Организация генетического аппарата микроорганизмов Лекция 2 Для

Организация генетического аппарата микроорганизмов Лекция № 2 Для студентов специальности «Микробиология» по дисциплине «Генетика микроорганизмов»

План лекции: n n n Бактериальный геном. Плазмиды. Линейные и кольцевые хромосомы и плазмиды. Геном вирусов бактерий. Полуконсервативный механизм репликации ДНК (опыт Мезельсона и Сталя). Репликативная "вилка". Механизм биосинтеза ДНК. Роль матрицы, образование комплиментарного продукта. "Расплетающие" белки. Инициация синтеза ДНК. Структура и порядок образования праймосомы. Фрагменты Оказаки. Ферменты биосинтеза ДНК полимераза I (фермент Корнберга). ДНК лигазы. Типы репликации (модели, предусматривающие образование Q формы и D петли, модель "катящегося кольца"). Регуляция репликации хромосомы бактерий. Механизмы репликации плазмид. Особенности репликации ДНК у бактериофагов. Клеточный цикл и сегрегация хромосом.

Размер генома Геном n n Записанная на ДНК генетическая информация определяется линейным порядком оснований, расположенных в нерегулярной последовательности. Эта последовательность организована в виде триплетов (кодонов, определяющих аминокислоты), являющихся формой записи наследственной информации, что позволяет хранить огромное количество информации в очень малом объеме. В свою очередь записанная в виде последовательности триплетов информация организована в виде генов – дискретных участков молекулы ДНК, на которых синтезируется отдельные молекулы РНК. Другими словами ген – это последовательность нуклеотидов, представляющая собой единицу активности для образования одной молекулы РНК. Вся же совокупность генов объединяется понятием «геном» , размер которого у прокариот варьирует от вида к виду в достаточно широких пределах.

Размер генома n n Размеры ДНК от 580 тыс н. п. у Micoplasma genitalium до 9500 тыс. н. п. у Myxococcus xantus E. coli 4600 тыс. н. п.

Организация генома прокариот 1956 г. Ф. Жакоб и Е. Вильман предложили кольцевую модель бактериальной хромосомы ДНК прокариот представлена кольцевой двуцепочечной суперспирализованной молекулой, расположенной в цитоплазме в виде клубка нуклеоида. Нуклеоид не отделён мембраной, может содержать несколько копий ДНК. Нуклеоид состоит из ДНК, белков и РНК. ДНК составляет около 80%. Она свёрнута в петли, которых примерно 100.

Организация генома прокариот Бактериальная хромосома У всех известных бактерий наследственная информация содержится в одной единственной нити ДНК, иногда также называемой «бактериальной хромосомой» . Ее важнейшей особенностью является то, что эта молекула замкнута сама на себя и, таким образом, организована в виде кольца с длиной контура от 0, 25 до 3 мм. Подобный тип организации наследственного материала достаточно выгоден, обеспечивает непрерывное движение ДНК полимеразы при репликации, а также является условием для защиты внутренней среды прокариотической клетки от чужеродного генетического материала. Последний, обычно попадающий в клетку в виде линейных молекул ДНК быстро гидролизуется присутствующими здесь высокоактивными экзонуклеазами, неактивными в отношении замкнутых молекул этого же полимера.

Организация генома прокариот Укладка бактериальной хромосомы n n n В зависимости от метода микроскопирования, способа фиксации и т. д. нуклеоид выглядит как овальное тельце, боб, моток спутанных нитей. Хромосома сильно компактизована. Предполагается также, что подобная укладка бактериальной хромосомы непосредственно связана с ее функционированием, где центральная область нуклеоида представлена суперспирализованной транскрипционно неактивной ДНК, а на расположенных на периферии деспирализованных петлях происходят интенсивные процессы образования различных типов РНК. Таким образом, каждая из петель может рассматриваться в качестве своеобразного кластера транскрипционной активности

Организация генома прокариот n n n Бактериальные плазмиды Внехромосомный наследственный материал у прокариот также находится чаще всего в виде кольцевых молекул ДНК, обозначаемых термином «плазмиды» . При этом в каждой из них как правило имеется три основные группы генов: ответственных за автономную репликацию плазмиды, обеспечивающих возможность ее переноса из одной клетки в другую, а также кодирующих белки, сообщающие бактериальной клетке какие либо дополнительные свойства. Важной особенностью плазмид являются их способность к автономной (независимой от цикла деления клетки) репликации, а также возможность не только вертикальной передачи (от родительской клетки к дочерним), но и горизонтального переноса от одной бактерии к другой.

Организация генома прокариот Бактериальные плазмиды Плазмиды также чаще имеют кольцевую ДНК размером от 0, 1 до 5% размера хромосомы. Функционирование генов, расположенных на плазмидах, для существования клетки необязательно, хотя в некоторых условиях способствует ее выживанию. Линейные хромосомы часто сосуществуют с линейными плазмидами.

Организация генома прокариот 1989 г. Метод электрофореза в пульсирующем поле Пульс форезом называется форез в изменяющемся электричес ком поле, когда катод и анод меняют свое расположение через определенные промежутки времени. В условиях пульс фореза можно разделить очень крупные фрагменты ДНК (свыше 10· 10– 3 т. п. н. ), так как они мигрируют в переменном электрическом поле с разной скоростью, в зависимости от их длины, конфигурации и массы. Метод позволил идентифицировать линейную бактериальную хромосому у спирохеты из рода боррелий Borrelia burgdorferi и у актиномицетов.

Организация генома прокариот Бактерии могут иметь больше одной хромосомы на клетку для «клетки, типично Критерий: локализация жизненно важных "хромосомных" генов во втором репликоне; отсутствие клеток, не несущих такой репликон; строгий контроль распределения между клетками хромосомоподобных репликонов. У Agrobacterium tumefaciens применении пульс фореза нашли 4 репликона: Ti плазмиду (200 тпн), криптическую плазмиду (450 тпн) и две очень больших молекулы ДНК (2, 1× 106 и 3× 106 пн). Меньшая из них была линейной, большая – кольцевой. У Azotobacter chroococcum в экспоненциальной фазе роста на одну клетку приходится 20… 25 хромосом нуклеоидов. У радиоустойчивой бактерии Deinococcus radiodurans. У нее, по видимому, каждый нуклеоид содер жит 4 хромосомы в стационарной фазе и 8… 10 хро мосом в экспоненциальной фазе роста.

Организация генома вирусов и фагов Структура генома вирусов и фагов После проникновения вирусной НК в клетку заключённая в ней генетическая информация расшифровывается генетическими системами хозяина и используется для синтеза компонентов вирусных частиц. Геном может насчитывать от 4 до 250 генов. Все гены могут быть заключены в одной молекуле НК (ДНК или РНК) или распределены по нескольким молекулам, которые могут быть одно и двуцепочечными, кольцевыми и линейными.

Механизмы репликации ДНК Репликация ДНК основана на комплементарном спаривании оснований Процесс репликации предполагает обязательное разделение двух цепей ДНК и узнавание каждого нуклеотида в ДНК свободным комплементарным нуклеотидом.

Механизмы репликации ДНК 1957 г. А. Корнберг обнаружил ДНК полимеразу I процесс полимеризации – фермент, катализирующий ДНК из нуклеотидов. 3 альтернативные гипотезы репликации: консервативная, полуконсервативная (каждая молекула ДНК состоит из одной цепи исходной молекулы и одной вновь синтезированной цепи), дисперсивная.

Механизмы репликации ДНК 1958 г. Полуконсервативная репликация (эксперимент Мезельсона Сталя) Схематически представленные тяжелая, меченная 15 N родительская ДНК (обозначена красным), гибридная (15 I1/14 N) ДНК первой генерации (обозначена красным/синим) и легкая (14 N/14 N) дочерняя ДНК (обозначена синим) разделяются в равновесном градиенте плотности Cs. CI, как показано справа. Сдвиг в плотности фрагментов в процессе переноса из «тяжелой» среды в «легкую» анализировали через 0, 1 и 2 генерации соответственно.

Механизмы репликации ДНК Репликационная вилка n n Исследования с радиоактивными метками, проведённые в 1960 х гг. выявили о Простейший механизм репликации ДНК заключается в непрерывном росте обе

Механизмы репликации ДНК Фрагменты Оказаки Методом избирательного введения радиоактивной метки было выявлено, что при репликации бактериальной ДНК в области репликационной вилки образуются и какое то время существуют фрагменты (от 1000 до 2000 нуклеотидов у прокариот, 100 200 – у эукариот), названные «фрагментами Оказаки» . Репликационная вилка ассиметрична. Из двух дочерних цепей одна строится непрерывной (ведущая или лидирующая цепь), а другая прерывистой (отстающая цепь).

Механизмы репликации ДНК Точки начала репликации n n n Образование репликационных вилок начинается с возникновения особой структу Репликационный глазок образуется в местах, где находятся специфические нукле Репликация ДНК начинается сразу в нескольких таких точках хромосомы, что зна

Механизмы репликации ДНК n n n n Белки, участвующие в репликации ДНК образуют крупный мультиферментный комплекс, дв В области вилки действуют две идентичные ДНК-полимеразы – на ведущей и на отстающе Спираль ДНК расплетается в результате совместного действия ДНК полимеразы, работающ Этому процессу способствуют кооперативно связывающиеся молекулы SSB-белков. На ведущей цепи ДНК полимераза работает непрерывно, а на отстающей цепи фермент че Позади «репликационной машины» по ходу её движения остаётся на отстающей цепи ряд н Чтобы репликационная вилка могла продвигаться вперёд, вся хромосома впереди неё долж

Механизмы репликации ДНК «Репликационная машина»

Типы репликации Репликационный «глазок» n n Репликация всегда начинается в определенной области, Ori. С, и идет в основном симметрично по правому и левому полукружию хромосомы к конечной точке, Тег. С. Там обе волны репликации встречаются. Строение области Ori. С и порядок расположенных на ней генов в значительной мере консервативно, т. е. присуще всем изученным бактериям. Строение области Тег. С также специфично; назначение расположенных там блоков генов – тормозить репликацию.

Типы репликации ДНК

Расхождение хромосом n n А — бактериальная клетка содержит частично реплицированную хромосо Б — репликация хромосомы завершена. В бактериальной клетке две доч В — продолжающийся синтез мембраны и клеточной стенки приводит к р 1 — ДНК; 2 — прикрепление хромосомы к ЦПМ: 3 — ЦПМ; 4 — клеточна