Организация генетического аппарата микроорганизмов

«Генетика микроорганизмов»

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. 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.

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

9500 тыс. н.п. у Myxococcus xantus
E.coli - 4600 тыс. н.п.

Размер генома

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.

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.

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

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.

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.

форез в изменяющемся электричес­ком 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.

локализация жизненно важных для «клетки, типично "хромосомных" генов во втором

репликоне; отсутствие клеток, не несущих такой репликон; строгий контроль распределения между клетками хромосомоподобных репликонов.

У Agrobacterium tumefaciens при 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 содер­жит 4 хромосомы в стационарной фазе и 8…10 хро­мосом в экспоненциальной фазе роста.

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.

предполагает обязательное разделение двух цепей ДНК и узнавание каждого нуклеотида

в ДНК свободным комплементарным нуклеотидом.

ДНК-полимеразу I
– фермент, катализирующий процесс полимеризации ДНК из нуклеотидов.
3 альтернативные

гипотезы репликации:
консервативная,
полуконсервативная (каждая молекула ДНК состоит из одной цепи исходной молекулы и одной вновь синтезированной цепи),
дисперсивная.

(эксперимент Мезельсона-Сталя)
Схематически представленные тяжелая, меченная 15N родительская ДНК

(обозначена красным), гибридная (15I\1/14N) ДНК первой генерации (обозначена красным/синим) и легкая (14N/14N) дочерняя ДНК (обозначена синим) разделяются в равновесном градиенте плотности CsCI, как показано справа. Сдвиг в плотности фрагментов в процессе переноса из «тяжелой» среды в «легкую» анализировали через 0, 1 и 2 генерации соответственно.

выявили особую ограниченную область репликации, перемещающуюся вдоль родительской спирали ДНК.

Эта активная область из-за своей Y-образной формы была названа репликационной вилкой.
Простейший механизм репликации ДНК заключается в непрерывном росте обеих новых цепей нуклеотид за нуклеотидом по мере перемещения репликационной вилки от одного конца молекулы ДНК к другому.

Репликационная вилка

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).

особой структуры, называемой репликационным глазком. Это небольшой участок, в котором

две родительские цепи отделились одна от другой и были использованы в качестве матриц для синтеза ДНК.
Репликационный глазок образуется в местах, где находятся специфические нуклеотидные последовательности (около 300 нуклеотидов), получившие название точек начала репликации или ориджинов.
Репликация ДНК начинается сразу в нескольких таких точках хромосомы, что значительно ускоряет процесс. При репликации ДНК скорость полимеризации колеблется в пределах от 500 нуклеотидов в 1 с у бактерий приблизительно до 50 нуклеотидов у млекопитающих.

комплекс, движущийся вдоль ДНК.
В области вилки действуют две идентичные ДНК-полимеразы

– на ведущей и на отстающей цепи.
Спираль ДНК расплетается в результате совместного действия ДНК-полимеразы, работающей на ведущей цепи, и ДНК-геликазы, движущейся вдоль отстающей.
Этому процессу способствуют кооперативно связывающиеся молекулы SSB-белков.
На ведущей цепи ДНК-полимераза работает непрерывно, а на отстающей цепи фермент через определённые интервалы прерывает и вновь возобновляет свою работу, используя для полимеризации короткие РНК-затравки, синтезируемые ДНК-праймазой. Молекула праймазы непосредственно сцепленная с ДНК-геликазой – расплетающим двойную спираль ферментом, образуют вместе с ней на отстающей цепи структуру, называемую праймосомой.
Позади «репликационной машины» по ходу её движения остаётся на отстающей цепи ряд несшитых фрагментов Оказаки, всё ещё содержащих РНК-затравки, которые должны быть сшиты при помощи репарирующих ферментов, работающих позади репликационной вилки.
Чтобы репликационная вилка могла продвигаться вперёд, вся хромосома впереди неё должна быстро вращаться. Это решается образованием в спирали своего рода «шарнира», особого класса белков, называемых ДНК-топоизомеразами (типа I и II), которые разрывают цепь и присоединяются к разорванному концу.

в основном симметрично по правому и левому полукружию хромосомы к

конечной точке, ТегС. Там обе волны репликации встречаются.
Строение области OriС и порядок расположенных на ней генов в значительной мере консервативно, т.е. присуще всем изученным бактериям. Строение области ТегС также специфично; назначение расположенных там блоков генов – тормозить репликацию.

Типы репликации

мембране в точке (или точках) репликации;
Б — репликация хромосомы завершена.

В бактериальной клетке две дочерние хромосомы, каждая из которых прикреплена к ЦПМ. Показан синтез клеточной стенки и ЦПМ;
В — продолжающийся синтез мембраны и клеточной стенки приводит к разделению дочерних хромосом. Показано начало деления клетки путем образования поперечной перегородки.
1 — ДНК; 2 — прикрепление хромосомы к ЦПМ: 3 — ЦПМ; 4 — клеточная стенка: 5 — синтезированный участок ЦПМ; 6 — новый материал клеточной стенки.

Расхождение хромосом