Генетический материал бактерий содержится в. Микробиология: конспект лекций (К

Генетика как наука. История становления генетики микроорганизмов.

Организация генетического аппарата бактериальной клетки.

Внехромосомные факторы наследственности.

Понятие о генотипе и фенотипе, видах изменчивости.

Генетика – это наука, изучающая закономерности наследственности и изменчивости живых организмов, в том числе и микроорганизмов.

Наследственность – это свойство живого организма (в том числе и микроорганизма) передавать потомству признаки и особенности развития родителей (видовые признаки).

Изменчивость – это свойство живого организма (в том числе и микроорганизма) изменяться (изменять видовые признаки), обеспечивая разнообразие живого как на уровне одной отдельной клетки , так и на уровне вида.

Исторические этапы становления генетики микроорганизмов.

0. Эвристический (донаучный) период.

Судя по археологическим данным, 6000 лет назад надписи на глиняных табличках гласили: «физические признаки могут передаваться от одного поколения другому»; в частности, вавилонские глиняные таблички указывают на возможные признаки при скрещивании лошадей, улучшение породы других животных и сортов растений.

I . Эмпирический (научный) период (середина XIX века).

Исходной точкой становления генетики как науки послужили труды Г. Менделя. В 1865 г. австрийский монах Грегор Мендель обнародовал труды по скрещиванию сортов гороха: «наследственные признаки не смешиваются, а передаются от родителей к потомкам в виде обособленных (дискретных) единиц». Однако эти работы настолько опередили развитие биологии того времени, что оказались невостребованными.

Однако корни генетики бактерий берут свое начало от первых попыток систематики бактерий. Работы Л. Пастера и Р. Коха побудили открытие новых микроорганизмов, необходимо было их систематизировать, то есть сопоставить сходные признаки и различия. И здесь мнения ученых разделились. Существовало мнение полиморфистов (плеоморфисты) , которые считали, что все свойства бактерий изменяются, и мономорфистов , которые утверждали, что свойства микроорганизмов неизменны. После длительной дискуссии победу одержали плеоморфисты, а результаты почти векового спора двух направлений послужили основой для генетики бактерий.

II . Классический период (начало XX века).

В 1900 г. К. Корренс, Э. фон Чермак, Г. Де Фриз в работах по гибридизации бактерий переоткрывают законы Менделя, которые к тому времени были забыты. С этого момента начинается бурное развитие генетики высших организмов (растений, животных).

В 1903 г. Иогансен предложил термин «ген».

В 1906 г. Бетсон дал определение «генетики».

В 1925 г. Надсон, Филипов изучили действие рентгеновских лучей на дрожжи, в 1927 г. изучены термические мутации.

В 1928 г. Фредерик Гриффитс обнаружил молекулу наследственности, которая передается от бактерии к бактерии.

III . Период молекулярной генетики (с середины XX века).

Основные открытия в генетике бактерий приходятся на середину XIX века, когда у ученых появилась возможность не просто систематизировать сведения об изменчивости и наследственности, но и расшифровать их «тонкие» механизмы. В этот период была проведены расшифровка структуры ДНК, триплетного кода, описание механизмов синтеза белка, обнаружение рестриктаз и секвенирование ДНК.

В 1944 г. О. Эвери, К. Мак Леод, М. Мак Карти изолируют ДНК, осуществив трансформацию бескапсульных пневмококков в капсульные in vitro, тем самым доказав, что материальной единицей наследственности (генетическим материалом) у бактерий является ДНК.

В 1952 г. Чейз доказывает, что генетическая информация бактериофагов содержится также в ДНК.

В 1953 г. Ф. Крик, Д. Уотсон смоделировали структуру и репликацию ДНК, обосновали приложимость этой модели к наследственности и изменчивости микроорганизмов.

В 40-50 гг. – были выявлены системы рекомбинации у бактерий: трансдукция, трансформация и конъюгация. Затем открыты внехромосомные факторы наследственности: плазмиды, транспозоны, Is-элементы и т.д.

В 1958 г. Шталь доказал, что удвоение ДНК у бактерий носит полуконсервативный характер.

В 1961 г. Ф. Крик, Бернет и Д. Уотсон сформулировали общие принципы организации генетического кода на примере генетического кода E. coli (код является триплетным, вырожденным и неперекрывающимся).

В 1970 г. у бактерий палочки инфлюэнцы обнаружены ферменты рестриктазы.

В 1977 г. лаборатория Зангера полностью секвенировала геном бактериофага.

В 1983 г. Кэри Мелис открывает ПЦР для простой и быстрой амплификации ДНК.

В 1995 г. полностью секвенирован геном организма невирусной природы – бактерии Haemophylus influenzae.

В 1996 г. впервые секвенирован геном пекарских дрожжей (Saccharomyces cerevisiae).

В 1998 г. секвенирован геном многоклеточного организма – нематоды.

В 2001 г. сделаны первые «наброски» полной последовательности генома человека.

В 2003 г. секвенировано 99% генома человека.

В настоящее время развивается биотехнология , инженерная энзимология – использование микробных ферментов на носителе (разработан препарат иммобилизованная стрептокиназа – «стрептодеказа», который вводят в сосуд для растворения тромба; растворимая в воде полисахаридная матрица с привязанной стрептокиназой повышает устойчивость фермента, снижает его токсичность, аллергическое действие, повышает способность растворять тромбы). Бурными темпами развивается клеточная инженерия (гибридомы), тканевая инженерия (способ получения кератоноцитов), генная инженерия (получен промышленный штамм микроорганизма-сверхпродуцента, синтезирующего аминокислоту «треонин» для добавления в корм животным с целью наращивания мышечной ткани).

Недостатки высших организмов как моделей для генетических исследований:

длительность эксперимента (продолжительный срок жизни экспериментального животного);

ограниченное число особей, используемое в эксперименте;

диплоидный набор хромосом;

требования ухода и специального содержания животных;

экономические затраты.

сходная с высшими организмами структура наследственности – ДНК;

возможность получения популяций, содержащих миллиарды микробных клеток, в короткие сроки;

гаплоидный набор хромосом (исключает явление доминантности и позволяет выявлять мутации с высокой частотой);

наличие автономных и интегрированных фрагментов ДНК (плазмиды, транспозоны, Is-элементы и др.);

половая дифференциация в виде донорских и реципиентных клеток.

Организация генетического аппарата бактериальной клетки.

Материальной единицей наследственности , определяющей генетические свойства всех живых организмов, в том числе бактерий и вирусов (исключение РНК-содержащие вирусы), является ДНК .

Хромосома бактериальной клетки представляет собой кольцевую двухцепочечную молекулу ДНК, организованную в нуклеоид.

Молекула ДНК бактерий, как и других организмов, представляет собой длинные двойные цепи мономеров – нуклеотиды . Каждый мононуклеотид содержит одно из азотистых оснований (аденин/гуанин, цитозин/тимин), одну молекулу сахара (дезоксирибозу) и остаток фосфорной кислоты. Нуклеотиды в ДНК соединены между собой фосфодиэфирными связями. Мононуклеотиды формируют полинуклеотиды , а те цепочки ДНК . Две полинуклеотидные цепи, закрученные правильными ветками вокруг общей оси, соединены между собой водородными связями , которые устанавливаются между пуриновым основанием одной цепи и пиримидиновым основанием другой (аденин из одной цепи связывается с тимином другой, а гуанин с цитозином). При этом, суммарное отношение А+Т/Г+Ц является величиной постоянной для каждого вида микроорганизмов (правило Чаргафа ) и колеблется от 0,45 до 2,73.

Информация о видовых признаках и свойствах бактерий заключена в генах.

Ген – это участок молекулы ДНК, несущий информацию о первичной структуре полипептида белка или РНК.

Гены, несущие информацию о синтезируемых микроорганизмами ферментах или структурных белках, называются структурными . Гены, регулирующие функционирование (транскрипцию) структурных генов, называются регуляторными (регуляторные элементы – операторы, промоторы, регуляторы).

До недавнего времени считалось, что последовательность гена непрерывна. Однако исследования показали, что она может прерываться вкрапленными в нее нетранслируемыми участками (интронами ). Соответственно, ген может состоять из отдельных фрагментов, соединяющихся воедино во время генной экспрессии. Таким образом, структура гена сложнее, чем ранее предполагалось.

Отличие генома прокариот от генома эукариот.

Репликация – это воспроизведение ДНК путем самоудвоения.

Репликация ДНК у бактерий начинается в строго определенной точке хромосомы (локусе – oriC), носит полуконсервативный характер, идет одновременно в двух противоположных направлениях и заканчивается также в строго фиксированной точке (terminus ).

Стадии репликации ДНК:

Разрезание молекулы ДНК с помощью фермента рестриктазы .

Раскручивание цепей ДНК с участием изомеразы и их разделение хеликазами с образованием репликаторной вилки.

Стабилизация однонитевых участков ДНК ДНК-связывающим белком .

Каждая из спиралей становиться матрицей, на которой достраивается молекула ДНК по закону комплементарности пар оснований:

особенность репликации ДНК является необходимость в затравке – коротких фрагментов РНК, которые синтезируются с помощью ДНК-праймазы ;

репликация ДНК осуществляется с помощью фермента ДНК-полимеразы , которая осуществляет синтез ДНК только в направлении 5" → 3", а поскольку цепи ДНК антипараллельны репликация происходит своеобразно: на одной из матричной цепи («ведущей») синтез ДНК идет непрерывно, а на другой («отстающей») цепи ДНК-полимераза должна возвращаться, чтобы наращивать нить тоже в направлении 5" → 3", поэтому репликация идет прерывисто, короткими фрагментами (≈1-2 тыс. пар нуклеотидов, названные по имени открывшего их ученого фрагментами Оказаки ) – участок РНК-затравки вырезается с помощью эндонуклеазы и заменяется сегментами Оказаки, сшивании их с матричной ДНК присходит с помощью лигаз .

Ревизия ДНК-полимеразой вновь синтезированных фрагментов ДНК (для исключения ошибочного включения нуклеотидов).

Внехромосомные факторы наследственности.

Внехромосомные факторы наследственности входят в состав многих микроорганизмов, особенно бактерий. Они представлены плазмидами и мигрирующими элементами – Is -последовательностями, транспозонами (Tn ), конъюгативными транспозонами (CTn ), интегронами (In ), генными островами (ГО) и бактериофагами , которые являются молекулами ДНК, отличающиеся друг от друга молекулярной массой, объемом закодированной в них информации, способностью к самостоятельной репликации и другими признаками. Они не являются жизненно важными для бактериальной клетки элементами, поскольку не несут информации о синтезе ферментов, участвующих в пластическом или энергетическом метаболизме, но они могут передавать бактериям определенные селективные преимущества, например резистентность к антибиотикам.

Плазмиды – это автономные кольцевые молекулы двунитевой ДНК с молекулярной массой меньше, чем у нуклеоида (размеры варьируют от 1,5 до 200 mD=10 3 -10 6 пар нуклеотидов), способные к саморепликации.

Спонтанная/индуцированная утрата плазмид называется элиминацией.

Особенности:

саморегулируемая репликация;

явление поверхностного исключения (не позволяют проникать в клетку, уже содержащую плазмиду, другой родственной ей плазмиде);

явление несовместимости (две близкородственные плазмиды не могут стабильно сосуществовать в одной клетке);

контроль числа копий плазмиды на хромосому клетки (реализуется собственными плазмидными генами репликации);

контроль стабильного сохранения плазмид в клетке;

контроль равномерного распределения дочерних плазмид в дочерние бактериальные клетки;

способность к самопереносу у конъюгативных плазмид;

способность к мобилизации на перенос у неконъюгативных плазмид (способность к передаче только в присутствии трансмиссивных плазмид , используя их аппарат конъюгации);

способность наделять клетку дополнительными важными для нее биологическими свойствами, способствующими выживанию бактерий.

регуляторная (компенсируют нарушения метаболизма ДНК бактериальной клетки, регулируют саморепликацию, контролируют самоперенос или мобилизацию на самоперенос и другие функции самой плазмиды);

кодирующая (внесение в бактериальную клетку новой информации, наделяя ее дополнительными свойствами).

По молекулярной массе:

крупные (1-2 на клетку);

мелкие (до 30).


По способности передаваться от одной клетки к другой:

конъюгативные (трансмиссивные);

неконъюгативные (мобилизуемые).

По совместимости в одной клетке:

совместимые;

несовместимые (близкородственные).

По фенотипическому проявлению признака:

криптические (скрытые);

некриптические.

По детерминированному признаку:

R-плазмиды (от англ. resistance – противодействие, содержат гены – r-гены, ответственные за устойчивость к лекарственным препаратам).

с изменением проницаемости поверхностных структур бактериальной клетки для антибиотиков;

с синтезом ферментов, разрушающих или модифицирующих антибиотики (β-лактамазы, ацетилирование хлорамфеникола).


Плазмиды патогенности – Ent и Hly (содержат tox-гены, ответственные за синтез токсинов – энтеротоксинов и гемолизинов соответственно);

Бактериоциногенные плазмиды (например, Col-плазмида у E. coli содержат гены, ответственные за синтез бактериоцинов).

F-плазмида (половой фактор/фактор фертильности, содержит гены, контролирующие конъюгацию).

Плазмиды биодеградации (несут информацию об утилизации некоторых органических соединений, которые бактерии используют в качестве источников углеводов и энергии, например урологические штаммы E. coli содержат плазмиду гидролизации мочевины).

Транспозоны (Tn -элементы) – нуклеотидные посдедовательности, включающие 2000-20500 пар нуклеотидов. Состав – фрагмент ДНК (специфический, несущий гены) и два концевых Is-элемента. Могут находиться в свободном состоянии в виде кольцевой молекулы.

Особенности:

не способны к самостоятельной репликации (воспроизведению), только в составе хромосом;

несут генетическую информацию, необходимую для транспозиции (перемещение);

каждый транспозон содержит гены, привносящие важные для бактерий характеристики (устойчивость к антибиотикам, токсинообразование и т.д.);

содержат гены, определяющие фенотипические признаки (легче выявить).

способны к перемещению с одного репликона (хромосомная ДНК) на другой (плазмиды, хромосома другой бактерии, бактериофаг) и наоборот: при включении в ДНК вызывают дупликации , а при перемещении – делеции и инверсии;

регуляторная;

кодирующая.

самостоятельно не реплицируются;

не кодируют распознаваемых фенотипических признаков;

индукция мутаций типа делеции (выпадение нуклеотидов) или инверсии (поворот участка ДНК на 180 0) при перемещении и дупликации (повтор участка ДНК) при встраивании в хромосому;

координация взаимодействий плазмид, транспозонов и профагов (между собой и бактериальной хромосомой).

Генотип – это совокупность генов, определяющих способность микроорганизмов к фенотипическому проявлению любого их признака.

Различают истинный генотип и плазмотип.

Истинный генотип – совокупность генов, сосредоточенных в бактериальной хромосоме и отвечающих за проявление жизненно важных признаков и свойств.

Плазмотип – совокупность внехромосомных генов, локализованных в плазмидах и транспозонах и отвечающих за нежизненно важные признаки и свойства, но придающие определенные преимущества перед другими особями популяции (устойчивость к антибиотикам).

Фенотип – это совокупность всех внешних и внутренних признаков микроорганизмов, которые проявляются в данных условиях и данный момент.

Ненаследственная (модификационная, фенотипическая) изменчивость – это временные ненаследуемые изменения признаков или свойств, не затрагивающие генотипа (не сопровождаются изменениями в первичной структуре ДНК) и возникающие под действием факторов окружающей среды.

Модификационная изменчивость не играет существенной роли в эволюции бактерий, так как не приводит к появлению новых видов. По существу это адаптивная (приспособительная) реакция бактерий на изменение условий окружающей среды, позволяющая быстро приспосабливаться и сохранять численность популяции. Внешне модификации чаще всего проявляются изменениями морфологических и биохимических свойств. При устранении фактора, вызвавшего изменения, бактерия возвращается к исходному фенотипу.

Например:

Способность патогенных бактерий под действием пенициллина или лизоцима образовывать L-формы, у которых отсутствует клеточная стенка, являющаяся мишенью для пенициллина. После устранения пенициллина L-формы переходят в исходный фенотип – начинают синтезировать клеточную стенку.

Ряд ученых к стандартным проявлениям модификационной изменчивости относят диссоциации.

Диссоциации (от англ. dissociation – расщепление) – это своеобразная форма модификационной изменчивости, проявляющаяся в образовании разных типов колоний на плотных питательных средах под воздействии неблагоприятных факторов (неоптимальная температура, рН, старении культуры, действие сывороток и бактериофагов и т.д.).

Это явление характерно прежде всего для энтеробактерий и в основе диссоциаций лежат мутации , приводящие к утрате генов, контролирующих синтез боковых цепей ЛПС клеточной стенки грамотрицательных бактерий.

S -колонии (от англ. smooth – гладкий, ровный) – выпуклые, правильной круглой формы с ровным краем и гладкой поверхностью;

M -колонии (от лат. mucoid – слизистый) – слизистые, вязкой консистенции, часто с концентрическими кольцами на поверхности;

D -колонии (от англ. dwarf – карлик) – карликовые, мелкие дочерни колонии вокруг основной;

L -колонии (названы в честь Листера) – микроскопические колонии с нежным кружевным краем и втянутым в среду центром, нередко коричнево-желтого цвета;

R -колонии (от англ. rough – грубый, неровный, шероховатый) – неправильной формы с неровным изрезанным краем и шероховатой , изрезанной, морщинистой поверперхностью, сухие, крошащиеся.

Значение диссоциаций: R-формы более устойчивы к действию факторов окружающей среды.

Наследственная (генотипическая) изменчивость – это изменения фенотипа, сопровождающиеся изменениями в структуре генотипа (первичной структуре ДНК) и передающиеся по наследству.

Генотипическая изменчивость не реверсирует к исходному фенотипу после устранения воздействующего фактора и играет важную роль в эволюции бактерий (появление новых видов). В основе генотипической изменчивости лежат мутации и рекомбинации .

Мутации (от лат. mutation – перемена) – изменения первичной структуры ДНК, проявляющиеся наследственно закрепленной утратой или изменением какого-либо признака или свойства. Мутации приводят к гибели 90-95% клеток популяции, однако выжившие клетки приобретают преимущества перед другими клетками популяции.

Факторы, приводящие к мутациям, получили название мутагенов .

Виды мутагенов:

физические (УФЛ, температура, магнитные поля, УЗ, ионизирующее излучение);

химические (акридиновые и анилиновые красители, аналоги азотистых оснований – азотная кислота, нитрофураны, нитрозосоединения – нитрозогуанидин, нитромочевина и др.);

биологические (бактериофаги, фитонциды, антибиотики – саркомицин).

По происхождению:

спонтанные – возникают без видимых вмешательств из вне, т.е. мутагенный фактор остается не установленным (частота ≈ 1:10 6 -10 9);

индуцированные – возникают под действием различных известных мутагенов.


По локализации:

нуклеоидные (ядерные);

цитоплазматические (плазмидные).

По количеству мутировавших генов и характеру изменений в первичной структуре ДНК:

генные (точковые) – затрагивают только один ген и обусловлены заменой, выпадением или вставкой дополнительных оснований:

простая замена (транзиция) – замена пурина на пурин или пиримидина на пиримидин;

сложная замена (трансверсия) – замена пурина на пиримидин или наоборот;

замена одного кодона (аминокислоты) на другой;

сдвиг рамки считывания, что приводит к изменению всех последующих кодонов (нонсенс мутации);

возникновение бессмысленных кодонов, что приводит к прекращению трансляции в данной точке;

хромосомные – затрагивают несколько генов:

делеции – выпадение фрагмента ДНК;

инверсии – поворот фрагмента ДНК на 180 0 ;

дупликации – повторение фрагмента ДНК;

транслокации – перемещение фрагмента ДНК из одной позиции в другую.

По направленности:

прямые – первичные мутации;

обратные – вторичные мутации, возникающие в этом же гене под действием другого мутагена, в результате чего может произойти восстановление исходного фенотипа (если восстанавливается фенотип без восстановления генотипа, мутация называется супрессорной).

По последствия для мутировавших клеток:

нейтральная – мутация произошла, а фенотипически не проявляется;

условно-летальные – частичная утрата признака или свойства;

летальные – полная утрата признака или свойства, если признак жизненно важный, то клетка погибает.

По фенотипическому проявлению:

морфологические – утрата или изменение морфологических структур клетки (форма, капсула, жгутики и др.);

биохимические – утрата или изменение способности синтезировать ферменты, аминокислоты и т.д.

УФЛ приводят к образованию тиминовых димеров в ДНК (прочных связей между соседними тиминами в одной и той же цепи), которые препятствую работе ДНК-полимеразы, нарушая тем самым репликацию ДНК;

ионизирующее излучение вызывает одноцепочечные разрывы ДНК;

акридиновые красители вызывают выпадения или вставки оснований;

азотистая кислота приводит к дезаминированию азотистых оснований с заменой гуанин+цитозин на аденин+тимин (транзиция) и т.д.

Репарация – это процесс восстановления поврежденной в результате мутации ДНК с помощью специальных ферментативных систем.

В настоящее время известно три основных направления восстановления поврежденной ДНК:

непосредственная прямая реверсия от поврежденной ДНК к исходной структуре (фотореактивация );

выпадение (эксцизия) повреждений с последующим восстановлением исходной структуры ДНК (эксцизионная темновая репарация и эксцизионная репарация, опосредованная ДНК-гликозилазой );

активация механизмов, обеспечивающих устойчивость к повреждениям (пострепликативная рекомбинационная репарация – обеспечивает репарации в процессе рекомбинаций, SOS -репарация – склонная к ошибкам: восполнение дефекта наугад, хаотично, поэтому характерны ошибки, mismatch -репарация – корригирует ошибочные пары оснований).

Фотореактивация (световая, пострепликативная репарация) – открыта Келнером в 1949 г. , представляет собой наиболее простой механизм, действие которого может распространяться даже на одноцепочечную ДНК. Протекает в одну стадию на свету: при облучении видимым светом происходит активация фермента – фотолиазы , которая расщепляет пиримидиновые димеры до мономеров.

Фотореактивация характеризуется высокой специфичностью и полным восстановлением исходной структуры ДНК без дополнительных ее изменений.

Эксцизионная темновая (дорепликативная) репарация – протекает в несколько стадий без участия света, т.е. в темноте:

Вырезание и удаление (расщепление) поврежденного участка ДНК с помощью эндо- и экзонуклеазы .

Зачистка прилегающих участков и восстановление удаленного участка по матрице второй нити ДНК с помощью ДНК-полимеразы I .

Сшивание вновь синтезированного участка с исходной цепью ДНК с помощью лигазы .

Рекомбинационная изменчивость – это генотипическая изменчивость, возникающая при встраивании чужеродной ДНК в генном клетки-хозяина (суть – это односторонний обмен генетическим материалом между донором и реципиентом, отличающихся друг от друга по одному или нескольким признаком, для создания нового индивидуума – рекомбинанта, наделенного свойствами и донора и реципиента).

Если генетические рекомбинации у эукариот совершаются в ходе полового размножения с образованием двух рекомбинантных особей, то прокариотам не свойственно половое размножение и рекомбинации у них приводят к образованию только одной рекомбинантной особи, геном которой представлен геномом реципиента с включенным в него фрагментом ДНК донора.

Передача генетического материала от одной бактерии другим происходит путем трансформации , трансдукции и конъюгации.

Трансформация (впервые открыта Ф. Гриффитсом в 1928 г. в опытах с живыми авирулентными (бескапсульными) и убитыми вирулентными (капсульными) пневмококками на белых мышах) – это непосредственная передача генетического материала (предварительно выделенной и очищенной ДНК) от одной бактерии (донор) другой (реципиент) / изменение свойств одной бактериальной клетки под влиянием ДНК, выделенной из другой бактериальной клетки.

Трансформация происходит только в опытах с бактериями одного и того же вида, имеющих разный генотип.

Условия трансформации:

клетка реципиента должна быть компетентной (иметь на поверхности клеточной стенки рецепторы для адсорбции и проникновения донорской ДНК);

донорская ДНК должна иметь молекулярную массу не менее 10 6 D;

наличие двойной спирали ДНК;

наличие в ДНК донора и реципиента гомологичных участков.

Адсорбция двуцепочечной ДНК донора на рецепторах компетентной клетки-реципиента и ферментное расщепление связавшейся ДНК с образованием фрагментов с молекулярной массой 4-5×10 6 D.

Проникновение фрагментов ДНК донора в клетку-реципиента с разрушением одной из цепей.

Соединение ДНК донора с гомологичным участком хромосомы реципиента.

Различают три типа трансдукции:

специфическая – бактериофаги переносят от бактерии-донора к бактерии-реципиенту строго определенные гены (гены, расположенные на хромосоме клетки-донора рядом с профагом) и могут встраиваться только в строго определенный локус хромосомы бактерии-реципиента;

неспецифическая (генерализованная) – вместе с фаговой ДНК в клетку-реципиент могут быть перенесены любые гены донора, способные встраиваться в любую точку ДНК;

абортивная – принесенный фагом фрагмент ДНК бактерии-донора не включается в хромосому бактерии-реципиента, а располагается в ее цитоплазме и может в таком виде функционировать (при делении бактериальной клетки фрагмент ДНК донора передается только одной из двух дочерних клеток и в конечном итоге утрачивается).

Клетке-донору необходимо наличие F-плазмиды (полового фактора). Бактерии, не имеющие F-плазмиды, являются реципиентами.

Этапы конъюгации автономных плазмид:

Прикрепление клетки-донора к клетке-реципиенту при помощи половых ворсинок.

Образование между клетками конъюгативного мостика.

Передача через конъюгативный мостик от донора к реципиенту F-плазмиды и других плазмид, находящихся в цитоплазме бактерии-донора в автономном состоянии.

Генетика бактерий и вирусов.

Формирование новых знаний. Лекционный блок

План изучения темы:

1. Генетический материал бактерий.

2. Классификация и биологическая роль плазмид.

3.Генетика вирусов

4. Биотехнология, генетическая инженерия.

5.Противомикробные препараты

Молекулярная биология, изучающая фундаментальные основы жизни, является в значительной степени детищем микробиологии. В качестве базовых объектов изучения в ней используют вирусы и бактерии, а основное направление - молекулярная генетика основана на генетике бактерий и фагов.

Бактерии - удобный материал для генетики. Их отличает :

Относительная простота генома (сопокупности нуклеотидов хромосом);

Гаплоидность (один набор генов), исключающая доминантность признаков;

Различные интегрированные в хромосомы и обособленные фрагменты ДНК;

Половая дифференциация в виде донорских и реципиентных клеток;

Легкость культивирования, быстрота накопления биомасс.

Общие представления о генетике.

Ген- уникальная структурная единица наследственности, носитель и хранитель жизни. Он имеет три фундаментальные 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 оснований (букв).

3.Эволюция организмов - благодаря мутациям и генетическим рекомбинациям.

В узкоспециальном плане ген чаще всœего представляет структурную единицу ДНК, расположение кодонов в которой детерминирует первичную структуру соответствующей полипептидной цепи (белка). Хромосома состоит из особых функциональных единиц- оперонов.

Основные этапы развития (усложнения) генетической системы можно представить в виде следующей схемы:

кодон à ген à оперон à геном вирусов и плазмид à хромосома прокариот (нуклеоид) à хромосомы эукариот (ядро).

1.Ядерные структуры бактерий - хроматиновые тельца или нуклеоиды (хромосомная ДНК). У бактерий одна замкнутая кольцевидная хромосома (до 4 тысяч отдельных генов). Бактериальная клетка гаплоидна, а удвоение хромосомы (репликация ДНК) сопровождается делœением клетки. Вегетативная репликация хромосомной (и плазмидной) ДНК обусловливает передачу генетической информации по вертикали- от родительской клетки- к дочерней. Передача генетической информации по горизонтали осуществляется различными механизмами - в результате конъюгации, трансдукции, трансформации, сексдукции.

2.Внехромосомные молекулы ДНК представлены плазмидами, мигрирующими генетическими элементами - транспозонами и инсервационными (вставочными) или IS- последовательностями.

Плазмиды- экстрахромосомный генетический материал (ДНК), более просто устроенные по сравнению с вирусами организмы, наделяющие бактерии дополнительными полезными свойствами. По молекулярной массе плазмиды значительно меньше хромосомной ДНК, содержат от 40 до 50 генов.

Их выделœение в отдельный класс определяется существенными отличиями от вирусов.

1.Среда их обитания - только бактерии (среди вирусов, кроме вирусов бактерий- бактериофагов имеются вирусы растений и животных).

2.Плазмиды сосуществуют с бактериями, наделяя их дополнительными свойствами. У вирусов эти свойства бывают только у умеренных фагов при лизогении бактерий, чаще же всœего вирусы вызывают отрицательный последствия, лизис клеток.

3.Геном представлен двунитевой ДНК.

4.Плазмиды представляют из себя"голые" геномы, не имеющие никакой оболочки, их репликация не требует синтеза структурных белков и процессов самосборки.

Плазмиды могут распространяться по вертикали (при клеточном делœении) и по горизонтали, прежде всœего путем конъюгационного переноса. Учитывая зависимость отналичия 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).

Генетический материал бактерий. - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Генетический материал бактерий." 2017, 2018.

Генетика микроорганизмов как наука

Замечание 1

Примерно до конца $30$-х годов $XX$ века считалось, что микроорганизмы не имеют ядерного аппарата. Поэтому вопросы наследственности и изменчивости микроорганизмов тщательно не изучались.

Лишь с изобретением электронного микроскопа появилась возможность рассмотреть субмикроскопическую структуру клетки вообще и микроорганизмов в частности.

С начала $40$-х годов ученые-генетики обращают свое внимание на микроорганизмы. Бактерии, микроскопические грибы и вирусы становятся объектами генетических исследований. Формируется новая отрасль микробиологии – генетика микроорганизмов.

Генетика микроорганизмов – это раздел общей генетики, в котором предметом изучения служат микроорганизмы (бактерии, вирусы, микроскопические грибы) и особенности их наследственности и изменчивости.

Характерной особенностью микроорганизмов является гаплоидный набор хромосом или кольцевая молекула ДНК. Это дает возможность мутациям проявиться уже в первом поколении потомков.

Начало микробиологических генетических исследований

Благодаря изучению субмикроскопической структуры клеток микроорганизмов удалось найти ответы на многие вопросы генетики. Американсие генетики О.Т. Эйвери, К. Мак-Леод и М. Маккарти, проводя опыты на пневмококках, получили первые доказательства того, что материальным носителем наследственности является молекула ДНК. Исследования хлебной плесени позволило сформулировать положение, что один ген программирует синтез одной полипептидной цепи (одногобелка).

Но особенно интенсивно стали исследовать микроорганизмы с точки зрения генетики после того, как американскими микробиологами С. Лурия и М. Дельброком на примере кишечной палочки было доказано универсальность закономерностей мутационного процесса. Они доказали, что и бактерии подчиняются мутационным закономерностям.

В науке появился новый принцип изучения изменчивости у бактерий – клональный анализ. Он заключается в тщательном исследовании потомства одной клетки. Эта клетка становится родоначальником клона.

Изучение бактерий

В результате кропотливых исследований американским генетикам Дж. И Э. Ледербергам удалось доказать, что у бактерий мутации возникают независимо от условий их культивирования. Они разработали метод отпечатков, который позволил очень упростить приемы отбора микроорганизмов с желаемыми свойствами для дальнейших исследований. Они доказали, что больших популяциях клеток бактерий мутации происходят неупорядочено – спонтанно.

В $1946$ году было доказано, что бактериям тоже присущ половой процесс, были открыты явления конъюгации хромосом и рекомбинации генов, переноса генетической информации от одной бактериальной клетки к другой при посредстве бактериофага.

Существует мнение, что в кольцевой молекуле нуклеиновой кислоты клеток прокариот «прочтение информации» зависит от места начала «считывания». В зависимости от того, с какого нуклеотида начался этот процесс, находится и синтез того или иного белка.

Изучение фагов

Изучая особенности взаимоотношений «бактерия – бактериофаг», американские генетики открыли явление трансдукции (переноса генов между бактериальными клетками с помощью фагов) и обнаружили рекомбинацию у фагов. Это дало возможность изучать вопросы наследственности на уровне молекул (молекулярный уровень организации материи).

Немецкие микробиологи исследовали молекулу РНК. Для каждой из групп микроорганизмов была разработана методика исследований.

Генетика грибов и водорослей

Низшие грибы и водоросли имеют половой процесс несколько отличный от полового процесса других организмов. Благодаря их изучению появился новый метод – тетрадный анализ. Исследуя эти организмы, ученые разрабатывали методику объединения ядер генетически различных штаммов микроорганизмов. Все эти методы могут в дальнейшем послужить для выведения организмов с заданными качествами, для разработки новых поколений антибиотиков и биологически активных веществ, а также для борьбы со многими видами заболеваний растений, животных и, конечно же, человека.

Замечание 2

Но вопросы генной инженерии требуют осторожного подхода к изучению и применению полученной информации на практике. Ведь не ясно, к каким последствиям может привести появление генетически модифицированных организмов в природе и в человеческом организме.

ЛФ, ФИУ, ПФ. Занятие № 6

А. Основные положения

Организация генетического материала у бактерий.

Наследственная информация бактерий хранится в ДНК, которая в прокариотической клетке является циркулярно замкнутой, двух цепочечной, суперспирализованной и представлена двумя типами молекул: большая – нуклеоид, где закодированы жизненно важные признаки, и малые – внехромосомные факторы наследственности (плазмиды, транспозоны, IS-последовательности, и умеренные бактериофаги), в которых закодированы дополнительные признаки.

Внехромосомные факторы наследственности и их встраивание их в нуклеоид.

Плазмиды могут, подобно нуклеоиду, самореплицироваться и поэтому относятся к автономным факторам наследственности (в отличие от остальных – неавтономных, которые способны реплицироваться лишь в составе нуклеоида или плазмиды), кроме того, плазмиды, как и умеренные фаги, могут встраиваться в нуклеоид только в гомологичных участках, в отличие от транспозонов и IS-последовательностей, способных встраиваться в нуклеоид в любых его участках.

Плазмиды.

Плазмиды выполняют в бактериальной клетке две возможные функции – регуляторную (содержа в себя дупликаты некоторых нуклеоидных генов) и кодирующую (неся гены, которых в нуклеоиде нет), могут существовать в двух состояниях (автономном, т.е. вне нуклеоида, и интегрированном в нуклеоид), а в зависимости от содержания в них tra-оперона – быть конъюгативными (если этот оперон содержится в данной плазмиде) и неконъгативными.

Функции tra-оперона.

Tra-оперон обуславливает возможность процесса конъюгации (детерминирует образование конъюгативных пилей и процесс одностороннего переноса через них генетического материала: плазмиды или участка нуклеоида).

F-плазмиды.

F-плазмиды представляют собой собственно tra-оперон, без каких-либо дополнительных генов, они детерминирует перенос при конъюгации себя, а также другую молекулу ДНК, в которую интегрирована F-плазмида (если это молекула ДНК – неконъюгационная плазмида, то в результате интеграции F-плазмиды она становится конъюгационной и передаётся через конъюгационную пилю, если это молекула ДНК – нуклеоид, то при конъюгации передаётся его часть, но не сама F-плазмида).

Формирование различных состояний плазмиды F.

F-плазмида из автономного состояния может переходить в интегрированное в нуклеоид состояние (в этом случае она называется Hfr-фактором), а также возвращаться в автономное состояние (или полностью сохраняя свой состав или «обмениваясь» с нуклеоидом своим концевым участком – в последнем случая такая рекомбинантная плазмида называется F’-плазмидой).

R-плазмиды.

R-плазмиды – это плазмиды, детерминирующие множественную лекарственную устойчивость (или резистентность, откуда и название) бактериальной клетки к антибиотикам; они состоят из генов, детерминирующих такую устойчивость (r-оперон) и F-плазмиды (которая в этом случае носит название RTF-фактора.

Состав r-оперона.

Этот оперон содержит гены, детерминирующие устойчивость к антибиотикам, а также в его состав может входить транспозон или его часть – IS-пос­ледовательность.

Механизмы устойчивости бактерий к антибиотикам, обусловленные наличием R-плазмид.

R-плазмида может детерминировать: способность бактериальной клетки инактивировать антибиотик, способность бактериальной клетки модифицировать антибиотик с потерей последним своей антибактериальной активности, способность бактериальной клетки снижать проницаемость клеточной стенки для данного антибиотика.

Бактериоциногенные плазмиды (на примере col-плазмиды E.coli).

Бактериоциногенные плазмиды детерминируют синтез антибиотикоподобных веществ – бактериоцинов; у кишечной палочки бактериоциногенные плазмиды называются колициногенными (как и у других бактерий – по названию вида) или Col-плазмидами, а бактериоцины – колицинами (по такому же принципу).

Характеристика колицинов.

Колицины представляют собой белки, которые убивают бактериальную клетку, но не лизируют её.

Транспозоны.

Транспозоны – нуклеотидные последовательности, включающие в себя IS-последовательности (которые обуславливают способность транспозонов менять место локализации в молекуле ДНК, а также «перескакивать» из одной молекулы ДНК в другую – так называемые «прыгающие гены»), гены, детерминирующие какой-либо признак, а также особые концевые структуры, благодаря которым транспозоны могут находиться в автономном состоянии (поскольку, благодаря этим «липким концам» замыкаются в кольцо).

IS-последовательности.

IS-последовательности включают в себя только гены транспозиции, в отличие от транспозонов не могут находиться в автономно состоянии.

Механизмы фаговой конверсии.

Когда в результате лизогенизации (т.е. встраивание в геном умеренного бактериофага) бактерия приобретает дополнительный признак, это может быть обусловлено тремя возможными механизмами: дерепрессией гена профага, внесением соответствующего гена дефектным фагом, запуском «молчащего» из-за повреждения собственного промотора гена промотором профага.

Модификации у бактерий.

Модификациями называются фенотипическая изменчивость у бактерий.

Мутации у бактерий.

При мутационной изменчивости у бактерий происходят изменения в первичной структуре ДНК, которые выражаются в наследственно закреплённой утрате или изменении какого-либо признака (или признаков); при спонтанных мутациях факторы, их вызвавший (мутаген) не известен – наиболее часто спонтанные мутации происходят в результате ошибки ДНК-полимеразы при репликации ДНК, среди спонтанных мутаций выделяют инсертационные мутации, которые происходят вследствие встраивания в нуклеоид внехромосомных факторов наследственности; индуцированные мутации у бактерий вызываются в эксперименте действием конкретного мутагена.

SR-диссоциации.

SR-диссоциацией называется такое явление, когда в чистой культуре, образующей S-формы колоний, появляются R-формы; по своему механизму SR-диссоциация – это инсертационная мутация, приводящая к утрате генов, контролирующих синтез полисахаридных звеньев ЛПС наружной мембраны клеточной стенки.

Мутагены.

Под мутагенами понимают химические вещества или физические факторы, вызывающие предмутационные изменения в ДНК, которые в результате ошибок репарирующих ферментов или в процессе репарации переходят в мутацию.

Репарации у бактерий.

Этим термином обозначают процесс восстановления повреждённой ДНК ферментами репарационных систем бактериальной клетки.

Рекомбинационная изменчивость у бактерий.

Под рекомбинационной изменчивостью понимают изменчивость, происходящую в результате включения в ДНК реципиентной клетки участка ДНК донорской клетки; у бактерий насчитывают пять видов генетических рекомбинаций (т.е. пять видов рекомбинационной изменчивости): трансформация (непосредственная передача генетического материала от донорской к реципиентной клетке), трансдукция (передача генетического материала от донорской к реципиентной клетке с помощью дефектных бактериофагов), конъюгация (передача генетического материала от донорской к реципиентной клетке с помощью конъюгационных пилей), лизогенизация (при ней в геном реципиентной клетки внедряется экзогенный генетический материал – геном умеренного фага), фаговая конверсия (отличается от лизогенизации лишь тем, что фенотип донорской клетки изменяется).

Генная инженерия в медицинской микробиологии.

В медицинской микробиологии все шире используются методы генной инженерии, с помощью которых «заставляют» микроорганизмы продуцировать нужные медицинской практике препараты (вакцины, гормоны, интерфероны, цитокины и др.), путем внесения в их геном соответствующего гена, т.е. получения рекомбинантного штамма с нужными свойствами путем «направленной» рекомбинационной изменчивости.

Генетические методы, применяемые в микробиологической диагностике.

В современной медицине все большее распространение получают генетические методы микробиологической диагностики: определение процентного содержания гуанина и цитозина в бактериальном геноме, метод молекулярной гибридизации и особенно – полимеразная цепная реакция (ПЦР).

Метод молекулярной гибридизации.

Этот метод используется для выявления степени сходства различных ДНК (при идентификации микроорганизмов проводят сравнение ДНК выделенного штамма с ДНК эталонного штамма).

Полимеразная цепная реакция.

ПЦР можно проводить для достижения трех целей: для обнаружения в патологическом материале конкретного вида микроорганизма без выделения чистой культуры, для идентификации выделенных чистых культур микроорганизмов, для генотипирования микроорганизмов, т.е. определения генетических вариантов одного вида; принцип осуществления ПЦР заключается в увеличении (амплификации) количества искомого гена при положительной или отсутствии такого увеличения при отрицательной реакции (т.е. проводится экстракция ДНК и, если в ней содержится искомый ген, ее количество в процессе реакции резко увеличивается, что выявляется с помощью электрофореза).

Б. Лекционный курс

В. Теоретический материал

ОРГАНИЗАЦИЯ ГЕНЕТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА У БАКТЕРИЙ

11.1. Общая схема организации генетического материала бактериальной клетки

Организация генетического материала у бактерий основана на общем для всех форм на Земле принципе. Поэтому данный материал излагается с учетом знания студентами курса общей генетики: освещаются лишь те генетические особенности, которые характерны для прокариотической клетки. Наследственная информация бактерий, как и у всех форм клеточной жизни (в отличие от вирусов), хранится в ДНК (Рис. 11.1-1), которая в прокариотической клетке представлена двумя типами молекул.

Рис. 11.1-1. Схема строения ДНК

А. Жизненно важные признаки, без которых бактериальная клетка не может существовать, закодированы в нуклеоиде (см. раздел 4.2).

Б. Не жизненно важные признаки закодированы у бактерий во внехромосомных факторах наследственности : плазмидах, транспозонах, IS-последовательностях и умеренных бактериофагах. Без этих признаков бактериальная клетка может существовать в обычных условиях, но дополнительные признаки, закодированные во внехромосомных факторах наследственности, придают ряду клеток популяции дополнительные возможности выживания при изменении условий внешней среды и, за счет повышения гетерогенности популяции, усиливают адаптационные возможности последней. Например, признак устойчивости к пенициллину в обычных условиях не востребован и не влияет на жизнеспособность бактериальной клетки, но при появлении этого антибиотика во внешней среде выжить могут только те бактерии, которые имеют плазмиду, кодирующую соответствующий признак. А выжить в присутствии пенициллина смогут только те бактериальные популяции, в составе которых есть клетки, несущие соответствующую плазмиду.

1. По способности к саморепликации внехромосомные факторы наследственности делятся на две группы: автономные и неавтономные.

а. Автономными внехромосомными факторами наследственности у бактерий являются плазмиды. Это значит, что они способны реплицироваться самостоятельно, обладая собственным соответствующим опероном.

б. Неавтономными внехромосомными факторами наследственности у бактерий являются транспозоны, IS-последовательности и умеренные фаги. Не обладая собственным опероном, обеспечивающим репликацию, они могут реплицироваться только в молекуле ДНК, обладающей таким опероном – или в нуклеоиде или в плазмиде.

2. Все внехромосомные факторы наследственности у бактерий могут встраиваться в нуклеоид (и, соответственно, выходить из его состава). В зависимости от места встраивания в нуклеоид внехромосомные факторы наследственности также делятся на две группы.

а. Только в гомологичных участках могут встраиваться в нуклеоид плазмиды и умеренные бактериофаги. Это значит, что для конкретной плазмиды и для конкретного умеренного бактериофага есть только одно место в нуклеоиде, где эта конкретная плазмида или этот конкретный бактериофаг могут включиться в состав нуклеоида.

б. В любых участках могут встраиваться в нуклеоид транспозоны и IS-последовательности.

11.2. Плазмиды

Плазмиды – внехромосомные автономные факторы наследственности у бактерий.

А. Плазмиды, как и другие внехромосомные факторы наследственности бактерий, увеличивают генетическую гетерогенность бактериальной популяции. Это и можно рассматривать как их основную функцию, которые они выполняют вместе с транспозонами, IS-последовательностями и умеренными бактериофагами. Конкретно же плазмиды выделяют две функции : регуляторную и кодирующую.

1. Плазмиды могут нести те же гены, которые имеются в нуклеоиде. Если один из этих генов нуклеоида по какой-либо причине «замолчит», то «включиться идентичный гены плазмиды – нужный признак по-прежнему будет присутствовать в фенотипе бактериальной клетки. Эта функция плазмид называется регуляторной .

2. Кодирующая функция плазмид заключается в том, что в них могут находиться гены, отсутствующие в бактериальной хромосоме (т.е. нуклеоиде). Собственно эта функция плазмид совпадает с общей функцией всех внехромосомных факторов наследственности – повышать гетерогенность генотипа популяции.

Б. Как и большинство других внехромосомных факторов наследственности, плазмиды могут существовать в бактериальной клетке в двух состояниях .

1. Если плазмида находится вне нуклеоида, в цитоплазме, говорят о ее автономном состоянии (не путать с понятием «автономный фактор наследственности»).

2. Плазмида, включенная в состав нуклеоида, находится в интегрированном состоянии.

В. В зависимости от содержания tra-оперона (о котором подробнее будет сказано ниже) плазмиды также делятся на две группы.

1. Плазмиды, содержащие в своем состав tra-оперон, называются конъюгативными , потому что такие плазмиды могут обуславливать передачу генетического материала от донорской клетки к реципиентной в процессе конъюгации (см. раздел 13.1).

а. Tra-оперон детерминирует образование конъюгативных пилей .

б. Кроме этого tra-оперон детерминирует цепь событий, которая называется мобилизацией на перенос . При этом участок двухцепочечной ДНК сначала расплетается, затем одна его цепочка переходит через конъюгативную пилю в другую, реципиентную, бактериальную клетку, где уже достраивается комплиментарная вторая нить. Таким образом, донорская клетка при конъюгации не теряет генетический материал, а реципиентная – приобретает его (несмотря на кажущийся смысл определения конъюгации как «перенос генетического материала от донорской к реципиентной клетке с помощью конъюгативных пилей).

1 . Tra-оперон может мобилизовывать на перенос саму конъюгативную плазмиду (как это происходит в случае передачи при конъюгации плазмиды F + , см. раздел 11.3).

2 . Tra-оперон может мобилизовывать на перенос другую, неконъюгативную, плазмиду (как это происходит в случае передачи при конъюгации плазмиды RTF, см. раздел 11.4).

3 . Tra-оперон может мобилизовывать на перенос участок нуклеоида донорской клетки (как это происходит при конъюгации, обусловленной плазмидой Hfr, см. раздел 11.3).

2. Плазмиды, не несущие tra-оперона, называются, соответственно, неконъюгативными , т.к. не способны обуславливать процесс конъюгации.

Г. На две группы делятся плазмиды и по степени контроля над их репликацией со стороны нуклеоида.

1. Большие плазмиды (т.е. имеющие относительно большой молекулярный вес) находятся под строгим контролем со стороны нуклеоида над своей репликацией. Нуклеоид «позволяет» им, как правило, лишь одно «лишнее» деление. Соответственно в клетке такие плазмиды находятся в одной или двух копиях.

2. Малые плазмиды (т.е. имеющие относительно малый молекулярный вес) находятся под ослабленным контролем со стороны нуклеоида над своей репликацией и могут делиться значительно чаще его – поэтому в бактериальной клетке может одновременно находится до 30 копий таких плазмид.

Д. Наконец, плазмиды классифицируются на группы несовместимости . Дело в том, что родственные плазмиды не могут одновременно находиться в одной бактериальной клетке, т.к. если одна из них уже в ней присутствует, то другая проникнуть в нее уже не сможет (такое явление называется иммунитет к суперинфекции и касается также взаимоотношения вирусов с чувствительной клеткой). В результате родственные друг другу плазмиды, не совместимые в одной клетке, составляют одну группу несовместимости. В настоящее время таких групп несовместимости насчитывается среди плазмид более двадцати.

11.3. F-плазмиды

F-плазмиды представляют собой собственно tra-оперон, без каких-либо дополнительных генов. Эту плазмиду называют еще половым фактором или фактором фертильности (откуда и название) потому что наличие F-плазмиды превращает клетку в возможного донора наследственного материала при конъюгации (т.е. в «мужскую» клетку), соответственно клетка, лишенная F-плазмиды, является потенциальным реципиентом генетического материала при конъюгации («женской» клеткой). Реципиентная клетка, получив при конъюгации F-плазмиду, превращается тем самым из женской в мужскую (т.е. происходит «смена пола»).

А. F-плазмида, находящаяся в интегрированном состоянии, носит название Hfr-плазмиды (high frequency of recombination – высокая частота рекомбинации). Если донорская клетка при конъюгации содержит Hfr-фактор, то при конъюгации разрыв цепочки нуклеоида происходит в месте прикрепления этого фактора и в конъюгационный мостик начинает входить противоположенный от места нахождения Hfr-фактора конец ДНК. Так как конъюгационный мостик не стоек, контакт между клетками при конъюгации кратковременен и вся цепочка ДНК нуклеоида просто не успевает перейти в реципиентную клетку. Следовательно, сам Hfr-фактор при этом виде конъюгации не передается (не происходит смена пола), а внедрившийся в реципиентную клетку фрагмент нуклеоида с высокой частотой (т.к. конъюгация происходит, как правило, между клетками одного вида) рекомбинирует с хромосомой реципиентной клетки.

Б. F-плазмида , находясь в автономном состоянии, сама переходит при конъюгации в реципиентную клетку. При этом реципиентная клетка превращается из «женской» в «мужскую» (т.е. происходит смена пола), но внедрившийся в реципиентную клетку генетический материал, представленный плазмидным генами, редко рекомбинирует с бактериальной хромосомой, потому что имеет по отношению к хромосомному генетическому материалу сравнительно низкую степень гомологии.

В. Половой фактор может переходить из автономного состояния в интеграционное и из интеграционного – в автономное. Последний процесс может сопровождаться обменом прилегающих частей плазмиды и нуклеотида, в результате чего перешедшая в автономное состояние плазмида окажется рекомбинационной – будет содержать фрагмент нуклеоида, оставив в нем взамен него свой фрагмент. Такая плазмида обозначается как F’-плазмида . Если донорская клетка при конъюгации несет F’-плазмиду, то она переходит в реципиентную клетку, производя у последней «смену пола», но при этом и обуславливает высокую частоту рекомбинации (благодаря включенному фрагменту нуклеоида). Формирование различных состояний F-плазмиды, описанное выше иллюстрируется на Рис. 11-3-1.

11.4. R-плазмиды

R-плазмиды – это плазмиды, детерминирующие множественную лекарственную устойчивость (или резистентность, откуда и название) бактериальной клетки к антибактериальным веществам (прежде всего антибиотикам).

А. Состав R-плазмиды определяется наличием в нем двух основных оперонов. Поэтому эта плазмида может находиться в двух формах.

1. Если в состав R-плазмиды входит tra-оперон, то в этом случае R-плазмида является конъюгативной . Tra-оперон в составе этой плазмиды называется RTF-фактор (resistance transfer factor – фактор, передающий устойчивость). Гены, детерминирующие устойчивость к антибиотикам, формируют так называемый r-оперон (если быть более точным, то устойчивость к каждому антибиотику детерминирует отдельный r-оперон – т.е. в состав R-плазмиды входит несколько r-оперонов), который, в свою очередь, тоже может существовать как самостоятельная плазмида. Другими словами, конъюгативная R-плазмида состоит из двух плазмид: RTF-фактора и r-фактора (что можно понимать как включение меньшей r-плазмиды в состав большей RTF-плазмиды).

2. Неконъюгативная форма этой плазмиды состоит только из r-оперона(-ов).

Б. В состав r-оперона может входить множество генов.

1. Во-первых, это гены, детерминирующие синтез специфических ферментов .

а. Это могут быть ферменты, инактивирующие антибиотик .

б. Или ферменты, модифицирующие антибиотик . При этом модифицированный антибиотик (например, фосфорилированный) теряет свою антибактериальную активность.

в. Наконец, это могут быть ферменты, которые снижают проницаемость клеточной стенки к данному антибиотику, в результате чего он не может проникнуть внутрь бактериальной клетки и «добраться» до мишени своего действия (например, до рибосом, чтобы блокировать здесь синтез белка).

2. И во-вторых, r-оперона может содержать целый транспозон или его часть – IS-пос­ледовательность (см. ниже).

В. Из состава r-оперона становятся понятны основные механизмы устойчивости бактерий к антибиотикам , обусловленные наличием R-плазмид. Их три.

1. R-плазмида может детерминировать способность бактериальной клетки инактивировать антибиотик .

2. Или R-плазмида может детерминировать способность бактериальной клетки таким образом модифицировать антибиотик , что он в результате потеряет свою антибактериальную активность.

3. И, наконец, R-плазмида может детерминировать снижение проницаемости клеточной стенки для данного антибиотика и, таким образом, закрыть ему доступ к мишени его действия.

Г. R-плазмида не всегда передается посредством конъюгации.

1. У грамположительных бактерий R-плазмида чаще всего передается посредством трансдукции .

2. Посредством конъюгации R-плазмида чаще всего передается у грамотрицательных бактерий.

11.5. Бактериоциногенные плазмиды (на примере Col-плазмиды E.coli)

Бактериоциногенные плазмиды присущи практически всем видам бактерий. Они детерминируют синтез антибиотикоподобных веществ – бактериоцинов. Мы рассмотрим эти плазмиды на примере кишечной палочки. У нее бактериоциногенные плазмиды называются колициногенными (как и у других бактерий – по названию вида) или Col-плазмидами (наиболее многочисленная группа колициногенных плазмид), а бактериоцины – колицинами (по такому же принципу).

А. Состав Col-плазмиды определяется наличием в нем двух основных оперонов.

1. Эта плазмида содержит, во-первых, гены, детерминирующие синтез колицинов .

а. Колицины представляют собой белки .

б. Насчитывается более 25 типов колицинов.

в. Колицины не действуют на клетку, несущую колициногенную плазмиду идентичного типа.

г. Колицины убивают бактериальную клетку, но не лизируют ее, что предотвращает появление в среде обитания оставшихся в живых бактерий токсических продуктов клеточного распада.

2. И, во-вторых, Col-плазмида содержит tra-оперон . Соответственно она относится к конъюгативным плазмидам.

Б. Col-плазмида отличается от других плазмид рядом присущих только ей особенностей .

1. В отличие от других конъюгативных плазмид Col-плазмида редко интегрирует в нуклеоид. Хотя все конъюгативные плазмиды по определению способны это делать, иначе они не смогли бы мобилизовывать на перенос участок бактериальной хромосомы (см. раздел 11.3.А).

2. Col-плазмида обычно репрессирована , т.е. информация с нее не снимается. Т.е. признак, который она детерминирует, в обычных условиях клетке не нужен.

3. Когда же данный признак становится востребован и Col-плазмида дерепрессируется, то бактериальная клетка синтезирует колицины и погибает. Другими словами, Col-плазмида является потенциально летальной .

В. Значение Col-плазмиды можно рассматривать с двух точек зрения.

1. Биологическое значение Col-плазмиды заключается в том, что с ее помощью достигается разрежение популяции при недостатке питательного субстрата. Происходит это по следующей схеме (Рис. 11.5-1).

а. В популяции присутствуют клетки с различными типами Col-плазмиды (на рисунке помечены различным цветом). При истощении питательной среды Col-плазмида в одной из клеток дерепрессируется, эта клетка синтезирует соответствующий тип колицина и погибает.

б. Колицины действуют только на те клетки, которые не содержат Col-плазмиду, детерминирующую синтез колицинов именно этого типа. Соответственно клетки, содержащие Col-плазмиду, детерминирующую синтез колицинов данного типа остаются живыми.

в. Все же другие клетки популяции, несущие Col-плазмиды других типов, погибают, популяция разряжается («едоков» становится меньше) и, как результат, может продлить свою жизнь на обедненной среде.

2. Медицинское значение Col-плазмида плазмиды заключается в том, что с ее помощью кишечные палочки, в норме заселяющие кишечник человека, регулируют нормальный микробиоценоз – совокупность микроорганизмов, населяющих кишечных здорового человека, так как колицины действуют не только на клетки своего вида, но и на клетки других видов бактерий кишечной группы.

11.6. Транспозоны

Транспозоны, впрочем, как и IS-последовательности, часто называют «прыгающими генами». Вследствие своей способности, в отличие от плазмид и умеренных фагов, внедряться в молекулу ДНК (нуклеоид, плазмиду или умеренный фаг) в любых, а не только в гомологичных, участках, они могут менять место своей локализации в той молекуле ДНК, в которой они интегрированы. Кроме того, они могут «перескакивать» также и из одной молекулы ДНК в другую.

А. Транспозонам обычно дается следующее определение : это нуклеотидные последовательности (от 2 000 до 20 000 пар нуклеотидов), способные менять место своей локализации в молекуле ДНК и мигрировать из одной молекулы ДНК в другую.

Б. В бактериальной клетке они могут находиться в двух состояниях .

1. Транспозон может находиться в интегрированном состоянии, т.е. быть встроенным в репликон (нуклеоид или плазмиду) и, соответственно, реплицироваться в составе этого репликона.

2. Транспозон может находиться в бактериальной клетке и в автономном состоянии (т.е. вне репликона). В этом случае он замыкается в кольцо, но, будучи не в состоянии самореплицироваться, при делении клетки переходит только в одну из двух вновь образованных.

В. Транспозон состоит из трех основных частей.

1. Он содержит особые концевые структуры , которые отличают транспозон от других фрагментов ДНК, встречающихся в бактериальной клетке, и являющихся, таким образом, маркерами именно этого внехромосомного фактора наследственности.

2. Способность транспозона менять место своей локализации в молекуле ДНК и мигрировать из одной молекулы ДНК в другую детерминируют особые гены транспозиции (собственно, это и есть IS-последовательности).

3. Кроме этого, транспозон содержит гены, детерминирующие синтез белков , обуславливающих наличие у содержащей данный транспозон бактериальной клетки дополнительных признаков.

а. Часто такие гены детерминируют способность бактериальной клетки синтезировать тот или иной белковый токсин .

б. Не менее часто транспозон детерминирует устойчивость клетки к какому-либо антибиотику (именно одному, в отличие от R-плазмиды).

в. Реже транспозон детерминирует синтез белков, обуславливающих другие признаки .

11.7. IS-последовательности

IS-последовательности (insert sequences – вставные последовательности) входят в состав транспозона, обеспечивая его способность к транспозиции.

А. IS-последовательностям обычно дается следующее определение : это вставки нуклеотидных последовательностей (порядка 1 000 пар нуклеотидов), способных к транспозиции.

Б. IS-последовательности принципиально отличаются от транспозонов .

1. Во-первых, они содержат только гены транспозиции .

2. Во-вторых, они не обнаружены в свободном состоянии .

В. IS-последовательности выполняют три основные функции .

1. С их помощью осуществляется координация взаимодействия внехромосомных факторов наследственности между собой и с бактериальной хромосомой для обеспечения их рекомбинации.

2. Кроме этого они могут осуществлять регуляторную функцию (т.е. регулировать транскрипции генов путём их «включения/выключения»).

3. Наконец, IS-последовательности могут индуцировать мутации (инверсии, дупликации на протяжении 5-9 пар нуклеотидов).

11.8. Механизмы фаговой конверсии

Здесь, после изложения сведений о бактериофаге и о внехромосомных факторах наследственности у бактерий, можно обобщить сведения о механизмах фаговой конверсии (см. раздел 10.4.Б.2), когда в результате лизогенизации (т.е. встраивание в геном умеренного бактериофага) бактерия приобретает дополнительный признак.

А. Во-первых это явление может быть обусловлено дерепрессией гена профага , как об этом было сказано выше (см. раздел 10.4.Б.2).

Б. Во-вторых дополнительный признак может детерминироваться геном бактерии-донора, внесенным в геном бактерии-реципиента дефектным фагом при специализированной трансдукции (см. раздел 10.4.В.2).

В. И в-третьих, если умеренный бактериофаг интегрировался около поврежденного промотора одного из генов, то функцию этого неработающего промотора может «взять на себя» промотор профага, восстановив тем самым экспрессию «молчавшего» гена бактерии-реципиента.

Похожая информация.

Лекция № 6. Генетика бактерий и вирусов.

Молекулярная биология, изучающая фундаментальные основы жизни, является в значительной степени детищем микробиологии. В качестве основных объектов изучения в ней используют вирусы и бактерии, а основное направление- молекулярная генетика основана на генетике бактерий и фагов.

Бактерии- удобный материал для генетики. Их отличает:

Относительная простота генома (сопокупности нуклеотидов хромосом);

- гаплоидность (один набор генов), исключающая доминантность признаков;

- различные интегрированные в хромосомы и обособленные фрагменты ДНК ;

Половая дифференциация в виде донорских и реципиентных клеток;

Легкость культивирования, быстрота накопления биомасс.

Общие представления о генетике.

Ген- уникальная структурная единица наследственности, носитель и хранитель жизни. Он имеет три фундаментальные 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 оснований (букв).

3.Эволюция организмов- благодаря мутациям и генетическим рекомбинациям.

В 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.

Основные этапы развития (усложнения) генетической системы можно представить в виде следующей схемы:

кодон  ген  оперон  геном вирусов и плазмид  хромосома прокариот (нуклеоид)  хромосомы эукариот (ядро).

Генетический материал бактерий.

1.Ядерные структуры бактерий - хроматиновые тельца или нуклеоиды (хромосомная ДНК). У бактерий одна замкнутая кольцевидная хромосома (до 4 тысяч отдельных генов). Бактериальная клетка гаплоидна, а удвоение хромосомы (репликация ДНК) сопровождается делением клетки. Вегетативная репликация хромосомной (и плазмидной) ДНК обусловливает передачу генетической информации по вертикали- от родительской клетки- к дочерней. Передача генетической информации по горизонтали осуществляется различными механизмами- в результате конъюгации, трансдукции, трансформации, сексдукции.

2.Внехромосомные молекулы ДНК представлены плазмидами, мигрирующими генетическими элементами- транспозонами и инсервационными (вставочными) или IS - последовательностями.

Плазмиды- экстрахромосомный генетический материал (ДНК), более просто устроенные по сравнению с вирусами организмы, наделяющие бактерии дополнительными полезными свойствами. По молекулярной массе плазмиды значительно меньше хромосомной ДНК, содержат от 40 до 50 генов.

Их выделение в отдельный класс определяется существенными отличиями от вирусов.

1.Среда их обитания- только бактерии (среди вирусов, кроме вирусов бактерий- бактериофагов имеются вирусы растений и животных).

2.Плазмиды 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.

3.Геном представлен двунитевой ДНК.

4.Плазмиды представляют собой “голые” геномы, не имеющие никакой оболочки, их репликация не требует синтеза структурных белков и процессов самосборки.

Плазмиды 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 ).

Классификация 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.

1.F- плазмиды - донорские функции, индуцируют деление (от fertility - плодовитость). Интегрированные F - плазмиды- Hfr- плазмиды (высокой частоты рекомбинаций).

2.R- плазмиды (resistance) - устойчивость к лекарственным препаратам.

3.Col- плазмиды- синтез колицинов (бактериоцинов)- факторов конкуренции близкородственных бактерий (антогонизм). На этом свойстве основано колицинотипирование штаммов.

4.Hly- плазмиды- синтез гемолизинов.

5.Ent- плазмиды- синтез энтеротоксинов.

6.Tox- плазмиды- токсинообразование.

Близкородственные плазмиды не способны стабильно сосуществовать, что позволило объединить их по степени родства в Inc- группы (incompatibility- несовместимость).

Биологическая роль плазмид многообразна, в том числе:

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.

Мигрирующие 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. Их функции- координация взаимодействия плазмид, умеренных фагов, транспозонов и генофора для обеспечения репродукции, регуляция активности генов, индукция мутаций. Величина IS- элементов не превышает 1500 пар оснований.

Транспозоны (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- самоинтегрирующиеся фрагменты ДНК, могут встраиваться и перемещаться среди хромосом, плазмид, умеренных фагов, т.е. обладают потенциальной способностью распространяться среди различных видов бактерий.

Понятие о генотипе и фенотипе.

Генотип- вся совокупность имеющихся у организма генов.

Фенотип - совокупность реализованных (т.е. внешних) генетически детерминированных признаков, т.е. индивидуальное (в определенных условиях внешней среды) проявление генотипа. При изменении условий существования фенотип бактерий изменяется при сохранении генотипа.

Изменчивость 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.

Стандартное 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. Диссоциация протекает обычно в направлении S R. Диссоциация 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.

Генетические рекомбинации- изменчивость, связанная с обменом генетической информации. Генетические рекомбинации могут осуществляться путем трансформации, трансдукции, конъюгации, слияния протопластов.

1.Трансформация- захват и поглощение фрагментов чужой ДНК и образование на этой основе рекомбинанта.

2.Трансдукция- перенос генетического материала фагами (умеренными фагами- специфическая трансдукция).

3.Конъюгация- при непосредственном контакте клеток. Контролируется tra (transfer) опероном. Главную роль играют конъюгативные F- плазмиды.

Генетика вирусов.

Геном вирусов содержит или РНК, или ДНК (РНК- и ДНК- вирусы соответственно). Выделяют позитивную (+) РНК, обладающую матричной активностью и соответственно- инфекционными свойствами, и негативную (-) РНК, не проявляющую инфекционные свойства, которая для воспроизводства толжна транскрибироваться (превращаться) в +РНК. Механизмы репродукции различных вирусов очень сложные и существенно отличаются. Основные их схематические варианты представлены ниже.

1. вирионная (матричная) +РНК  комплементарная -РНК (в рибосомах)  вирионная +РНК.

2. - РНК  вирусная (информационная) +РНК  - РНК (формируется на геноме зараженной клетки).

3. однонитевая ДНК: +ДНК  +ДНК -ДНК  +ДНК -ДНК +ДНК  +ДНК.

4. ретровирусная однонитевая РНК: РНК  ДНК (провирус)  РНК.

5. двунитевая ДНК: разделение нитей ДНК и формирование на каждой комплементарной нити ДНК.

Генофонд вирусов создается и пополняется из четырех основных источников:

двух внутренних (мутации, рекомбинации) и двух внешних (включение в геном генетического материала клетки хозяина, поток генов из других вирусных популяций).

Комплементация - функциональное взаимодействие двух дефектных вирусов, способствующее их репликации и горизонтальной передаче.

Фенотипическое смешивание - при заражении клетки близкородственными вирусами с образованием вирионов с гибридными капсидами, кодируемыми геномами двух вирусов.

Популяционная изменчивость вирусов связана с двумя разнонаправленными процессами - мутациями и селекцией, связанными с внешней средой как индуктором мутаций и фактором стабилизирующего отбора. Гетерогенность вирусных популяций- адаптационный генетический механизм, способствующий пластичности (устойчивости, приспособляемости) популяций, фактор эволюции и сохранения видов во внешней среде.

Генофонд вирусных популяций сохраняется за счет нескольких механизмов:

Восстановления изменчивости за счет мутаций;

Резервирующих механизмов (возможность перехода любых, даже негативных мутаций в следующую генерацию)- комплементация, рекомбинация;

Буферных механизмов (образование дефектных вирусных частиц, иммунных комплексов и др.), способствующие сохранению вируса в изменяющихся внешних условиях.

Главная » Глаголы » Генетический материал бактерий содержится в. Микробиология: конспект лекций (К