ТЕМА ЛЕКЦИИ: «Генетика бактерий.»
План лекции:
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.
| Прокариоты | Эукариоты |
| ДНК не ограничена ядерной мембраной (располагается в цитоплазме свободно) | ДНК ограничена ядерной мембраной |
| ДНК суперспирализована | ДНК не суперспирализована |
| Циркулярная ДНК (замкнута в кольцо) | Линейная ДНК |
| Не содержат гистонные белки | Содержат гистонные белки |
| Гаплоидный набор хромосом | Диплоидный набор хромосом |
| Бинарное деление | Делятся митозом |
| Наличие обособленных фрагментов ДНК (плазмиды, транспозоны, Is-элементы и др.) | Отсутствие обособленных фрагментов ДНК |
| Передача генетической информации как по вертикали (от материнской клетки – дочерним), так и по горизонтали (от клетки-донора к клетке-реципиенту) | Передача генетической информации только по вертикали (от родителей – детям) |
Особенности репликации бактериальной ДНК.
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).
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).
Бактериоциногенные плазмиды (например, Col-плазмида у E. coli содержат гены, ответственные за синтез бактериоцинов).
В отличии от других плазмид, факторы бактериоциногенности реже интегрируются в хромосому, редко элиминируются, многие не обладают конъюгативностью.
F-плазмида (половой фактор/фактор фертильности, содержит гены, контролирующие конъюгацию).
| Состояние F-плазмиды в клетке | Обозначение бактериалной клетки |
| в автономном состоянии | F + -донор |
| в интегрированном в хромосому | Hfr-донор |
| в автономном состоянии с фрагментами хромосомной ДНК | F " -донор |
| отсутствует в клетке | F – -реципиент |
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.
Особенности:
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).
Понятие о генотипе и фенотипе, видах изменчивости.
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.
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.
Явление наследственности связано со спецификой молекулы ДНК, которая программирует процессы индивидуального развития особей бактерий. У высших растительных и животных организмов вся генетическая информация заложена в ядре, содержащем полный набор хромосом. Аналог ядра у бактерий представлен нуклеотидом, состоящим из одной уложенной или развернутой молекулы ДНК. Генетический материал бактерий представлен ДНК, в молекулах которой закодирована информация о структуре клеточных белков.
Двунитевая молекула ДНК-хромосомы бактерии кишечной палочки состоит из 1,7х107 нуклеотидных пар. Ее молекулярная масса составляет примерно 3% сухой массы клетки бактерии. Единицей наследственности является ген, представляющий собой участок ДНК, в котором зашифрована последовательность аминокислот в полипептидной цепи, характеризующий отдельный признак особи. В отличии от растений и животных бактерии преимущественно являются гаплоидными – содержат одинарный набор генов и совмещают функции гаметы и особи.
Состав нуклеотида бактерий
Синтез каждого фермента, или более точно полипептидной цепи контролируется отдельным геном генома. Если в геноме бактерии отсутствует ген данного фермента, этот фермент не может быть синтезирован. ДНК представляет собой длинный полимер – полинуклеотид. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания – аденина, гуанина, цитозина или тимина и остатка сахара дезоксирибозы и фосфатной группы, с помощью которых нуклеотиды соединяются между собой.
ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД
ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД – составляет особая последовательность нуклеотидов на определенном участке ДНК. Последовательность оснований в ДНК характеризует собой структурную единицу – кодон, который кодирует каждую из 20 аминокислот, входящих в состав белков.
ГЕНОТИП
ГЕНОТИП – это комплекс генов, наследственно переданный особи материнской клеткой. Комплекс внешних и внутренних признаков бактерий, таких как форма, размеры, окраска, химический состав, биохимические и микроскопические особенности соответствуют фенотипу, то есть внешнему проявлению генотипа.
Транскрипция
Процесс синтеза белка, закодированный молекулой ДНК, осуществляется в несколько этапов и требует участия трех типов РНК:
Информационной (матричной) – и-РНК, транспортной – т-РНК, рибосомальной – р-РНК. Информационная РНК образуется припомощи специфического фермента РНК-полимеразы на матрице молекулы ДНК. При этом генетическая информация, определяемая типом последовательности чередования нуклеотидов, копируется в молекуле и-РНК.
Рибосомы бактерий
Информационная РНК направляется к рибосомам, находящимся в цитоплазме, которые представляют собой рибонуклеопротеиды, содержащие 63% РНК и 37% белка.
Рибосомы бактерий содержат три типа собственной рибосомальной РНК 5S, 16S, 26S. Кроме РНК субъединицы рибосом имеют индивидуальные белки. Предполагают, что белки выполняют функции формирования структуры рибосом и центров связывания активизированных аминокислот, а также обеспечивают правильность считывания матрицы.
Трансляция
Перевод четырехбуквенного (А,Т,Г,Ц) языка нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) на язык протеинов называется трансляцией. Реализация наследственной информации происходит в определенных условиях внешней среды. Различия в условиях среды накладывают свой отпечаток на развитие особей бактерий. Поэтому развитие бактерий необходимо рассматривать как следствие действий двух важнейших факторов – действия генотипа, влияния на особь факторов внешней среды.
Гетероморфизм
Под влиянием физических, химических и биологических воздействий некоторые микроорганизмы могут изменять свои морфологические признаки, принимая формы больших шаров, утолщенных нитей, колбовидных образований, ветвлений и т.д. Явление морфологических изменений у микробов Н.Ф.Гамалея назвал гетероморфизмом .
Диссоциация
Гетероморфизм легко возникает под влиянием солей лития, а также фага, кофеина, сульфаниламидов, антибиотиков, различных излучений, действия магнитных полей и других факторов. Любое изменение морфологических признаков, как правило, сопровождается изменением и физиологических свойств. Например, при посеве на плотную питательную среду чистой культуры образуются колонии двух основных типов: гладкие – S –формы и шероховатые R-формы. Такого рода изменчивость получила название диссоциация.
Генетическая изменчивость микроорганизмов
Изменчивость бактерий затрагивает и их потребность в метаболитах. Под влиянием антибиотиков, химических веществ, ультрафиолетового излучения у некоторых микробов появляется потребность в витаминах, аминокислотах, факторах роста, в которых не нуждались исходные штаммы.
Таким образом, в отличие от исходных прототрофов эти микроорганизмы превращаются в ауксотрофов.
Ненаследственная фенотипическая изменчивость
Под действием некоторых веществ могут изменяться ферментативные свойства бактерий. Еще более важным моментом является то, что под влиянием различных факторов изменяется степень патогенности у болезнетворных микробов.
Изменчивость микроорганизмов, возникающая под действием факторов внешней или внутренней среды, которая не сопровождается изменением структуры генотипа называется ненаследственной фенотипической изменчивостью.
Аттенуация
В процессе снижения степени патогенности микроорганизмов – аттенуации происходят наследственные генотипические изменения химического состава бактерий. У микобактерий туберкулеза уменьшается содержание липидов, у возбудителя чумы – белка, у туляремийных бактерий и бруцелл – снижение способности липидов к комплексообразованию.
L-формы бактерий
При воздействии пенициллином, химическими веществами или иммунными сыворотками на стафилококки, микобактерии туберкулеза и многие другие бактерии, возникают L-формы бактерий у которых нарушается синтез клеточной стенки. Микробная клетка превращается в большой шар с вакуолями, гранулами, зернистостью.
МУТАЦИИ
При необратимой утрате определенных звеньев биосинтеза клеточной стенки, у бактерий наблюдается наследственная генотипическая изменчивость – мутационная изменчивость.
Нуклеоидная мутация – происходящая в нуклеоиде.
Цитоплазматическая мутация – в ДНК цитоплазмы.
Происхождение мутации
Спонтанные, образующиеся под воздействием внешних факторов без вмешательства экспериментатора.
Индуцированные, возникающие в следствии обработки микробной популяции мутагенными факторами.
По механизму действия мутации
1. Точечные или мелкие, при которых в результате замены, вставки или выпадения одной пары азотистых оснований ДНК внутри самого гена изменяется генетический признак бактериальной клетки. Наблюдается спонтанная или индуцированная реверсия, т.е. восстановление утраченного или утрата приобретенного признака.
По механизму действия мутации
2. Крупные или множественные мутации, при которых наблюдается, в основном, летальный исход.
3. Супрессорные мутации – это эффекты приобретения или утраты признака, непосредственно не связанного с действием мутагена на структурный ген, ответственный за этот признак. Закономерный исход супрессорных мутаций – восстановление исходного генетического статуса.
Генетические рекомбинации
Суть явления – в реципиентную клетку попадает фрагмент экзогенной ДНК бактерии-донора, который взаимодействует с цельной хромосомой реципиента, в результате чего происходит рекомбинация (перераспределение) генетического материала с образованием рекомбинанта, имеющего признаки обоих родителей. Его хромосома состоит из двух хромосом - реципиента с фрагментами донора.
Фертильность
Для осуществления возможности скрещивания донор должен обладать свойствами фертильности (плодовитости).
Рекомбинация произойдет при наличии у реципиента рекомбинационных генов, а также при отсутствии факторов ограничения экспрессии чужеродной ДНК.
ТРАНСФОРМАЦИЯ
Это передача генетической информации, путем введения в клетку реципиента изолированной ДНК бактерии-донора. Трансформация эффективна в пределах одного вида.
Межвидовая трансформация получена у бактерии родов Neisseria, Bacillus, Streptoccocus.
ТРАНСДУКЦИЯ
Перенос генетической информации от донора реципиенту посредством умеренных бактериофагов, которые в отличие от вирулентных, не всегда вызывают лизис бактериальной клетки.
В трансдукции принимают участие бактерия-донор, трансдуцирующий фаг и бактерия-реципиент.
Различают три вида трансдукции:
Общая(неспецифическая) и специфическая трансдукция
Неспецифическая - передается любой участок хромосомы бактерий или несколько участков, определяющих целый ряд наследуемых признаков.
Специфическая – осуществляется группой фагов, которые способны трансдуцировать гены, расположенные рядом с местом включения генома фага в нуклеоид бактерий при ее лизогении.
Абортивная трансдукция
Когда внесенный фагом фрагмент нуклеоида не включается в нуклеоид реципиента и находится в цитоплазме, а при делении передается только одной клетке. У второй дочерней клетки остается генетический аппарат реципиента. Это проявляется в антигенной конверсии, влекущей за собой изменение антигенной структуры.
КОНЪЮГАЦИЯ
Это половой путь передачи генетического материала при непосредственном контакте клеток донора и реципиента. Необходимое условие – наличие у донора фактора фертильности. У Гр.- бактерий есть этот фактор. Скрещивание F + донора и F- реципиента сопровождается плодовитостью, F- х F- бесплодностью.
Конъюгативная плазмида
Это внехромосомная генетическая структура бактерий, представляющая замкнутое кольцо двунитевой ДНК, находящейся в цитоплазме в автономном состоянии и ориентирующаяся на передачу хромосомы, будучи с нею в интегрированном состоянии.
ПЛАЗМИДЫ
Плазмиды несут необязательные для клетки-хозяина гены и придают бактериям дополнительные свойства, которые могут им обеспечить преимущества по сравнению с бактериями, не имеющими плазмид.
Плазмиды несут факторы фертильности, резистентности, токсигенности, гемолизиса.
Фактор передачи
У конъюгативных плазмид в структуре есть генетический элемент трансмиссивности, обеспечивающий передачу генетической информации.
Плазмиды, не имеющие такой частицы и неспособные к самопередаче незываются неконъюгативными.
К нам относятся туберкулоцины, пестицины, вибриоцины.
Плазмиды – это очень удобная модель для генной инженерии.
И передается при конъюгации в клетки бактерий -реципиентов. Перенос генетического материала (ДНК) детерминируется tra-опероном... название «транскапсидация». Практическое значение учения о генетике микроорганизмов и генная инженерия в медицинской микробиологии...
Генетика микроорганизмов . Фенотипическая и генотипическая изменчивость
Реферат >> Биология... генетического материала от одной бактерии к другой при непосредственном контакте клетки. Клетки, передающие генетический материал , ... фрагмента донора. Практическое применение генетики микроорганизмов Достижения генетики широко применяются в народном хозяйстве...
Генетика и генетический код
Реферат >> БиологияК самоудвоению генетического материала и устойчивому сохранению... микроорганизмов - продуцентов антибиотиков, аминокислот. В последнее десятилетие возникло новое направление в молекулярной генетике ... бактерии и ввести его в генетический аппарат другой бактерии ...
Бактерии – прокариотические микроорганизмы, генетический материал которых в основном представлен единственной кольцевой двухцепочечной ДНК, называемой генетиками хромосомой. В относительно редких случаях хромосома представлена линейной молекулой ДНК.
Размер этой ДНК намного превышает размер самой бактериальной клетки. Так, например, у E. coli протяженность хромосомной ДНК равна 1300 мкм (1,3 мм – 4,6 х 10 6 п.н.), а размер клетки 1,1-1,5 х 2,0-6,0 мкм. Причем ДНК не заполняет всю клетку, а содержится только в ограниченной области, составляющей, весьма приблизительно, одну треть объема клетки.
Рис.1. Бактериальный геном и схема уровней его компактизации.
Отсюда следует, что ДНК существует в клетке в высокоупорядоченном (сконденсированном) состоянии в виде компактной структуры. Эта структура, отдаленно напоминая ядра эукариот, получила название нуклеоид и видна в микроскопе только после специфичных для ДНК окрасок (рис.1). В электронном микроскопе она выглядит как образование, состоящее из многочисленных петель, отходящих от плотной центральной области. Образование большого числа (до 140 на геном) петель, называемых доменами , является одним из уровней компактизации ДНК. Каждый домен закреплен у основания молекулой РНК и состоит примерно из 40 т.п.н. ДНК петель находится не в виде свободно вытянутого дуплекса, а имеет второй уровень компактизации за счет скручивания в сверхспиральные образования с помощью связи с белками HLP.
Эти белки имеют небольшой размер, обладают сильноосновными свойствами и прочно связываются с ДНК. По аминокислотному составу они напоминают гистоны эукариот.
Нуклеоид не отделен от цитоплазмы ядерной мембраной и прикреплен к мезосомам – специфическим впячиваниям цитоплазматической мембраны внутрь клетки. Связь ДНК со специфическим участком мембраны необходима для функционирования генома.
Кольцевая молекула ДНК бактерий (хромосома) представляет самореплицирующуюся генетическую молекулу – репликон . Репликация начинается с точки инициации репликации (ori – orign) , локализующейся, как правило, в участке прикрепления ДНК к мембране. От точки инициации репликация происходит последовательно, двунаправленно, по полуконсервативному механизму. Заканчивается репликация в районе терминации репликации (ter) , расположенном на участке кольцевой ДНК, противоположном точке начала репликации (рис.2).
Рис. 3. Распределение дочерних копий ДНК и деление клетки бактерий.
Число хромосом в одной клетке бактерий зависит от стадии развития и физиологических условий роста культуры. В логарифмической стадии роста у E. coli на 1 нуклеоид приходится 2,8 ДНК эквивалентов одного генома, вследствие замедленной сегрегации двух дочерних хромосом, или реинициации новых циклов репликации ДНК еще до деления клетки (рис.4).
Рис.4. Число хромосом в клетке в стационарной (А) и логарифмической (Б) стадиях роста культуры.
У некоторых бактерий клетки в норме содержат не одну, а много хромосом. Они могут формировать один или несколько нуклеоидов. Также наблюдается зависимость содержания ДНК в клетке от ее размеров, хотя это не означает соответствующего изменения объема генетической информации.
Для бактериальной ДНК характерна высокая плотность генов (1 ген на 1тпн). ДНК, кодирующая белки, составляет около 85-90% всей ДНК. Средний размер ДНК-последовательностей между генами – только 110-125 п.н. Некодирующая бактериальная ДНК занимает менее 1%, и она обычно представлена в виде транспозонов. Так, в ДНК штамма Escherichia coli K12 линии MG 1655 найдена 41 копия различных транспозонов (IS), которые участвуют в процессах внедрения и исключения плазмид. Многие фаги, исключаясь из генома бактерии не полностью, оставляют там в качестве следа некоторые свои гены. Эти остатки, не способные к самостоятельному перемещению и развитию, называют "криптическими" фагами.
Интроны встречаются в бактериальных геномах крайне редко. Имеются случаи перекрывания генов, где один ген находится внутри другого на той же нити ДНК. Для бактериальных геномов характерны опероны: у Е. coli 27% предсказанных транскрипционных единиц являются оперонами.
В клетке бактерий могут содержаться и другие репликоны, способные существовать отдельно от бактериальной хромосомы. Их называют плазмидами . Плазмиды представляют собой кольцевые (у некоторых видов линейные) молекулы двухцепочечной ДНК различных размеров от 1000 п.н. до почти трети величины самой бактериальной хромосомы. Количество и спектр плазмид в клетках бактерий может варьировать. Часто наблюдаются различия по спектру плазмид даже между клетками разных штаммов одного и того же вида бактерий. Некоторые плазмиды могут встраиваться в бактериальную хромосому, составляя при этом часть репликона бактерии, и могут вновь исключаться из нее, восстанавливая форму автономного репликона. Такие плазмиды называют эписомами .
В генетический материал бактерий могут быть включены и профаги.
Данная книга предназначена студентам медицинских образовательных учреждений. Это краткое пособие поможет при подготовке и сдаче экзамена по микробиологии. Материал изложен в очень удобной и запоминающейся форме и поможет студентам за сжатый срок детально освоить основные концепции и понятия курса, а также конкретизировать и систематизировать знания.
* * *
Приведённый ознакомительный фрагмент книги Микробиология: конспект лекций (К. В. Ткаченко) предоставлен нашим книжным партнёром - компанией ЛитРес .
ЛЕКЦИЯ № 4. Генетика микроорганизмов. Бактериофаги
1. Организация наследственного материала бактерий
Наследственный аппарат бактерий представлен одной хромосомой, которая представляет собой молекулу ДНК, она спирализована и свернута в кольцо. Это кольцо в одной точке прикреплено к цитоплазматической мембране. На бактериальной хромосоме располагаются отдельные гены.
Функциональными единицами генома бактерий, кроме хромосомных генов, являются:
1) IS-последовательности;
2) транспозоны;
3) плазмиды.
IS-последовательности – это короткие фрагменты ДНК. Они не несут структурных (кодирующих белок) генов, а содержат только гены, ответственные за транспозицию (способность перемещаться по хромосоме и встраиваться в различные ее участки).
Транспозоны – это более крупные молекулы ДНК. Помимо генов, ответственных за транспозицию, они содержат и структурный ген. Транспозоны способны перемещаться по хромосоме. Их положение сказывается на экспрессии генов. Транспозоны могут существовать и вне хромосомы (автономно), но неспособны к автономной репликации.
Плазмиды – дополнительный внехромосомный генетический материал. Представляет собой кольцевую, двунитевую молекулу ДНК, гены которой кодируют дополнительные свойства, придавая селективные преимущества клеткам. Плазмиды способны к автономной репликации, т. е. независимо от хромосомы или под слабым ее контролем. За счет автономной репликации плазмиды могут давать явление амплификации: одна и та же плазмида может находиться в нескольких копиях, тем самым усиливая проявление данного признака.
В зависимости от свойств признаков, которые кодируют плазмиды, различают:
1) R-плазмиды. Обеспечивают лекарственную устойчивость; могут содержать гены, ответственные за синтез ферментов, разрушающих лекарственные вещества, могут менять проницаемость мембран;
2) F-плазмиды. Кодируют пол у бактерий. Мужские клетки (F+) содержат F-плазмиду, женские (F-) – не содержат. Мужские клетки выступают в роли донора генетического материала при конъюгации, а женские – реципиента. Они отличаются поверхностным электрическим зарядом и поэтому притягиваются. От донора переходит сама F-плазмида, если она находится в автономном состоянии в клетке.
F-плазмиды способны интегрировать в хромосому клетки и выходить из интегрированного состояния в автономное. При этом захватываются хромосомные гены, которые клетка может отдавать при конъюгации;
3) Col-плазмиды. Кодируют синтез бактериоцинов. Это бактерицидные вещества, действующие на близкородственные бактерии;
4) Tox-плазмиды. Кодируют выработку экзотоксинов;
5) плазмиды биодеградации. Кодируют ферменты, с помощью которых бактерии могут утилизировать ксенобиотики.
Потеря клеткой плазмиды не приводит к ее гибели. В одной и той же клетке могут находиться разные плазмиды.
2. Изменчивость у бактерий
Различают два вида изменчивости – фенотипическую и генотипическую.
Фенотипическая изменчивость – модификации – не затрагивает генотип. Модификации затрагивают большинство особей в популяции. Они не передаются по наследству и с течением времени затухают, т. е. возвращаются к исходному фенотипу.
Генотипическая изменчивость затрагивает генотип. В основе ее лежат мутации и рекомбинации.
Мутации – изменение генотипа, сохраняющееся в ряду поколений и сопровождающееся изменением фенотипа. Особенностями мутаций у бактерий является относительная легкость их выявления.
По локализации различают мутации:
1) генные (точечные);
2) хромосомные;
3) плазмидные.
По происхождению мутации могут быть:
1) спонтанными (мутаген неизвестен);
2) индуцированными (мутаген неизвестен).
Рекомбинации – это обмен генетическим материалом между двумя особями с появлением рекомбинантных особей с измененным генотипом.
У бактерий существует несколько механизмов рекомбинации:
1) конъюгация;
2) слияние протопластов;
3) трансформация;
4) трансдукция.
Конъюгация – обмен генетической информацией при непосредственном контакте донора и реципиента. Наиболее высокая частота передачи у плазмид, при этом плазмиды могут иметь разных хозяев. После образования между донором и реципиентом конъюгационного мостика одна нить ДНК-донора поступает по нему в клетку-реципиент. Чем дольше этот контакт, тем большая часть донорской ДНК может быть передана реципиенту.
Слияние протопластов – механизм обмена генетической информацией при непосредственном контакте участков цитоплазматической мембраны у бактерий, лишенных клеточной стенки.
Трансформация – передача генетической информации в виде изолированных фрагментов ДНК при нахождении реципиентной клетки в среде, содержащей ДНК-донора. Для трансдукции необходимо особое физиологическое состояние клетки-реципиента – компетентность. Это состояние присуще активно делящимся клеткам, в которых идут процессы репликации собственных нуклеиновых кислот. В таких клетках действует фактор компетенции – это белок, который вызывает повышение проницаемости клеточной стенки и цитоплазматической мембраны, поэтому фрагмент ДНК может проникать в такую клетку.
Трансдукция – это передача генетической информации между бактериальными клетками с помощью умеренных трансдуцирующих фагов. Трансдуцирующие фаги могут переносить один ген или более.
Трансдукция бывает:
1) специфической (переносится всегда один и тот же ген, трансдуцирующий фаг всегда располагается в одном и том же месте);
2) неспецифической (передаются разные гены, локализация трансдуцирующего фага непостоянна).
3. Бактериофаги
Вирионы фагов состоят из головки, содержащей нуклеиновую кислоту вируса, и отростка.
Нуклеокапсид головки фага имеет кубический тип симметрии, а отросток – спиральный тип, т. е. бактериофаги имеют смешанный тип симметрии.
Фаги могут существовать в двух формах:
1) внутриклеточной (это профаг, чистая ДНК);
2) внеклеточной (это вирион).
Фаги, как и другие вирусы, обладают антигенными свойствами и содержат группоспецифические и типоспецифические антигены.
Различают два типа взаимодействия фага с клеткой:
1) литический (продуктивная вирусная инфекция). Это тип взаимодействия, при котором происходит репродукция вируса в бактериальной клетке. Она при этом погибает. Вначале происходит адсорбция фагов на клеточной стенке. Затем следует фаза проникновения. В месте адсорбции фага действует лизоцим, и за счет сократительных белков хвостовой части в клетку впрыскивается нуклеиновая кислота фага. Далее следует средний период, в течение которого подавляется синтез клеточных компонентов и осуществляется дисконъюнктивный способ репродукции фага. При этом в области нуклеоида синтезируется нуклеиновая кислота фага, а затем на рибосомах осуществляется синтез белка. Фаги, обладающие литическим типом взаимодействия, называют вирулентными.
В заключительный период в результате самосборки белки укладываются вокруг нуклеиновой кислоты и образуются новые частицы фагов. Они выходят из клетки, разрывая ее клеточную стенку, т. е. происходит лизис бактерии;
2) лизогенный. Это умеренные фаги. При проникновении нуклеиновой кислоты в клетку идет интеграция ее в геном клетки, наблюдается длительное сожительство фага с клеткой без ее гибели. При изменении внешних условий могут происходить выход фага из интегрированной формы и развитие продуктивной вирусной инфекции.
По признаку специфичности выделяют:
1) поливалентные фаги (лизируют культуры одного семейства или рода бактерий);
2) моновалентные (лизируют культуры только одного вида бактерий);
3) типовые (способны вызывать лизис только определенных типов (вариантов) бактериальной культуры внутри вида бактерий).
Фаги могут применяться в качестве диагностических препаратов для установления рода и вида бактерий, выделенных в ходе бактериологического исследования. Однако чаще их применяют для лечения и профилактики некоторых инфекционных заболеваний.
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 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 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 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 бывают только у умеренных фагов при лизогении бактерий, чаще же всего 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 делении) и по горизонтали, прежде всего 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.
