ЛЕКЦИЯ 3 ГЕНЕТИКА МИКРООРГАНИЗМОВ ГЕНЕТИКА ОБЛАСТЬ

ЛЕКЦИЯ 3

ГЕНЕТИКА МИКРООРГАНИЗМОВ ГЕНЕТИКА – ОБЛАСТЬ БИОЛОГИИ, ИЗУЧАЮЩАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ И ИЗМЕНЧИВОСТЬ ЖИВОГО ОРГАНИЗМА. МЕДИЦИНСКАЯ ГЕНЕТИКА изучает наследственность и изменчивость человека. МИКРОБИОЛОГИЧЕСКАЯ ГЕНЕТИКА изучает наследственность и изменчивость микроорганизмов. Три составляющих генетики: 1. Сходство признаков потомков и родителей. 2. Отличие некоторых, иногда многих, признаков потомков от родителей. 3. Возникновение у потомков признаков, которые были у далёких предков.

Исторические сведения 1865 г. Мендель разработал основные законы генетики. 1906 г. Бэтсон предложил термин «генетика» . 1909 г. Бэтсон, Иогансон ввели в литературу понятия: ген, генотип, фенотип. 1910 -1925 гг. Морган разработал хромосомную теорию. 1925 г. Надсон, Филлипов установили мутагенное действие рентгеновских лучей на дрожжи. 1944 г. (американские генетики О. Т. Эйвери, К. Мак-Леод и М. Маккарти). – экпериментально доказали, что материальным носителем наследственности служит дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) 40 -е гг Дж. У. Бидл и Э. Л. Тейтем, США) установили очень важное положения: один ген - один фермент 40 -е гг американские генетики С. Лурия и М. Дельбрюк показали на кишечной палочке (Escherichia coli), что и бактерии подчиняются мутационным закономерностям. 1946 г был открыт половой процесс у бактерий (конъюгация) 1953 г. Ватсон, Крик раскрыли химическую структуру гена, код, репликацию, трансдукцию.

ОСНОВНЫЕ ЯВЛЕНИЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ Сходство признаков потомков с родителями Отличие некоторых признаков потомков от родителей Сходство признаков потомков с отдалёнными предками НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ Строение тела Свойство запоминать информацию от предков для воспроизведения её у потомков Характер обмена веществ в организме Характер взаимодействия с внешней средой

МАТЕРИАЛЬНАЯ ОСНОВА ГЕНЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА НУКЛЕИНОВАЯ КИСЛОТА ДНК Эукариоты РНК Прокариоты Двунитчатая Линейная Кольцевая Хромосомная Плазмиды IS-последовательности (800 -2000 пар нуклеотидов) Вирусы Двунитчатая Однонитчатая Непрерывная, фрагментированная, линейная, кольцевая Внехромосомная Мигрирующие генетические элементы Транспозоны (2000 -7000 пар нуклеотодов) µ-бактериофаг (умеренный, дефектный) – аналог транспозона

СХЕМА ДНК Фосфорная кислота Р Р А Т ----- ) Г Ц ----- ] Р Р Т ( ----- А Р Ц [ ----- Г - гуанин Пиримидиновые основания: Т - тимин Ц - цитозин Р Сахар А - аденин Р Р Пуриновые азотистые основания: Г ---- нековалентная связь

Схема строения ДНК Нуклеотидные основания: А — аденин; Т — тимин; Г — гуанин; Ц — цитозин

ДНК РЕПЛИКАЦИЯ (одной нити) Р ДНК Р А Р Т Р Р Т ( ----Р Ц [ ----- Р А Р Рибоза ----- У ( ----- ] А Р Р [ ----- Дезоксирибоза Ц Р Ц Г аденин-тиамин гуанин-цитозин тиамин-аденин цитозин-гуанин ) Р Г ----- ] Р ----- Т Р Ц ДНК Р А ----- ) Р Г ТРАНСКРИПЦИЯ РНК Г аденин-тиамин гуанин-цитозин урацил-аденин цитозин-гуанин

ФЕНОТИП: фенотипическое проявление генотипа, морфологические и другие (биохимические, антигенные и т. д. ) свойства генотипа. ГЕНОТИП: потенциальная способность генома к фенотипическому выражению записанной в его генах информации.

СХЕМАТИЧЕСКОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ БАКТЕРИАЛЬНОЙ ХРОМОСОМЫ С ВНЕХРОМОСОМНЫМИ ФАКТОРАМИ , ВЫПОЛНЯЮЩИМИ КОДИРУЮЩУЮ (внесение нового признака) И РЕГУЛИРУЮЩУЮ (восстановление утраченной функции) РОЛЬ Ген – фрагмент молекулы IS Последовательность (не способна к самостоятельной репликации) ДНК, контролирующий синтез одного белка или пептида µ. Фаг – умеренный дефектный аналог транспозона Плазмида Транспозон (способен к репликации самостоятельно) Геном – совокупность генов

Классификация плазмид Категория плазмид Кодируемое свойство F-плазмида (половой фактор или фактор фертильности) Способность к переносу плазмидных и хромосомных генов при конъюгации бактерий через половые ворсинки R-плазмида (фактор множественной лекарственной устойчивости) Придает бактериям устойчивость к нескольким антибиотикам и другим лекарственным веществам. Col- плазмиды Кодируют синтез бактериоцинов(особых белков), вызывающих гибель близкородственных бактерий. Например, бактериоцины E. coliвызывают гибель патогенных энтеробактерий. Бактериоцины обозначают по родовому или видовому названию продуцентов: E. coli продуцирует колицины, Y. pestis-пестицины, стафилококки-стафилоцины. Ent-плазмиды Синтез энтеротоксинов Hly-плазмиды Синтез гемолизинов К-88, К-99 Кодируют синтез поверхностных антигенов у бактерий Биодеградативные плазмиды Разрушение различных органических и неорганических соединений, в том числе содержащих тяжелые металлы Криптические плазмиды Функции еще не установлены

ИЗМЕНЧИВОСТЬ СТРУКТУРНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ В ГЕНОМЕ ОТСУТСТВУЮТ ПРИСУТСТВУЮТ МОДИФИКАИИ (фенотипическая, адаптивная, ненаследственная) Генетическая изменчивость, наследственная РЕКОМБИНАЦИИ ВРЕМЕННАЯ ДЛИТЕЛЬНАЯ МУТАЦИИ

ПРИЧИНЫ Дефицит Са 2 в питательной среде Спорообразование палочки сибирской язвы в питательной среде Появление лактозы в питательной среде Индукция синтеза βгалактозидазы кишечной палочкой Появление пенициллина в питательной среде Индукция синтеза пенициллиназы стафилококком СЛЕДСТВИЯ Дефицит О 2 в питательной среде Снижает степень пигментации и увеличивает гладкий характер колоний туберкулёзной палочки Воздействие антибиотико в на бактериальн ую клетку Появление L-форм бактерий

ИЗМЕНЧИВОСТЬ МУТАЦИОННАЯ ПО ЛОКАЛИЗАЦИИ ПО ПРОИСХОЖДЕНИЮ РЕКОМБИНАНТНАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ ТРАНСДУКЦИЯ ПО ЧИСЛУ ГЕНОВ КОНЪЮГАЦИЯ ПО ФЕНОТИПИЧЕСКИМ ПРОЯВЛЕНИЯМ

МУТАЦИИ СПОНТАННЫЕ ПО ПРОИСХОЖДЕНИЮ БИОЛОГИЧЕСКИЕ Возникают самопроизвольно Ошибки репликации Неправильное формирование пар оснований транспозоны; нек. вирусы (вирус кори, краснухи, гриппа); продукты обмена веществ антигены нек. микроорганизмов. ИНДУЦИРОВАННЫЕ Возникают под влиянием мутагенов РАДИАЦИОННЫЕ УФ, рентгеновские и другие виды ионизирующего излучения ХИМИЧЕСКИЕ 1) аналоги оснований (бромурацил) 2) алкилирующие агенты (этилметасуль-фонат) 3) интеркалирующие агенты (акридино-вые красители) 4) азотистая кислота

Главный мутаген табачного дыма — бензопирен — связанный с одним из нуклеотидов молекулы ДНК.

МУТАЦИИ ГЕННЫЕ Выпадение, вставка, замена гена По числу генов или характеру изменений ДНК ХРОМОСОМНЫЕ Выпадение, повторение, инверсия участка ДНК

Делеции (выпадение) Различают: терминальные (утрата концевого участка хромосомы) интеркалярные (утрата участка на внутреннем участке хромосомы) делеции

Дупликации(удвоение) Дупликации появляются в результате неравного кроссинговера (в этом случае второй гомолог несет делецию) в результате ошибки в ходе репликации.

Хромосомная инверсия Различают: парацентрические (инвертированный фрагмент лежит по одну сторону от центромеры) перицентрические (инвертированный фрагмент лежит по разные стороны от центромеры) инверсии. a — нормальная хромосома, b — парацентрическая инверсия, c — перицентрическая инверсия.

Транслокации реципрокные транслокации (когда две негомологичные хромосомы обмениваются участками), Робертсоновские транслокации (при этом две негомологичные хромосомы объединяются в одну), транспозиции (перенос участка хромосомы на другое место на той же хромосоме).

МУТАЦИИ По фенотипическим проявлениям характеру измененного признака АУКСОТРОФНОСТЬ Утрата капсулы Резистентность к лекарствам и ядам Утрата клеточной стенки Утрата жгутиков

МУТАЦИИ По фенотипическим последствиям ПРЯМЫЕ ОБРАТНЫЕ Потеря признака (летальные) Изменение признака (условно-летальные) Нет изменений признака (нейтральные) Восстановление признака ИСТИННЫЕ Восстановление генотипа и фенотипа СУПРЕССИИ Восстановление фенотипа

Бактериальные клетки, участвующие в конъюгации Донор (F+ бактерия) F - плазмида автономная Нуклеоид Малая частота рекомбинации с реципиентом Донор (F+ бактерия) F – плазмида, встроенная в нуклеоид F+ Нуклеоид Штамм Hfr большая частота рекомбинации с реципиентом Реципиент (F- бактерия) F – плазмида отсутствует Нуклеоид Частота рекомбинации - в зависимости от конъюгации с различными F+ донорами

ТРАНСФОРМАЦИЯ Опыты Ф. Гриффитса по трансформации Культура Капсула Вирулентность Влияние на мышей Убитая + + Живые Живая - - Живые Рекомбинант (живая) + + Смерть МЕХАНИЗМ: ДНК донор Реципиент Внедрение в реципиент Рекомбинант Переносимые признаки: 1) Синтез капсулы 2) Вирулентные свойства 3) Устойчивость к лекарствам 4) Другие свойства

Специфическая – переносит из клетки донора определенные гены, расположенные рядом с профагами (лизогенный процесс). Неспецифическая – переносит из клеток донора любые гены (нелизогенный процесс). Абортивная – перенесённый фагом ген не включается в ДНК реципиента. Результат – однолинейная наследуемость признака.

Нуклеоид 4 3 2 1 gal Проникновение генома бактериофага в бактериальную клетку (донор), имеющую ген, контролирующий ферментацию галактозы (gal). Интеграция участка ДНК бактериофага в геном клетки донора. Профаг (4 3 2 1) 4 1 2 3 Выщепление гена бактериофага (профага) из генома клетки донора с геном gal. Часть участка (4) генома бактериофага остаётся в геноме донора.

Выход сформировавшихся бактериофагов из лизированной клетки. 4 gal Проникновение в бактериальную клетку (реципиент) участка ДНК бактериофага, содержащего ген, контролирующий синтез галактозы. ДНК фага gal Бактериофаг gal Рекомбинант – клетка реципиент, приобретшая одно из свойств донора – ферментировать галактозу.

Нуклеоид ДНК фага Стрептомицин - резистентная (Str®) бактериальная клетка (донор), зараженная бактериофагом. Str® Дезинтеграция бактериальной ДНК, одновременно в клетке находятся участки ДНК донора и фага. Str® Репродуцированные ги в клетке донора. бактериофа-

Выход сформировавшихся бактериофагов из клетки. Проникновение в стрептомициннечувствительную бактериальную клетку (реципиент) бактериофага, содержащего ген стрептомициновой резистентности. Str® Рекомбинант – клетка-реципиент, приобретшая одно из свойств донора – устойчивость к стрептомицину.

Репарация 1. 2. 3. 4. репарация система фотореактивации. система темновой репарации дорепликативная 5. Этапы репарации: распознавание дефекта, рассечение повреждённого участка, удаление «ошибочного» олигонуклеотида, синтез ДНК с использованием комплементарной цепи как матрицы, лигирование. пострепликативная

ПРИЗНАКИ S-КОЛОНИИ R-КОЛОНИИ Незавершённый Завершённый ХАРАКТЕР ДОЧЕРНИЕ КОЛОНИИ КАПСУЛА ЖГУТИКИ БИОХИМИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ВЫДЕЛЕНИЕ В ПЕРИОД ЗАБОЛЕВАНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ К ФАГУ ФАГОЦИТОЗ ВИРУЛЕНТНОСТЬ

Свойства колоний из S- и R-колоний S-колонии R-колоний Гладкие с ровными краями Шероховатые с изрезанными краями Диффузный рост в МПБ Придонный рост в МПБ Обычно вирулентны Обычно не вирулентны, за исключением возбудителей туберкулеза, сибирской язвы, дифтерии, чумы. У капсульных видов есть капсула Капсула отсутствует У подвижных видов есть жгутики Жгутики отсутствуют Чувствительны к фагу Мало чувствительны к фагу Биохимически активны Биохимически менее активны Полноценны в антигенном отношении Неполноценны в антигенном отношении

Генная инженерия - раздел биотехнологии (создание новых технологий в медицине, пищевой промышленности, сельском хозяйстве). Задачи: 1. 2. 3. Разработка методов получения элементов, несущих новую полезную генетическую информацию. Разработка способов переноса этих элементов в другие клетки. Разработка способов контроля за функционированием таких элементов в рекомбинанте.

Опасность генной инженерии Изменение свойств микроорганизмов в экологической нише, ведущее к нарушению эволюционно установленных взаимоотношений (биоценоза). 2. Создание аномально устойчивых бактерий к лекарственным препаратам, вирусам. 3. Возможность выхода из под контроля процесса передачи генно-инженерно сконструированной ДНК от одного вида бактерий к другому. 1.