ЛЕКЦИЯ 3 ГЕНЕТИКА МИКРООРГАНИЗМОВ ГЕНЕТИКА

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

МАТЕРИАЛЬНАЯ ОСНОВА ГЕНЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА НУКЛЕИНОВАЯ КИСЛОТА ДНК РНК Эукариоты Прокариоты Вирусы Двунитчатая Однонитчатая Линейная Кольцевая Непрерывная, фрагментированная, линейная, кольцевая Хромосомная Внехромосомная Мигрирующие Транспозоны Плазмиды (2000 -20500 пар генетические элементы нуклеотодов) IS-последовательности (800 -1400 пар нуклеотидов) µ-бактериофаг (умеренный, дефектный) – аналог транспозона

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

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

РЕПЛИКАЦИЯ ДНК (одной нити) ТРАНСКРИПЦИЯ ДНК РНК ДНК Р А Т А Т ----- ) ----- ) Р Г Ц Г Ц ----- ] ----- ] Р Р Т А У А ( ----- Рибоза Р Р Ц Г Ц Г [ ----- [ ----- аденин-тиамин аденин-тиамин гуанин-цитозин Дезоксирибоза гуанин-цитозин тиамин-аденин урацил-аденин цитозин-гуанин 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 IS Последовательность Ген – фрагмент молекулы (не способна к ДНК, контролирующий самостоятельной синтез одного белка или репликации) пептида µ. Фаг – умеренный дефектный аналог транспозона Плазмида Транспозон (не способен к репликации самостоятельно) Геном – совокупность генов (Способны к автономной репликации)

Функции IS-элементов: Координировать взаимодействие транспозонов, плазмид и умеренных фагов как между собой, так и с хромосомой бактериальной клетки и обеспечивать их рекомбинацию. Вызывать инактивацию гена, в котором произошла интеграция IS-последовательности ( «выключение гена» ), либо, будучи встроенными в определенном положении в бактериальную хромосому, служить промотором (участками ДНК, регулирующих экспрессию подлежащих структурных генов бактерий – реципиентов), который включает транскрипцию соответствующих генов, выполняя регуляторную функцию. Индуцировать мутации типа делеций или инверсий при перемещении и дупликации в 5 -9 парах нуклеотидов при включении в бактериальную хромосому.

Классификация плазмид Категория плазмид Кодируемое свойство F-плазмида (половой Способность к переносу плазмидных и хромосомных фактор или фактор генов при конъюгации бактерий через половые ворсинки фертильности) R-плазмида (фактор Придает бактериям устойчивость к нескольким множественной антибиотикам и другим лекарственным веществам. лекарственной устойчивости) 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 Разрушение различных органических и неорганических плазмиды соединений, в том числе содержащих тяжелые металлы Криптические плазмиды Функции еще не установлены

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

ПРИЧИНЫ Дефицит Са 2 в Появление Дефицит О 2 в Воздействие питательной лактозы в пенициллина питательной антибиотиков среде питательной в питательной среде на среде бактериальну ю клетку Спорообразование Индукция Снижает Появление палочки синтеза β- синтеза степень L-форм сибирской язвы в галактозидазы пенициллиназы пигментации бактерий питательной среде кишечной стафилококком и увеличивает палочкой гладкий харакетер колоний туберкулёзной палочки СЛЕДСТВИЯ

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

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

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

МУТАЦИИ По числу генов или характеру ГЕННЫЕ изменений ДНК ХРОМОСОМНЫЕ Выпадение, Выпадение, вставка, замена повторение, гена 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 Резистентность к лекарствам и ядам Утрата капсулы Утрата клеточной Утрата жгутиков стенки

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

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

Этапы конъюгации: Первым этапом конъюгации является прикрепление клетки-донора к реципиентной клетке с помощью половых ворсинок (sex pili). Затем между обеими клетками образуется конъюгационный мостик, через который из клетки-донора в клетку-реципиент могут передаваться F-фактор и другие плазмиды, находящиеся в цитоплазме бактерии-донора в автономном состоянии. Для переноса бактериальной хромосомы необходим разрыв одной из цепей ДНК, который происходит в месте включения F-плазмиды при участии эндонуклеазы. Проксимальный конец ДНК через конъюгационный мостик проникает в клетку-реципиент и сразу же достраивается до двунитевой структуры. Оставшаяся в клетке донора нить ДНК является матрицей для синтеза второй нити. Следовательно, при конъюгации передается только одна нить ДНК-донора, а вторая, оставшаяся комплементарная, цепь достраивается в реципиентной клетке.

ТРАНСФОРМАЦИЯ Опыты Ф. Гриффитса по трансформации Культура Капсула Вирулентность Влияние на мышей Убитая + Живые Живая - Живые Рекомбинант + Смерть (живая) МЕХАНИЗМ: ДНК донор Внедрение в Реципиент 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 Проникновение генома бактерио- фага в бактериальную клетку (донор), имеющую ген, контроли- рующий ферментацию галактозы 4 3 2 1 (gal). gal Интеграция участка ДНК бакте- риофага в геном клетки донора. Профаг (4 3 2 1) Выщепление гена бактериофага (профага) из генома клетки до- нора с геном gal. Часть участка (4) генома бактериофага остаётся 4 1 2 3 в геноме донора.

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

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

Выход сформировавшихся бакте- риофагов из клетки. Проникновение в стрептомицин- нечувствительную бактериальную клетку (реципиент) бактериофага, содержащего ген стрепто- мициновой резистентности. Рекомбинант – клетка-реципиент, приобретшая одно из свойств донора – устойчивость к стрептомицину. Str®

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

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

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

Опасность генной инженерии 1. 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.