ГЕНЕТИКА МИКРООРГАНИЗМОВ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ И ИЗМЕНЧИВОСТЬ ВИДЫ ИЗМЕНЧИВОСТИ

ГЕНЕТИКА МИКРООРГАНИЗМОВ, НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ И ИЗМЕНЧИВОСТЬ. ВИДЫ ИЗМЕНЧИВОСТИ

Генетика – это наука о наследственности и изменчивости организмов. Задачи генетики – изучение и анализ законов передачи наследственных признаков от поколения к поколению, а также выяснение механизмов, обеспечивающих наследование • Наследственность – это способность живых организмов воспроизводить одни и те же или сходные морфологические, физиологические и биологические свойства в ряду поколений в результате передачи материальных задатков (генов) от родителей к потомкам. • Изменчивость – передающееся по наследству изменение специфических свойств живых организмов под влиянием различных факторов.

• • Бактерии — удобная модель для генетических исследований. Их отличает: относительная простота строения генома, позволяющая быстро выявлять мутанты гаплоидность половая дифференциация в виде донорских и реципиентных клеток; наличие обособленных и интегрированных фрагментов ДНК лёгкость культивирования; быстрота размножения; возможность получения популяций;

Особенности генетической системы бактерий • У бактерий в естественных условиях передача генетической информации происходит не только по вертикали, т. е. от родительской клетки дочерним, но и по горизонтали с помощью различных механизмов: конъюгации, трансдукции, трансформации. • Содержание ДНК у бактерий зависит от условий их роста: при благоприятных условиях оно возрастает до величин, соответствующих массе нескольких хромосом. Это уникальное свойство бактериального генома

Как и у других организмов, совокупность генов бактериальной клетки — генотип — определяет её свойства и признаки.

ГЕНОТИП БАКТЕРИЙ Генотип бактерий – совокупность всех наследственных факторов: • ядерных – хромосомных – (геном) • неядерных - внехромосомных – Генотип – носитель наследственной информации, передаваемой из поколения в поколение.

ГЕНОМ ПРОКАРИОТОВ Геном – это совокупность всех ядерных (хромосомных) наследственных факторов прокариот. Основная функция генома - обеспечить жизнедеятельность клеток, тканей и органов и передать информацию о наследственных свойствах организма следующему поколению. Геномы прокариот и эукариот имеют некоторые сходство, но есть между ними и принципиальные различия.

Прокариотический геном состоит из генов и примыкающих к ним регуляторных элементов. Обычно имеется одна замкнутая кольцевидная двухцепочечная, суперспирализованная хромосома. Она расположена в цитоплазме в виде клубка, называемого нуклеоидом Содержит до 4000 отдельных генов, до 5*106 пар оснований. Нуклеоид не отделен от цитоплазмы ядерной мембраной. В нуклеоиде может содержаться несколько копий ДНК. Плотность генов в геноме прокариот значительно выше, чем в геноме эукариот. Петли в центре нуклеоида объединяются за счет связывания ДНК с сердцевинной структурой.

Плазмиды Небольшие, кольцевые или линейные фрагменты ДНК, несущие от 40 до 50 генов(3 -5 тыс. нуклеотидов). (иногда - от 2 -3 до миллиона генов) Выделяют автономные (не связанные с хромосомой бактерии) и интегрированные (встроенные в хромосому) плазмиды. Некоторые учёные относят плазмиды к особому типу безоболочечных паразитических организмов, сходных с вирусами-профагами.

Разновидности плазмид 1. По расположению: Автономные плазмиды существуют в цитоплазме бактерий и способны самостоятельно репродуцироваться; в клетке может присутствовать несколько их копий. Интегрированные плазмиды репродуцируются одновременно с бактериальной хромосомой

2. По способности передачи: трансмиссивные (например, F- или R-плазмиды), способные передаваться посредством конъюгации, и нетрансмиссивные.

3. По функциональности: • Плазмиды бактериоциногении - кодируют синтез бактериоцинов — белковых продуктов, вызывающих гибель бактерий того же или близких видов. • Плазмиды патогенности - контролируют вирулентные свойства многих видов, особенно энтеробактерий. • Плазмиды биодеградации - кодируют ферменты деградации природных (мочевина, углеводы) и неприродных (толуол, камфора, нафталин) соединений, необходимых для использования в качестве источников углерода или энергии. • Скрытые плазмиды(криптические) - не содержат генов, которые можно было бы обнаружить по их фенотипическому проявлению.

• F-плазмиды - контролируют синтез F-пилей [от англ. fertility, плодовитость], способствующих спариванию бактерийдоноров (F+) с бактериями-реципиентами (F"). F-плазмиды могут быть автономными и интегрированными. • R-плазмиды [от англ. resistance, устойчивость] кодируют устойчивость к лекарственным препаратам (например, к антибиотикам и сульфаниламидам

Репликация плазмид Плазмиды могут быть прикреплены к мезосомам, могут находиться в автономном состоянии и в интегрированном состоянии. Одна и та же плазмида может включаться в состав хромосомы и может вырезаться из нее. Существуют плазмиды, представленные одной копией – они реплицируются синхронно с ДНК бактериальной хромосомы. Другие плазмиды могут быть представлены многими копиями, и их репликация происходит независимо от репликации бактериальной хромосомы. Репликация свободных плазмид часто протекает по принципу «катящегося кольца» – с одной кольцевой матрицы ДНК считывается «бесконечная» копия.

Автономная репликация плазмид (1); репликация плазмид в составе бактериальной хромосомы (2)

Генетический аппарат бактерий У геномов различных бактерий есть особенности. Некоторые виды (например, Brucella melitensis) стабильно содержат две кольцевые хромосомы, другие (Leptospira interrogans) — одну кольцевую хромосому и одну большую плазмиду, третьи — одну линейную хромосому (Streptomyces ambofaciens), то есть обладают сложными геномами.

МИГРИРУЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ • Транспозоны и IS-элементы – линейные молекулы двухнитиевой ДНК, размеры которых – от 200 до 6000 пар нуклеотидов; • Отличительная особенность мигрирующих элементов – неспособность к автономной репликации; они встраиваются в разные участки бактериальной хромосомы или мигрируют с хромосомы на плазмиду. • Ответственны за проявление мутаций.

Транспозоны - подвижные генетические элементы – представляют собой автономные единицы, несущие в нуклеотидной последовательности информацию о структуре особых белков, которые обеспечивают их способность к перемещению из одного участка генома в другой. Такое перемещение - траспозиция - может происходить в строго определенные участки хромосом, узнаваемые этими специфическими белками. Транспозиция предполагает репликацию нуклеотидной последовательности подвижного генетического элемента и встраивание копии в ДНК с сохранением другой копии в прежнем месте. Установлена способность подвижных генетических элементов к точному вырезанию и удалению их из хромосомы. Перемещение таких нуклеотидных последовательностей в пределах генома может влиять на регуляцию экспрессии (проявления) генов, которые прилежат к месту встраивания этих элементов. В результате таких перемещений могут активироваться ранее не активные гены, и наоборот.

Инсерционные последовательности (IS) • Инсерционные последовательности (IS) — наиболее простые мобильные элементы. Частота их встраивания (КИ-Ю-7) сравнима с частотой спонтанных мутаций. Размеры IS-элементов относительно невелики - не более 1500 п. н. При перемещении IS исходный элемент остается на прежнем месте, а реплицированная копия встраивается в новый локус. • В IS-элементах есть кодоны-инициаторы, терминаторы, а также промоторные участки, которые могут влиять на экспрессию (проявление) не только своих, но и рядом расположенных генов.

ФЕНОТИП БАКТЕРИЙ • Фенотип – проявление наследуемых морфологических признаков и физиологических процессов у индивидуумов, микроорганизмов • Фенотипическая изменчивость – это фенотипические, внешние различия между микроорганизмами, одинаковыми по генотипу

ИЗМЕНЧИВОСТЬ БАКТЕРИЙ 1. Фенотипическая изменчивость - внешние, фенотипические различия между микроорганизмами, одинаковыми по генотипу – (модификации или фенотипические адаптации): • Не передаются по наследству; • Существуют до тех пор, пока действует вызвавший их фактор окружающей среды; Это адаптивная реакция на внешние раздражители; Задача модификации обеспечить выживаемость микробной популяции условиях

Появление нитевидных структур при добавлении к культуре клостридий стрептомицина

Феномен диссоциации у бактерий «dissociacio» - разъединение Одна из форм культуральной изменчивости, возникновение: S- формы (англ. «smooth» - гладкий) R-формы ( англ. «rough» – шероховатый) O- и M- формы – переходная и слизистая

2. Генотипическая изменчивость бактерий Мутации (mutatio – изменение) внезапные, скачкообразные изменения наследственных свойств • В основе – качественные или количественные изменения последовательности нуклеотидов в ДНК. • Мутанты – бактерии с наследственно измененными свойствами • Мутагены – экзогенные (внешние) факторы, вызывающие мутации - физические (УФЛ, рентгеновские лучи и т. д. ); химические (2 -аминопурин, азотистая кислота и т. д. ); биологические (транспозоны).

Мутации бактерий • Спонтанные мутации – самопроизвольные ауксотрофность – утрата способности синтезировать какую-либо аминокислоту отсутствие патогенности – утрата способности синтезировать токсины • Индуцированные (направленные) мутации – появляющиеся в результате обработки микроорганизмов специальными мутагенами

В ходе споруляции у бактерий Bacillus subtilisв норме всегда образуется по одной споре в каждой клетке, другие варианты не встречаются (вверху; споры окрашены зеленым цветом). У мутантов с дестабилизированным механизмом споруляции (внизу) возможно несколько альтернативных вариантов: 1) нормальная споруляция (оранжевая стрелка), 2) прекращение начавшейся споруляции (сиреневая стрелка), 3) неудачная (приводящая к гибели) попытка образования двух спор в одной материнской клетке (желтая стрелка), 4) успешное формирование двух спорблизнецов (зеленая стрелка).

Разновидности мутаций • По протяженности повреждений мутации бывают точечными (повреждена 1 пара нуклеотидов) и протяженными (аберрации). • Мутации разделяют на хромосомные (при изменении 2 -х и более участков хромосомы) и генные (при изменении гена). • Генные мутации подразделяют на категории: Модификация оснований (изменения отдельных нуклеотидов) Делеция (выпаденя нескольких пар нуклеотидов) Транспозиция (перемещения нескольких пар нуклеотидов по хромосоме) Инсерция (разрыв путем вставеки посторонней ДНК) Дупликация (добавление нуклеотидных пар) Деформация спирали ДНК.

Система репарации • Система репарации – совокупность биохимических механизмов, способных полностью или частично восстанавливать структуру ДНК, т. е. коррекция дефектов ДНК. • РЕВЕРСИЯ – обратная мутация (истинная и вторичная супрессорная). Механизм реверсии - световая репарация или фотореактивация под действием УФЛ. Действуют ферменты фотолиаза, ДНК-гликозилаза и др. • ЭКСЦИЗИЯ – выпадение повреждений с последующим восстановлением исходной структуры. Основана на реосинтезе нуклеотидной цепи на базе неповрежденной матрицы. Действуют ферменты эндонуклеаза (распознаёт место повреждения и расщепляет цепь ДНК вблизи дефекта) и ДНК-полимераза (встраивает отсутствующие «правильные» нуклеотиды).

Генетические рекомбинации – это взаимодействие между двумя геномами, которое приводи к образованию рекомбинаций (пересортировке) ДНК и формированию дочернего генома, сочетающего гены обоих родителей.

1. Трансформация (преобразование, перестройка) – изменение генома бактерии-реципиента путем поглощения из окружающей среды свободного фрагмента ДНК клеткидонора (Опыт Ф. Гриффитса с культурами пневмококков)

• 2. Трансдукция – изменение генома бактериальной клетки с помощью вирусовбактериофагов. Три вида трансдукции: • общая (неспецифическая) –дефектные фаги • специфическая • абортивная

• 3. Конъюгация (спаривание) – передача генетического материала клетки-донора клетке –геципиенту при непосредственном контакте. • Конъюгировать способны бактериальные клетки, обладающие половым фактором F • (Fertiliti – плодовитость, англ) • Фактор F обеспечивается наличием плазмид

Конъюгация у бактерий • Конъюгирующие E. coli