Генетика бактерий. Геном бактерии. Генотип бактериальной клетки. Фенотип бактериальной клетки. Генетический материал бактерий
 Скачать 0.68 Mb.
|
|
Генетика бактерий. Геном бактерии. Генотип бактериальной клетки. Фенотип бактериальной клетки. Генетический материал бактерий. В наши дни приоритетным направлением естествознания можно считать молекулярную биологию. Она тесно связана с микробиологией и в известном смысле является её детищем, так как в качестве основных моделей использует бактерии и вирусы, а одно из основных направлений молекулярной биологии — молекулярная генетика — долгое время являлась не чем иным, как генетикой бактерий и бактериофагов. Изучение генетики бактерий имеет также и несомненный прикладной интерес, например в плане установления механизмов передачи патогенных свойств и устойчивости к лекарственным препаратам. Бактерии — удобная модель для генетических исследований. Их отличает: относительная простота строения генома, позволяющая выявлять мутанты с частотой 10-9 и ниже; гаплоидность, исключающая явление доминантности; половая дифференциация в виде донорских и реципиентных клеток; наличие обособленных, и интегрированных фрагментов ДНК (плазмид, транспозонов и т.д.); лёгкость культивирования и возможность получения популяций, содержащих миллиарды микробных тел. Как и у других организмов, совокупность генов бактериальной клетки — геном — определяет её свойства и признаки (генотип). Фенотип бактериальной клетки — результат взаимодействий между бактерией и окружающей средой — также контролирует геном (так как сами признаки закодированы в бактериальных генах). Генетический материал бактерий Ядерные структуры бактерий имеют характерное строение, отличающее их от ядер эукарио-тических клеток; их образуют так называемые хроматиновые тельца, или нуклеоиды, лишённые оболочки и включающие в себя почти всю ДНК бактерии. • Ядерные структуры можно наблюдать в фазово-контрастный микроскоп, где они выглядят как менее плотные участки цитоплазмы. Для их выявления в фиксированных мазках предложена реакция Фёльгена-Россенбёка. • В растущих бактериальных клетках нуклеоиды активно делятся, их количество иногда достигает 2-4. Прокариотический геном У бактерий обычно имеется одна замкнутая кольцевидная хромосома, содержащая до 4000 отдельных генов, необходимых для поддержания жизнедеятельности и размножения бактерий, то есть бактериальная клетка гаплоидна, а удвоение хромосомы обычно сопровождается её делением. • Некоторые виды (например, Brucella melitensis) стабильно содержат две кольцевые хромосомы, другие (Leptospira interrogans) — одну кольцевую хромосому и одну большую плазмиду, третьи — одну линейную хромосому (Streptomyces ambofaciens), то есть обладают сложными геномами. • Бактериальная хромосома содержит до 5*106 пар оснований. Для сравнения: геном человека составляет 2,9*109пар оснований. Длина бактериальной хромосомы в развёрнутом состоянии составляет около 1 мм (Escherichia coli). Некоторые бактерии содержат внехромосомные молекулы ДНК (плазмиды) и мобильные элементы (либо плазмидные, либо хромосомные).   Большинство бактерий имеют одну круговую хромосому, размер которой может быть от лишь 580 000 пар нуклеотидов в патогена человека Mycoplasma genitalium до 12 200 000 пар основ в бактерии Sorangium cellulosum, что живое в грунту. Спирохеты — известное исключение, некоторые из этих бактерий, например, Borrelia burgdorferi, причина болезни Лайма, содержат единую линейную хромосому. Бактерии также могут содержать плазмиди, которые являются маленькими позахромосомными молекулами ДНК, которые иногда содержат гены стойкости к антибиотикам или факторы вирулентности. Другой вид бактериальной ДНК — интегрированные вирусы (бактериофаги). Существуют много видов бактериофагов, некоторые просто заражают и разрушают бактерию-хозяина, когда другие вставляют свою ДНК в бактериальную хромосому. Бактериофаг может содержать гены, которые меняют фенотип хозяина: например, при эволюции Escherichia coli O157:H7 и Clostridium botulinum гены токсина бактериофагу превратили невинных наследственных бактерий на смертельных патогенных.  Mycoplasma genitalium, бактерия с наименьшим известным размером генома Бактерии, как бесполые организмы, наследуют идентичные копии генов своих родителей (то есть, они являются клонами). Однако, все бактерии могут эволюционировать путем изменений их генетического материала (ДНК) при мутациях. Частоты мутаций сильно зависят от вида бактерии и даже от штамма одного вида бактерий. Мутации у бактерий является следствием как случайных мутаций — ошибок при считывании на протяжении копирования и влияния радиации — так и «стрессовых мутаций», где бактерия нарочно увеличивает частоту мутаций в стрессовых условиях. Некоторые бактерии также могут переносить генетический материал между клетками. Есть три основных пути, как это может происходить. Во-первых, бактерии могут принять экзогенную ДНК из своего окружения в процессе, который называется трансформацией. Чаще переносятся не хромосомные гены, а плазмиды. Гены могут также быть перенесены с помощью процесса трансдукции, когда бактериофаг, встраиваясь в бактерию привносит инородную ДНК к хромосомы. Третий метод передачи гена — бактериальная конъюгация, когда ДНК переносится прямым контактом между клетками, для чего могут использоваться некоторые типы ворсинок. Вообще все эти пути переноса генетического материала называются горизонтальным переносом генов, и часто происходят по естественных условий. Горизонтальный перенос генов играет у бактерий роль, кое-что подобный половому размножению у эукариотов. Этот процесс особенно важный в приобретении бактериями Резистентность (стойкость) к антибиотикам, поскольку он позволяет быструю передачу генов резистентности между бактериальными клетками.  Комментирует новость о том, что в геноме бактерии, вызывающей гонорею, найдены фрагменты ДНК человека. "Явление горизонтального переноса генов, о котором идет речь в новостной заметке, хорошо известно биологам. Данный процесс широко распространен в природе, особенно среди бактерий. Благодаря этому процессу, происходит обмен генетической информацией между организмами, которые не являются по отношению друг к другу родителями и потомками. Считается, горизонтальный перенос генов играет существенную роль в эволюции бактерий и, скорее всего, одноклеточных эвкариотов. Недавно стали появляться данные о том, что горизонтальный перенос генов может иметь место и для многоклеточных эвкариот. Однако до сих пор не были известны случаи передачи генетической информации от человека к бактерии. Поэтому результаты проведенного исследования, безусловно, являются сенсационными. Передача элемента генома человека гонококку, вероятно, стала возможной благодаря сочетанию нескольких условий. Во-первых, гонококки - специфический паразит человека; у других животных он не обнаружен, а искусственное заражение чаще всего быстро заканчивается летальным исходом. Это означает, что гонококк и человек прошли длительную совместную эволюцию, приспосабливаясь к жизни друг с другом. Кроме того, гонококки обладают свойством компетенции, то есть они могут поглощать чужеродную ДНК без дополнительных условий или стимуляции. Каким именно образом гонококк заполучил конкретный участок ДНК человека, пока не ясно. Один из возможных сценариев - бактерия захватила фрагменты ДНК из разрушенных клеток человека. Другая проблема состоит в том, как этот участок ДНК встроился в геном гонококков. Возможно, это произошло путем простой вставки в ходе процессов, которые происходят при репарации ДНК (исправлении химические повреждения и разрывов). Судя по всему, бактерия заполучила ДНК от человека относительно недавно, о чем говорит тот факт, что бактериальный и человеческий участки ДНК сходны между собой на 98-100%. Кроме того, эта ДНК не обнаружена у близких родственников гонококков – менингококков. Значит, ее перенос от человека к бактерии произошел уже после разделения гонококков и менингококков в процессе эволюции (примерно 200000 лет назад). Самый интересный вопрос, конечно, заключается в том, каковы последствия переноса генетической информации от человека к гонококку. На сегодняшний день ответа нет. По-видимому, данный конкретный участок ДНК не придал бактерии каких-то дополнительных новых свойств. Во всяком случае, пока этого обнаружить не удалось. Также интересно знать, как часто происходит горизонтальный перенос генов от человека к гонококку. Человеческий фрагмент ДНК обнаружен только у 11% исследованных линий бактерии. В то же время, дополнительные исследования показали, что 3 из 4 исследованных линий бактерий, в принципе, могли заполучить ДНК от человека независимо друг от друга. Данный момент требует дополнительных исследований, дабы получить новые данные об эволюции возбудителей болезней человека, о механизмах приспособления бактерий к жизни в организме человека". Модификации в биологии, ненаследственные изменения признаков организма (его фенотипа), возникающие под влиянием изменившихся условий внешней среды. Модифицирующие факторы среды (ими могут быть температура, освещение, режим питания и т. п.) через сдвиги во внутренней среде организма, например в уровне гормонов, воздействуют на организм в чувствительные периоды его развития, изменяя течение онтогенеза. Модификационная изменчивость — это изменения в пределах генотипически обусловленной нормы реакции. Гималайские кролики в зависимости от температуры среды могут менять окраску от чёрной на холоде, через горностаевую при умеренных температурах, до чисто белой при повышенных (рис. 1). Но та или иная окраска родителей крольчатами не наследуется, а наследуется лишь способность менять окраску в зависимости от температуры. В природе Модификации, как правило, являются адаптивными реакциями организмов на воздействие тех или иных факторов среды. Так, у озёрного стрелолиста форма листьев зависит от того, где эти листья находятся: надводные — стреловидные, плавающие — сердцевидные с устьицами на верхней стороне, подводные листья — лентовидные (рис. 2). Неадаптивные Модификации часто представляют собой всевозможные нарушения развития, в крайнем выражении — уродства, морфологические и физиологические дефекты (см. Фенокопия, Морфозы). Эти Модификации возникают, как правило, в ответ на сильные внешние стимулы, действию которых особи данного вида в нормальных условиях жизни подвергаются очень редко. Модификации, в отличие от мутаций, не передаются по наследству и могут развиваться у особей данного поколения лишь при наличии условий, в которых они обычно возникают. Однако у одноклеточных, а изредка и у многоклеточных организмов встречаются т. н. длительные Модификации, когда признаки, возникающие под влиянием условий внешней среды, сохраняются в течение нескольких поколений и после исчезновения индуцирующего фактора. Этот тип Модификации обусловлен, по-видимому, изменениями относительно стабильных ауторепродуцирующихся цитоплазматических структур. Являясь ненаследственными изменениями, Модификации прямого эволюционного значения не имеют. Если же формирующийся в результате Модификации фенотип имеет высокую адаптивную ценность, то он может фиксироваться в эволюции только путём отбора мутаций, закрепляющих данную Модификации и приводящих к утрате др. Модификации данного признака. См. также Изменчивость, Приобретённые признаки. Мута́ция (лат. mutatio — изменение) — стойкое (то есть такое, которое может быть унаследовано потомками данной клетки или организма) изменение генотипа, происходящее под влиянием внешней или внутренней среды. Процесс возникновения мутаций получил название мутагенеза. Причины мутаций Мутации делятся на спонтанные и индуцированные. Спонтанные мутации возникают самопроизвольно на протяжении всей жизни организма в нормальных для него условиях окружающей среды с частотой около 10 − 9 — 10 − 12 на нуклеотид за клеточную генерацию. Индуцированными мутациями называют наследуемые изменения генома, возникающие в результате тех или иных мутагенных воздействий в искусственных (экспериментальных) условиях или при неблагоприятных воздействиях окружающей среды. Мутации появляются постоянно в ходе процессов, происходящих в живой клетке. Основные процессы, приводящие к возникновению мутаций — репликация ДНК, нарушения репарации ДНК и генетическая рекомбинация. Главный мутаген табачного дыма — бензпирен — связанный с одним из нуклеотидов молекулы ДНК.  Генетическая инжене́рия (генная инженерия) — совокупность приёмов, методов и технологий получения рекомбинантных РНК и ДНК, выделения генов из организма (клеток), осуществления манипуляций с генами и введения их в другие организмы. Генетическая инженерия не является наукой в широком смысле, но является инструментом биотехнологии, используя методы таких биологических наук, как молекулярная и клеточная биология, цитология, генетика, микробиология, вирусология. Генная инженерия служит для получения желаемых качеств изменяемого или генетически модифицированного организма. В отличие от традиционной селекции, в ходе которой генотип подвергается изменениям лишь косвенно, генная инженерия позволяет непосредственно вмешиваться в генетический аппарат, применяя технику молекулярного клонирования. Примерами применения генной инженерии являются получение новых генетически модифицированных сортов зерновых культур, производство человеческого инсулина путём использования генномодифицированных бактерий, производство эритропоэтина в культуре клеток или новых пород экспериментальных мышей для научных исследований, Генная инженерия человека В применении к человеку генная инженерия могла бы применяться для лечения наследственных болезней. Однако, технически, есть существенная разница между лечением самого пациента и изменением генома его потомков. Задача изменения генома взрослого человека несколько сложнее, чем выведение новых генноинженерных пород животных, поскольку в данном случае требуется изменить геном многочисленных клеток уже сформировавшегося организма, а не одной лишь яйцеклетки-зародыша. Для этого предлагается использовать вирусные частицы в качестве вектора. Вирусные частицы способны проникать в значительный процент клеток взрослого человека, встраивая в них свою наследственную информацию; возможно контролируемое размножение вирусных частиц в организме. При этом для уменьшения побочных эффектов учёные стараются избегать внедрения генноинженерных ДНК в клетки половых органов, тем самым избегая воздействия на будущих потомков пациента. Также стоит отметить значительную критику этой технологии в СМИ: разработка генноинженерных вирусов воспринимается многими как угроза для всего человечества. С помощью генотерапии в будущем возможно изменение генома человека. В настоящее время эффективные методы изменения генома человека находятся на стадии разработки и испытаний на приматах. Долгое время генетическая инженерия обезьян сталкивалась с серьёзными трудностями, однако в 2009 году эксперименты увенчались успехом: в журнале Nature появилась публикация об успешном применении генноинженерных вирусных векторов для исцеления взрослого самца обезьяны от дальтонизма.[1] В этом же году дал потомство первый генетически модифицированный примат (выращенный из модифицированной яйцеклетки) — игрунка обыкновенная.[2] Хотя и в небольшом масштабе, генная инженерия уже используется для того, чтобы дать шанс забеременеть женщинам с некоторыми разновидностями бесплодия.[3] Для этого используют яйцеклетки здоровой женщины. Ребёнок в результате наследует генотип от одного отца и двух матерей. Однако возможность внесения более значительных изменений в геном человека сталкивается с рядом серьёзных этических проблем[ |