Кафедра микробиологии и вирусологии Ив. ГМА профессор, д.

Кафедра микробиологии и вирусологии Ив. ГМА профессор, д. б. н. Кузнецов О. Ю. Генетика микробов. Наследственность и изменчивость микробов 2008©

Всякое живое существо по большинству своих Мы тоже похожи на своих родителей признаков сходно со своими предками

n Сохранение специфических свойств, т. е. постоянство признаков в ряду поколений называют наследственностью. n Изучением передачи закономерностей их занимается генетика. n У микроорганизмов (кроме вирусов) также, как и у высших организмов, носителями генетической информации служит ДНК. признаков и наследования

Генотип – совокупность свойств микроорганизмов, детерминированных последовательностью генов Фенотип – проявление генотипа в конкретных условиях окружающей среды

Изменчивость микромира аналогична макроорганизмам «Все, что справедливо для слона - справедливо для кишечной палочки, только в большей степени!» (справедливая шутка генетиков-микробиологов) «Ничто человеческое микробам не чуждо…» «Микробы тоже любят музыку, хотя точно это пока не доказано…» «Микробы тоже хотят жить, но их об этом точно не спрашивают…» (другие шутки микробиологов)

Ненаследуемая изменчивость фенотипическая изменчивость бактерий (модификация) Диссоциация (расщепление) признаков n n I. S M R; O H II. L - формы бактерий (потеря клеточной стенки с сохранением всех других свойств под воздействием антибиотиков, бактериофагов и т. д. ) Способны реверсировать в исходное состояние, когда действие фактора прекращается. Значение – плавный уход от действующего фактора без изменения наследственной информации. Биологический смысл – сохранение стабильности генетической информации без ее кардинальной перестройки

Постоянство признаков 1. 2. 3. 4. Наследственность – постоянство признаков в ряду поколений. Генетическая информация – в структуре ДНК. Полуконсервативный тип наследования молекулы ДНК Один ген – один фермент ( каждый структурный ген кодирует определенную полипептидную цепь).

Изменение признаков n Мутации (mutacio – изменение) скачкообразное изменение свойств за счет действия неизвестных или известных факторов внешней среды на молекулу ДНК. n Мутации подразделяются на: 1. Спонтанные 2. Индуцированные

Спонтанные мутации: n n n причины: - случайные ошибки при репликации ДНК Влияние мутагенного поля Земли Действие космических факторов Частота: 10 -8 – 10 -9 «Молчащие мутации» не проявляются в фенотипе «Обратные мутации» – повторные мутации, восстанавливающие утраченные свойства (признаки).

Индуцированные мутации – искусственно вызваны мутагенами физической или химической природы Частота: 10 -4 – 10 -6 n n Физические мутагены: = гамма – лучи = рентгеновы лучи = УФ – лучи Химические мутагены (десятки тысяч): = галлоиды, азотистая кислота = лекарственные вещества, например ремантадин и др. = «биологические мутагены» - вирусы

Виды мутаций: 1. Точечные = замена пар оснований 2. Включение дополнительной ( «сдвиг рамки» ) 3. Основания перемещены (транспозиция), разорваны (инсерция) или утрачены (делеция). 4. Транспозоновые ( «прыгающие гены» ), когда нарушена последовательность нуклеотидов внедрением данных генов в молекулу ДНК. пары оснований

Проявление мутаций: n n n Летальные мутации Ауксотрофные мутанты Мутанты, резистентные к антибиотикам, чувствительные к температуре и т. д. Практическое использование: 1. Селекция штаммов с полезными свойствами: 2. антибиотики, ферменты и пр. 3. 2. Вакцинные штаммы ( БЦЖ, туляремийная вакцина и др. ) 4. 3. Использование в космической микробиологии для определения радиационных зон космоса

Гибридизация – любые формы обмена генетической информацией Гибридизация: n Трансформация n Трансдукция n Коньюгация: 1. 2. 3. Без рекомбинации С рекомбинацией Рекомбинация

Трансформация В 1928 г. Гриффитс описал превращение бескапсульного R-штамма Streptococcus pneumoniae в штамм, образующий капсулу, т. е. в S -форму S-форма - убитые клетки niae umo м pne ccus (!) штам oco trept льный тура S у ь Капс вая кул а) жи орм (S-ф R-форма - живые клетки

n n n n Природу «трансформирующего фактора» удалось установить Эвери, Мак-Леоду и Мак-Карти в 1944 г. Оказалось, что этим фактором является ДНК. Трансформировать удается только те бактерии, в клетки которых может проникать высокомолекулярная двухцепочечная, т. е. интактная, ДНК. Для трансформации требуются чрезвычайно малые концентрации ДНК: 0. 1 мкг / мл суспензии клетокреципиентов. Их называют компетентными клетками, их доля составляет максимально 15%. Компетенция – способность клеток поглощать чужую свободную ДНК. Компетенция зависит от физиологического состояния популяции клеток. Наиболее высока она в середине фазы экспоненциального роста, а затем быстро снижается до минимума.

Трансдукция - передача признаков путем переноса фрагментов ДНК от клетки донора в клетку реципиента с помощью бактериофага. n n Открыта в 1952 г. Ледербергом. Может быть в следующих разновидностях: 1. Общая трансдукция - бактериофаг может переносить любой ген либо набор генов и данная генетическая информация может встраиваться в любое место генома бактерии. 2. Специфическая трансдукция – бактериофаг может переносить только определенную генетическую информацию, которая должна встраиваться только в определенное место генома бактерии. 3. Абортивная трансдукция – бактериофаг привносит новую информацию, но она остается в цитоплазме в виде плазмиды и может быть утеряна в ходе деления клетки. (например, жгутикообразование).

Конъюгация – передача признаков путем переноса чужой ДНК по типу полового процесса n n Открыта в 1946 г. Ледербергом Формы: 1. 2. 3. Конъюгация без рекомбинации - передаются плазмиды F; Конъюгация с рекомбинацией - передаются плазмиды F´; Рекомбинации – передаются участки генома при участии плазмиды – «эписомы»

Плазмиды - внехромосомные генетические структуры бактерий, существуют автономно (не связаны с геномом) n n n Внехромосомные факторы наследственности Кольцевая структура ДНК, находится в цитоплазме клетки, т. е. существуют автономно, не связаны с геномом клетки (разновидность: эписомы, которые объединены с геномом бактерии – процесс обратим) Переносятся от клетки к клетке, несут разную информацию Бывают конъюгативными и неконъюгативными Разновидность – эписомы, которые объединены с геномом бактерии (процесс обратим)

Структура плазмид 1. Векторный Содержит гены, ответственные за способность переносить плазмиды от одной клетки к другой, содержит гены ворсинок (пилей) 3. «Молчащий» Три сектора: 2. Соматический ДНК до 100 Может не содержать генов или содержать разный набор генов Содержит гены специфической гомологии

Свойства плазмид n Автономная репродукция в клетке бактерии n Обмен генами друг с другом n Интеграция с геномом бактерии (эписома) n Не являются жизненно необходимыми Обнаруживаются: в электронный микроскоп ультрацентрифугированием электрофорезом

1. Конъюгация без рекомбинации – передаются плазмиды F (соматический сектор пуст) F+ Донор (мужская) F- Реципиент (женская) F – фактор фертильности (плодовитости) F+ Донор от fertility - плодовитость

Конъюгация с рекомбинацией – передаются плазмиды F' (соматический сектор cодержит различные гены) F' Донор F- Реципиент F' Донор с набором свойств Набор генов соматического сектора определяет набор новых свойств (признаков) бактерий

Плазмиды F' n n R – устойчивость к антибиотику RTF – множественная устойчивость к антибиотикам и сульфамидам. col – бактериоциногенность vir – вирулентность ( экзотоксины, устойчивость к фагоцитозу и др. ) Криптические плазмиды (скрытые) ничем не проявляют себя, находясь ( и реплицируясь) в клетках бактерий.

Рекомбинации осуществляют клетки доноры Hfr, имеющие эписомный фактор. Hfr F- 100 минут Донор Реципиент Донор Рекомбинант = = путем усвоения генных участков проникшего генома приобретает свойства клетки Hfr

Способом рекомбинаций можно детально изучить локализацию генов (признаков) на генной (хромосомной) карте бактерий Генетическая карта E. coli изучена практически на 100% Все виды передачи признаков: n поддерживают и обновляют генетический фонд прокариотов n являются методическим фундаментом генной инженерии

Спасибо за внимание! ВСЁ