Слайд 1Генетика прокариот
Лекция № 3
Слайд 2В основе молекулярной генетики лежит изучение генетики прокариот и бактериофагов.
Эти исследования помогают понять процессы, происходящие в микромире.
Изучение генетики бактерий
имеет прикладной интерес, например, в плане установления механизмов передачи патогенных свойств и устойчивости к лекарственным препаратам.
Прокариоты — удобная модель для генетических исследований. Их отличает:
Слайд 3относительная простота строения генома, позволяющая выявлять мутанты с частотой 10-9
и ниже;
гаплоидность, исключающая явление доминантности;
половая дифференциация в виде донорских
и реципиентных клеток;
наличие обособленных, и интегрированных фрагментов ДНК (плазмид, транспозонов и т.д.);
лёгкость культивирования и возможность получения популяций, содержащих миллиарды микробных тел.
Слайд 5Как и у других организмов, совокупность генов бактериальной клетки —
геном — определяет её свойства и признаки (генотип). Фенотип бактериальной
клетки — результат взаимодействий между бактерией и окружающей средой — также контролирует геном (так как сами признаки закодированы в бактериальных генах).
Слайд 6Ген - уникальная структурная единица наследственности, носитель и хранитель жизни.
Он имеет следующие функции:
1. Непрерывность наследственности - обеспечивается механизмом репликации
ДНК.
2. Управление структурами и функциями организма — обеспечивается с помощью единого генетического кода из четырех оснований (А- аденин, Т- тимин, Г- гуанин, Ц- цитозин). Код триплетный, поскольку кодон - функциональная единица, кодирующая аминокислоту, состоит из трех нуклеотидов.
3. Эволюция организмов - благодаря мутациям и генетическим рекомбинациям.
Слайд 7В узкоспециальном плане ген чаще всего представляет структурную единицу ДНК,
расположение кодонов в которой детерминирует первичную структуру соответствующей полипептидной цепи
(белка). Хромосома состоит из особых функциональных единиц - оперонов.
Слайд 9Генетический материал бактерий имеет характерное строение, отличающее его от ядерного
генетического материала эукариотических клеток; их образуют так называемые хроматиновые тельца,
или нуклеоиды, лишённые оболочки и включающие в себя почти всю ДНК бактерии.
Слайд 10• Нуклеоиды можно наблюдать в фазово-контрастный микроскоп, где они выглядят
как менее плотные участки цитоплазмы.
• В растущих бактериальных клетках
нуклеоиды активно делятся, их количество иногда достигает 2-4.
Слайд 11У прокариот обычно имеется одна замкнутая кольцевидная хромосома, содержащая до
4000 отдельных генов, необходимых для поддержания жизнедеятельности и размножения бактерий,
то есть бактериальная клетка гаплоидна, а удвоение хромосомы обычно сопровождается её делением. Передача генетической информации по горизонтали осуществляется различными механизмами- в результате конъюгации, трансдукции, трансформации.
Слайд 12Некоторые виды (например, Brucella melitensis) стабильно содержат две кольцевые хромосомы,
другие (Leptospira interrogans) — одну кольцевую хромосому и одну большую
плазмиду, третьи — одну линейную хромосому (Streptomyces ambofaciens), то есть обладают сложными геномами.
Бактериальная хромосома содержит до 5х106 пар оснований. Для сравнения: геном человека составляет 2,9х109пар оснований. Длина бактериальной хромосомы в развёрнутом состоянии составляет около 1 мм (Escherichia coli).
Слайд 13Некоторые бактерии содержат внехромосомные молекулы ДНК (плазмиды) и мобильные элементы
(транспозонами и вставочными или IS- последовательностями.).
Все они образованы молекулами
ДНК, различающимися между собой по молекулярной массе, кодирующей ёмкости, способности к автономному реплицированию и др.
Слайд 14Плазмиды — фрагменты ДНК с молекулярной массой порядка 106~108 D,
несущие от 40 до 50 генов. Выделяют автономные (не связанные
с хромосомой бактерии) и интегрированные (встроенные в хромосому) плазмиды.
Слайд 15Автономные плазмиды существуют в цитоплазме бактерий и способны самостоятельно репродуцироваться;
в клетке может присутствовать несколько их копий.
Интегрированные плазмиды
репродуцируются одновременно с бактериальной хромосомой. Интеграция плазмид происходит при наличии гомологичных последовательностей ДНК, при которых возможна рекомбинация хромосомной и плазмидной ДНК (что сближает их с профагами).
Слайд 16Плазмиды также подразделяют на трансмиссивные (например, F- или R-плазмиды), способные
передаваться посредством конъюгации, и нетрансмиссивные.
Среда обитания плазмид - только
бактерии (среди вирусов , кроме вирусов бактерий- бактериофагов имеются вирусы растений и животных).
Слайд 18Плазмиды сосуществуют с бактериями, наделяя их дополнительными свойствами. У вирусов
эти свойства могут быть только у умеренных фагов при лизогении
бактерий, чаще же всего вирусы вызывают отрицательный последствия, лизис клеток.
Геном плазмид представлен двунитевой ДНК.
Плазмиды представляют собой “голые” геномы, не имеющие никакой оболочки, их репликация не требует синтеза структурных белков и процессов самосборки.
Слайд 19Плазмиды могут распространяться по вертикали (при клеточном делении) и по
горизонтали, прежде всего путем конъюгационного переноса. В зависимости от наличия
или отсутствия механизма самопереноса (его контролируют гены tra-оперона) выделяют конъюгативные и неконъюгативные плазмиды. Плазмиды могут встраиваться в хромосому бактерий - интегративные плазмиды или находиться в виде отдельной структуры - автономные плазмиды ( эписомы).
Слайд 20Классификация и биологическая роль плазмид.
Функциональная классификация плазмид основана на свойствах,
которыми они наделяют бактерии. Среди них - способность продуцировать экзотоксины
и ферменты, устойчивость к лекарственным препаратам, синтез бактериоцинов.
Слайд 21Основные категории плазмид.
F-плазмиды — донорские функции, индуцируют деление (от
fertility — плодовитость). При изучении процесса скрещивания бактерий оказалось, что
способность клетки быть донором генетического материала связана с присутствием особого F-фактора. F-плазмиды контролируют синтез F-пилей, способствующих спариванию бактерий-доноров (F+) с бактериями-реципиентами (F"). В связи с этим можно указать, что сам термин «плазмида» был предложен для обозначения «полового» фактора бактерий (Джошуа Лёдерберг, 1952).
Слайд 22F-плазмиды могут быть автономными и интегрированными. Встроенная в хромосому F-плазмида
обеспечивает высокую частоту рекомбинации бактерий данного типа, поэтому их также
обозначают как Hfr-плазмиды от англ. high frequency of recombinations, высокая частота рекомбинаций].
Слайд 23R-плазмиды - [от англ. resistance, устойчивость] кодируют устойчивость к лекарственным
препаратам (например, к антибиотикам и сульфаниламидам, хотя некоторые детерминанты устойчивости
правильнее рассматривать как связанные с транспозонами), а также к тяжёлым металлам. R-плазмиды включают все гены, ответственные за перенос факторов устойчивости из клетки в клетку.
Слайд 24Col-плазмиды - синтез колицинов (бактериоцинов) - факторов конкуренции близкородственных бактерий
(антогонизм). Плазмиды бактериоциногении кодируют синтез бактериоцинов — белковых продуктов, вызывающих
гибель бактерий того же или близких видов. Многие плазмиды, кодирующие образование бактериоцинов, также содержат набор генов, ответственных за конъюгацию и перенос плазмид.
Слайд 25Подобные плазмиды относительно крупные (молекулярная масса 25-150х106 D), их довольно
часто выявляют у грамотрицательных палочек. Большие плазмиды обычно присутствуют в
количестве 1~2 копий на клетку. Их репликация тесно связана с репликацией бактериальной хромосомы. На этом свойстве основано колицинотипирование штаммов.
Слайд 26Hly - плазмиды- синтез гемолизинов.
Ent - плазмиды- синтез энтеротоксинов.
Tox -
плазмиды- токсинообразование.
Плазмиды выполняют регуляторные или кодирующие функции.
Слайд 27Регуляторные плазмиды участвуют в компенсировании тех или иных дефектов метаболизма
бактериальной клетки посредством встраивания в повреждённый геном и восстановления его
функций. Кодирующие плазмиды привносят в бактериальную клетку новую генетическую информацию, кодирующую новые, необычные свойства (например, устойчивость к антибиотикам).
Слайд 28Неконъюгативные плазмиды обычно характерны для грамположительных кокков, но встречаются также
у некоторых грамотрицательных микроорганизмов
Они обычно имеют небольшие размеры (молекулярная
масса примерно 1 — 10х106 D). Обнаруживают большое количество мелких плазмид (более 30 на клетку), так как только наличие такого количества обеспечивает их распределение в потомстве при клеточном делении.
Слайд 29Плазмиды патогенности контролируют вирулентные свойства многих видов, особенно энтеробактерий. В
частности F-, R-плазмиды и плазмиды бактериоциногении включают tox+-транспозоны (мигрирующий генетический
элемент), кодирующие токсинообразование. Нередко tox+-транспозоны кодируют синтез интактных протоксинов (например, дифтерийного или ботулинического), активируемых клеточными протеазами, образование которых контролируют гены бактериальных хромосом.
Слайд 30Скрытые плазмиды. Криптические (скрытые) плазмиды не содержат генов, которые можно
было бы обнаружить по их фенотипическому проявлению.
Слайд 31Плазмиды биодеградации. Обнаружен также ряд плазмид, кодирующих ферменты деградации природных
(мочевина, углеводы) и неприродных (толуол, камфора, нафталин) соединений, необходимых для
использования в качестве источников углерода или энергии, что обеспечивает им селективные преимущества перед другими бактериями данного вида. Патогенным бактериям подобные плазмиды придают преимущества перед представителями аутомикрофлоры.
Слайд 32Биологическая роль плазмид:
- контроль генетического обмена бактерий;
- контроль синтеза факторов
патогенности;
- совершенствование защиты бактерий.
Бактерии для плазмид - среда обитания, плазмиды
для них - переносимые между ними дополнительные геномы с наборами генов, благоприятствующих сохранению бактерий в природе.
Слайд 33Мигрирующие генетические элементы — отдельные участки ДНК, способные определять свой
перенос между хромосомами или хромосомой и плазмидой с помощью фермента
рекомбинации транспозазы. Простейшим их типом являются инсерционные последовательности (IS- элементы) или вставочные элементы, несущие только один ген транспозазы, с помощью которой IS- элементы могут встраиваться в различные участки хромосомы.
Слайд 34Их функции - координация взаимодействия плазмид, умеренных фагов, транспозонов для
обеспечения репродукции, регуляция активности генов, индукция мутаций. Величина IS-элементов не
превышает 1500 пар оснований.
Слайд 35Транспозоны (Tn- элементы) включают до 25 тысяч пар нуклеотидов, содержат
фрагмент ДНК, несущий специфические гены, и два Is-элемента. Каждый транспозон
содержит гены, привносящие важные для бактерии характеристики, как и плазмиды (множественная устойчивость к антибиотикам, токсинообразование и т.д.). Транспозоны являются самоинтегрирующимеся фрагментами ДНК, могут встраиваться и перемещаться среди хромосом, плазмид, умеренных фагов, т.е. обладают потенциальной способностью распространяться среди различных видов бактерий.
Слайд 37Изменчивость у бактерий может быть ненаследуемой (модификационной) и генотипической (мутации,
рекомбинации).
Временные, наследственно не закрепленные изменения, возникающие как адаптивные реакции бактерий
на изменения окружающей среды, называются модификациями (чаще — морфологические и биохимические модификации). После устранения причины бактерии реверсируют к исходному фенотипу.
Слайд 38Стандартное проявление модификации - распределение однородной популяции на две или
более двух типов - диссоциация. Пример - характер роста на
питательных средах:
S - (гладкие) колонии,
R - (шероховатые) колонии,
M - (мукоидные, слизистые) колонии,
D- (карликовые) колонии.
Слайд 39Диссоциация сопровождается изменениями биохимических, морфологических, антигенных и вирулентных свойств возбудителей.
Мутации
- скачкообразные изменения наследственного признака. Могут быть спонтанные и индуцированные,
генные (изменения одного гена) и хромосомные (изменения двух или более двух участков хромосомы).
Одновременно у бактерий имеются различные механизмы репарации мутаций, в том числе с использованием ферментов - эндонуклеаз, лигаз, ДНК- полимеразы.
Слайд 40Генетические рекомбинации - изменчивость, связанная с обменом генетической информации. Генетические
рекомбинации могут осуществляться путем трансформации, трансдукции, конъюгации, слияния протопластов.
Слайд 41Трансформация - захват и поглощение фрагментов чужой ДНК и образование
на этой основе рекомбинанта. Непосредственная передача генетического материала от донорской
к реципиентной клетке. В бактериальной популяции в результате аутолиза клеток всегда присутствует внеклеточная ДНК. Некоторые клетки обладают соответствующими рецепторами для ее адсорбции и ферментами для ее транспорта внутрь своей клетки и последующей рекомбинации экзогенной ДНК с ДНК бактериальной хромосомы. Такие клетки называются компетентными.
Слайд 42Трансдукция - перенос генетического материала фагами (умеренными фагами - специфическая
трансдукция). При неспецифической (общей) трансдукции может передаваться любой, случайный признак,
который присутствует у всего клона, образованного рекомбинантной клеткой.
При абортивной трансдукции также передается любой, случайный признак, но он скоро теряется, так как при каждом делении клеток экзогенная ДНК не рекомбинирует с бактериальной хромосомой, как в случае с общей трансдукцией, а остается в цитоплазме и переходит только в одну из двух разделившихся клеток.
Слайд 43При специфической трансдукции каждый бактериофаг передает только ему присущий признак,
который, как и в случае с общей трансдукцией, присутствует у
всего клона, образованного рекомбинантной клеткой.
Конъюгация - при непосредственном контакте клеток. Контролируется tra (transfer) опероном. Главную роль играют конъюгативные F - плазмиды. Конъюгация – передача генетического материала от донорской к реципиентной клетке с помощью конъюгационных пилей.
Слайд 44Лизогенизация по определению является видом рекомбинационной изменчивости у бактерий, так
как при ней в геном реципиентной клетки внедряется экзогенный генетический
материал – геном умеренного фага . Изменения генома при этом виде рекомбинационной изменчивости не сопровождаются фенотипическими изменениями.
Фаговая конверсия – отличается от лизогенизации лишь тем, что фенотип донорской клетки изменяется .
![R-плазмиды - [от англ. resistance, устойчивость] кодируют устойчивость к лекарственным препаратам (например, к антибиотикам и сульфаниламидам, хотя](/img/thumbs/6689ccf3e664233eef6faa7003ce56f6-800x.jpg "Генетика прокариот R-плазмиды - [от англ. resistance, устойчивость] кодируют устойчивость к лекарственным препаратам")
