. Процесс происходит только в одном направлении: донор – реципиент. • Способность к конъюгации связана с половым фактором F, представляющим молекулу ДНК.

конъюгация • Донорами генетического материала являются клетки несущие F+ плазмиду. Клетки не имеющие этой плазмиды являются реципиентами (F- ). При скрещивании половой фактор передается от хромосомы донора с высокой частотой и клетки реципиенты становятся F+.

• Этапы конъюгации: 1. прикрепление клетки донора к реципиенту с помощью половых ворсинок. 2. образование конъюгационного мостика, через который передается F-фактор. Для переноса бактериальной хромосомы необходим разрыв одной из цепей ДНК, который происходит в месте включения F- плазмиды. Проксимальный конец ДНК через мостик проникает в клетку реципиента и сразу достраивается до двунитевой структуры. Нить ДНК в клетке донора является матрицей для синтеза второй нити ДНК.

конъюгация • Бактерии, передающие при конъюгации фрагменты бактериальной хромосомы называются бактериями с высокой частотой рекомбинации – Hfr.

• Генетика вирусов

модификации • Фенотипические (ненаследуемые) изменения вирусов обусловлены особенностями клетки хозяина. • Меняется состав оболочек вириона, что связано с включением компонентов клетки хозяина, в которой происходит репродукция.

мутации • Спонтанные мутации возникают во время репликации нуклеиновых кислот. • Индуцированные мутации возникают под действием мутагенов на внеклеточную и внутриклеточную формы вирусов. • Проявляются в изменении свойств (антигенные, чувствительность к температуре, строение бляшек).

рекомбинации • Обмен генами между двумя или более вирусами. В результате образуются рекомбинанты, содержащие гены родителей. • Рекомбинации между РНК-вирусами происходят редко (вирус гриппа).

Генетическая реактивация • Перераспределение генов происходит когда у двух родственных вирусов инактивированы разные гены. • При скрещивании могут образовываться полноценные вирусные частицы.

Генная инженерия • Раздел генетики, разрабатывающий методы получения организмов со смешанными геномами. • Введение генетической информации одного вида бактерий другому. • Используется генетический материал пдазмид, умеренные фаги.

Изменение свойств бактерий при помощи генной инженерии Клетки Выделение Действие эндонуклеазы полинуклео- (разрезание) тидлигазы ДНК (сшивание) плазмиды Вектор (плазмида) ДНК нуклеотида ДНК Нужный ген

Изменение свойств бактерий при помощи генной инженерии Гибрид Трансформация Сшивание ДНК E. coli Рекомбинант