Внехромосомные генетические элементы Лекция 4 Для студентов

Внехромосомные генетические элементы Лекция № 4 Для студентов специальности «Микробиология» по дисциплине «Генетика микроорганизмов»

План лекции: n n n Плазмиды, их классификация и фенотипические признаки Взаимодействие плазмидных репликонов в бактериальной клетке: исключение вхождения и несовместимость, рекомбинация Группы несовместимости плазмид Механизмы репликации плазмид Методы генетического анализа плазмидной ДНК Биологическое значение плазмид и их роль в эволюции бактерий

Определение Плазмиды — внехромосомные (дополнительные по отношению к хромосоме) генетические структуры бактерий, способные автономно размножаться и существовать в цитоплазме бактериальной клетки Термин введен Ледербергом в 1952 году

Обозначение плазмид Префикс “p” р. UС 19 или p. EX n число Инициалы автора n обозначение функции плазмиды «Исторические» обозначения: R 100, F, Col. E 1

Классификация Линейные и замкнутые молекулы плазмид а б в II I

Классификация n n n Структура - кольцевые или линейные молекулы ДНК размером от 2 до 600 т. п. н. Число копий – от 1 до 1000 (малокопийные и мультикопийные) Круг хозяев – узкий круг (nhr – narrow host range), широкий круг хозяев (bhr – broad host range) Способность к конъюгационному переносу (конъюгативные, неконъюгативные, мобилизуемые) Группы несовместимости (Inc – incompatibility): 14 групп в системе Pseudomonas (Inc. P-1 – Inc. P-14) u 30 групп в системе Enterobacteriaceae u

Классификация По способности или неспособности передаваться из одной бактериальной клетки в другую в процессе конъюгации, выделяются: -Конъюгативные плазмиды переносятся от бактерии к бактерии внутри вида или между представителями близкородственных видов в процессе конъюгации. Чаще всего конъюгативными плазмидами являются F - или R -плазмиды. Подобные плазмиды относительно крупные (25 -150 млн Д) и часто выявляются у грамотрицательных палочек. -Неконъюгативные плазмиды (не переносятся) обычно имеют небольшие размеры и характерны для грамположительных кокков, но встречаются также у некоторых грамотрицательных микроорганизмов (например, у Haemophilus influenzae , Neisseria gonorrhoeae ). Мобилизуемые плазмиды – способны передаваться в реципиентные клетки с помощью конъюгативных плазмид. Криптические плазмиды – плазмиды, фенотипические признаки для которых не установлены.

Классификация n Контролируемый фенотип: u Устойчивость к антибиотикам, тяжелым металлам. R – плазмиды (resistance устойчивость)- детерминируют устойчивость к лекарственным препаратам. u Деградация органических соединений. D – плазмиды (degradative) u Конъюгационный перенос. F – factor (fertility- плодовитость)- инициируют деление бактерии, то есть увеличивают их «плодовитость» . u Продукция токсических соединений (антибиотики, бактериоцины, колицины). Col. E 1 – плазмида (colicin) u Криптические плазмиды (фенотип неизвестен и плазмиды малого размера) u Взаимодействие с эукариотами. Ti – плазмиды (tumor inducing) u Другие свойства – устойчивость к UV, продукция H 2 S, чувствительность к Na. Cl, системы рестрикции – модификации, фиксация азота.

Классификация n n n n Конъюгация – процесс обмена генетической информацией между бактериальными клетками, обеспечиваемый плазмидами, путем переноса генетического материала из клетки донора в клетку реципиента. Трансконъюгант – бактериальная клетка, получившая генетический материал путем конъюгации. Поверхностное исключение – конъюгационный перенос между плазмидосодержащими клетками происходит с меньшей на 2 порядка эффективностью, чем между донором и бесплазмидной клеткой. За этот эффект отвечают гены tra – системы (tra. S и tra. T). Несовместимость плазмид (Inc) – неспособность двух разных плазмид стабильно сосуществовать в одной бактериальной клетке. Донор – специфические фаги – фаги, инфицирующие только те штаммы, которые содержат конъюгативные плазмиды. Число копий плазмиды – количество молекул плазмиды на бактериальный геном. Строгий контроль репликации – плазмидная репликация связана с репликацией хромосомы. Hfr –штаммы – (high frequency of recombination) – штамм, несущий в составе хромосомы плазмиду и, следовательно, способный осуществлять ориентированный перенос хромосомных генов в подходящий реципиент.

Классификация n Молекулярная организация плазмид Базовый репликон (basic replicon): ori (origin) u inc/cop - ген (ы) u rep – ген Жизненно – важные структуры плазмиды (backbone segment) u система разрешения коинтегратов (mrs - multimer resolution system), u система активного распределения плазмид (par – partitioning), u система постсегрегационной гибели клетки (PSK – post segregational killing). u система рестрикции – модификации (RM). Система конъюгационного переноса. Гены резистентности. Гены биодеградации. Другие гены. u n n n

Репликация плазмид Механизмы репликации D-механизм Механизм катящегося кольца (rolling cycle) тетта-механизм (механизм "глазка")

Репликация плазмид Ө-механизм n В кольцевой хромосоме репликационный глазок образует Ө-структуру.

Репликация плазмид Модель «катящегося кольца» n Если в кольцевой ДНК разрывает одну цепь и свободный 3’-конец наращивается с помощью ДНКполимеразы, то вновь синтезируемая цепь вытесняет исходную родительскую.

Репликация плазмид D-петля n В митохондриальной ДНК наблюдается тип репликации носящий название D-петель (displacement – вытеснение).

Репликация плазмид

Репликация плазмид потомство чувствительное конъюгация и перенос плазмиды к антибиотику потомство, резистентное к антибиотику резистентное потомство Распространение плазмиды, несущей гены резистентности к лекарственном препарату, при переносе ее из клетки в клетку.