3 Генетика. Генетика микробов генетические особенности микробов

• Название: Генетика микробов генетические особенности микробов
• Дата: 10.01.2021
• Размер: 0.98 Mb.
• Имя файла: 3 Генетика.ppt
• Тип: Документы; #166903

ГЕНЕТИКА МИКРОБОВ

Генетические особенности микробов:

1. Гаплоидность – наличие у микробов одной хромосомы: мол. вес – от 3·108 до 2,5·109 Да; содержит 3-5·106 нуклеотидных пар.
Ген – это участок ДНК, последова-тельность оснований которого определяет в процессе транскрипции последова-тельность оснований в молекуле иРНК, а при трансляции – последовательность аминокислот в полипептидной цепи.


Ген у прокариотов работает по принципу 1 ген – 1 белок.
Выделяют:
1 – структурные или кодирующие гены,
2 – регуляторные гены – определяют транскрипцию структурных генов,
3 – ген-оператор - служит пусковым механизмом для функционирования структурных генов.


Генотип (геном) микробной клетки – это полный набор генов, которым обладает клетка и который определяет потенциальную способность к выражению (экспрессии) записанной в них информации в виде определенных признаков.


Проявление деятельности генов при определенных условиях составляет фенотип микробной клетки. Условия окружающей среды способствуют экспрессии генов или подавляют их функциональную активность.


2. Высокая скорость размножения:
микробные клетки делятся путем поперечного деления в геометричес-кой прогрессии (1 деление за 20-30 минут).
3. Среди бактериальных клеток
существуют клетки-доноры и клетки-реципиенты.


4. Наличие у бактерий внехромосомных генетических структур:
плазмиды, транспозоны, Is-последователь-ности. Они отличаются молекулярной массой, объемом закодированной в них информации, способностью к автономной репликации и др.
5. Генетический материал нуклеоида обладает определенным консерватизмом в передаче наследственных признаков (консерватизм в наследственности).


Особенности репликации ДНК микробной клетки:
- происходит полуконсервативным способом,
- надежность репликации обеспечивается связью с ЦПМ,
- репликация начинается в определенном локусе ДНК и происходит одновременно в двух противоположных направлениях,


- синтез дочерних цепочек ДНК идет ступенчато, короткими фрагментами - 1000-2000 нуклеотидов, которые сшиваются ферментами – лигазами,
- параллельно с репликацией идет образование межклеточной поперечной перегородки,
- на последней стадии дочерние клетки отделяются друг от друга. В каждой клетке оказываются идентичные молекулы ДНК, сходные с материнской.


6. Изменчивость микробов:
1 - изменение морфологических признаков (поли-морфизм, потеря капсулы, жгутиков и др.),
2 - изменение культуральных свойств: переход ко-лоний из S(гладкие)- в R(шероховатые)-формы.
3 - изменение метаболической активности (прото-трофы, ауксотрофы),
4 - изменение ферментативных свойств,
5 - изменение биологических свойств (снижение или повышение болезнетворных свойств микро-бов, продукция лекарственных препаратов и др.).


Виды изменчивости у микробов:

1- фенотипическая или модификация,
2- внехромосомная,
3- генотипическая: мутации и рекомбина-ции.


Фенотипическая изменчивость – вре-менные, наследственно незакрепленные изменения свойств микробов.
Они контролируются геномом микробов, но не сопровождаются его изменением, поэтому быстро утрачиваются.
Виды: 1 - кратковременные модифика-ции – сохраняются в первых поколениях,
2 – длительные – сохраняются в течении нескольких поколений.


Особенности модификаций:
1-зависят от условий среды и ими определяются,
2-подвержены все клетки в микробной популяции,
3-происходят в пределах генотипа,
4-не передаются по наследству.
Модификации возникают как адаптив-ные реакции на изменения окружающей среды.


Примеры фенотипической изменчивости:
полиморфизм,
накопление запасных веществ,
образование спор,
утрата капсулы или жгутиков,
изменение культуральных свойств и др.

Внехромосомные структуры и изменчивость

Плазмиды – это экстрахромосомные генети-ческие структуры бактерий.
Представляют из себя кольцевидные суперспирализованные молекулы двунитевой ДНК. Размеры их колеблются от 1,5 до 200 млн. Да, мелкие имеют мол. вес 3-6 млн. Да, крупные – 50-70 млн. Да.
Чем больше молекулярная масса, тем больше и сложнее набор генов, тем многообразнее функции плазмид.

Они несут:

Они несут:
1-гены саморепликации,
2-гены, кодирующие самоперенос в другие микробные клетки (tra-опероны),
3-гены, определяющие свойства самой плаз-миды.
Могут находиться в клетках в 2 состояниях:
1-автономно – в цитоплазме и реплицируются независимо от хромосомы (эписомы),
2-интегрированы в хромосому и реплицируются вместе с ней (интегри-рованные плазмиды).


Для плазмид характерны следующие свойства:
1 – способность к саморепликации,
2 – явление поверхностного исключения,
3 – явление несовместимости,
4 – контроль числа копий плазмиды на хро-мосому клетки:
Различают:
1) малокопийные (1-4копии);
2) многокопийные (12-38 копий).


5 – контроль стабильного сохранения плазмид в клетке-хозяине,
6 – контроль равномерного распределения дочер- них плазмид в дочерние бактериальные клетки.
7 – способность к самопереносу,
8 – способность к мобилизации на перенос,
9 – способность наделять клетку – хозяина важ-ными для нее биологическими свойствами.


Плазмиды распространяются между микробами 2 способами:
1- вертикальный – в процессе клеточного деления,
2- горизонтальный – путем переноса от од-ной клетки в другую по горизонтали:
а) с помощью бактерифагов при транс-дукции;
б) при образовании цитоплазматических мостиков при конъюгации при наличии tra-оперона.


Классификация плазмид
I. По способности передаваться из одной микробной клетки в другую:
коньюгативные плазмиды: крупные, малокопийные, у грам-отрицательных микробов, неконъюгативные плазмиды: мелкие, многокопийные, чаще у грамположительных микробов, равномерно распределяются между дочерними клетками.


Классификация плазмид
II. По размерам: 1 – большие , 2 – мелкие.
III. По генетической организации и функциональной активности делятся на 3 группы:
«чистые» факторы генетического переноса: F-плазмида, умеренный бактериофаг, плазмиды-коинтеграты: R- ,Hly-, Col-, ent- плазмиды плазмиды-детерминанты.


Плазмиды выполняют в основном 3 важнейшие функции:
1 - контролируют у бактерий обмен генетическим ма-териалом,
2 - контролируют синтез факторов патогенности м/о и обеспечивают благоприятные возможности для сохранения и размножения микробов в организме человека или животных,
3) являются уникальным биологическим средством самозащиты бактерий, т.к. они обеспечивают устойчивость м/о к различным химическим веществам.
Они кодируют не основные для жизнедеятельности бактериальной клетки функции, а дополнительные, придающие бактериям преимущества при попадании в неблагоприятные условия существования.


Транспозоны – (лат. transpositio — перестановка) – представляют собой подвижные линейные нуклеотидные последовательности, содержащие 2000-2500 пар нуклеотидов, несут генетическую информацию.
Находятся в 2 состояниях:
1) интегрированы в виде линейной молекулы в хромосомную ДНК. При включении в бактериальную ДНК они вызывают дупликации, а при перемещении – инверсии. Участвуют в мутациях. Вместе с хромосомой происходит их репликация.


2) транспозоны могут находиться в свободном состоянии в виде кольцевой молекулы, неспособной к репликации.
Важным свойством транспозонов является способность к перемещению:
а) вдоль хромосомы, б) от хромосомной ДНК на плазмидную и т.д.
Они несут в своем составе гены:
1) кодирующие=структурные гены,
2) регуляторные гены.
Транспозоны имеются и в клетках растений, насекомых, животных и человека.


Транспозоны могут приводить:
к изменению биологических свойств мик-робной популяции за счет встраивания или делеции структурных генов;
к инактивации генов ДНК микробной клетки, куда они, переместившись, встраиваются;
к слиянию плазмиды с хромосомой;
к повреждению генетического материала.

Is-последовательности (от англ. insertion – вставка, sequences–последо-вательности) представляют собой подвиж-ные генетические структуры. Их называют «вставки последовательностей оснований». Это фрагменты ДНК, состоят из 1000 пар оснований.
Is-последовательности (от англ. insertion – вставка, sequences–последо-вательности) представляют собой подвиж-ные генетические структуры. Их называют «вставки последовательностей оснований». Это фрагменты ДНК, состоят из 1000 пар оснований.


В Is-последовательностях содержится информация для транспозиции=переме-щения в различные участки ДНК хромосомы.
Они способны синтезировать специфи-ческий фермент рекомбинации – транс-позазу, которая обеспечивает исключение Is-элемента из ДНК или его интеграцию в новый локус.
Они всегда связаны с хромосомой, не обнаруживаются в свободном состоянии и реплицируются с хромосомой.


Is-последовательности выполняют в микробной клетке следующие функции:
координирование взаимодействия транспозо-нов, плазмид, умеренных фагов между собой и с хромосомой бактерий и обеспечение их рекомбинаций, вызывают инактивацию или активацию струк-турных генов, играют роль в мутациях типа делеций или инверсий в 5-9 парах нуклеотидов.

Генотипическая изменчивость

Мутации у бактерий
Мутации – любое стабильное изме-нение последовательностей оснований в молекуле ДНК, проявляющееся наследс-твенно закрепленной утратой или измене-нием какого-либо признака или группы признаков.


По происхождению мутации делятся на:
1- спонтанные («дикие»),
2- индуцированные.
Спонтанные возникают в результате:
а) ошибки репликации, б) неправильного формирования комплементар-ных пар оснований, в) деформации спирали ДНК, г) вследствие перемещения подвижных гене-тических элементов.
Возникают без видимых причин, с низкой частотой – одна мутация на 1 млн. клеток в популяции.


Индуцированные мутации возникают в результате действия на бактерии специальных мутагенных факторов:
1- химических: азотистая кислота, акридиновые красители, аналоги оснований и др.;
2- физических: УФО, рентгеновские лучи и др. виды излучений;
3- биологических: транспозоны, антибиотики, продукты метаболизма и др.
Они происходят с большей частотой – одна мутантная клетка на 103-104 клеток.

Различают:

Различают:
1- точковые мутации – затрагивают только одну пару нуклеотидов на ДНК.
Они возникают :
а) в результате замены одного нуклеотида другим.
Выделяют: 1) простую замену оснований или транзицию: пурин заменяется на пурин, а пиримидин на пиримидин,
2) сложную или трансверсию – когда пурин заменяется на пиримидин и наоборот.


б) при вставке дополнительного нуклеотида, в) при утрате нуклеотида.
2 – генные мутации затрагивают один ген,
3 – хромосомные мутации затрагивают часть хромосомы.
В основе генных и хромосомных мутаций лежит перемещение с одного участка хро-мосомы на другой особых генетических структур-транспозонов (линейные ДНК, состоят из 1000-2500 нуклеотидов) и Is-последовательностей.


Генные и хромосомные мутации возникают в результате:
а) поворота участка хромосомы на 180˚ – инверсии, б) выпадении большого числа нуклеотидов – делеции,
в) повторения участка хромосомы – дупликации,
г) перестановки сегментов хромосомы – дислокации.

По изменению признака:

По изменению признака:
1- прямые – приводят к появлению нового признака,
2- обратные – возвращают мутировавшую клетку к исходному генетическому состоянию. Их наблюдают с частотой – 1 клетка на 107 – 108 клеток
( реверсии=обратные).


По фенотипическим проявлениям выделяют:
1 - видимые или явные мутации – миссенс-мутации – мутации со смыслом,
2 - молчащие – вследствие вырожденности генети-ческого кода: полученный триплет кодирует ту же аминокислоту, что и исходный,
3 - летальные,
4 - бессмысленные мутации – нонсенс-мутации: образуется терминальный кодон, что вызывает преждевременное окончание транскрипции, а затем – окончание синтеза полипептидной цепи.


Генетические рекомбинации
у бактерий
Рекомбинации – это передача генети-ческого материала от одних бактерий (доноров) к другим клеткам (реципиентам). Выделяют 3 механизма рекомбинаций:
1 – трансформация;
2 – коньюгация;
3 – трансдукция.


По молекулярному механизму генетические рекомбинации у бактерий делятся на 3 вида:
1 – гомологичная рекомбинация: происходит обмен участками ДНК, обладающими высокой степенью гомологии. Гомологичная рекомбинация происходит через образование промежуточного соединения – крестообразной структуры Холидея (полухиазма). Происходит комплементарное спаривание между одноцепочечными участками, принад-лежащими разным родительским молекулам ДНК.


2 – сайт-специфическая рекомбинация: проис-ходит в определенных участках генома и не требует высокой гомологии ДНК. Примером является встраивание плазмиды в хромосому бактерий; интеграция ДНК фага в хромосому. Она происходит в пределах одного репликона (коньюгация, трансформация).
3 – незаконная или репликативная рекомбина-ция: не зависит от действия генов реком-бинации. Примером является транспозиция подвижных генетических элементов по репликону или между репликонами, со-провождающаяся репликацией ДНК.


Трансформация – передача генетического материала (фрагмента ДНК) от клетки-донора в клетку-реципиент.
Трансформирующий фактор – фрагмент ДНК!
Впервые воспроизведена Ф. Гриффитсом в 1928 г.: обнаружил превращение бескапсульного живого авирулентного штамма пневмококка в вирулентный капсульный штамм в присутствии убитой нагреванием культуры капсульного пневмококка.
В 1944 г. О. Эвери, К. Мак-Леод и К. Мак-Карти установили, что в этих опытах активным началом, содержащимся в экстракте убитых пневмококков, и сообщающим свойство вирулентности непатогенным пневмококкам, является ДНК.


За счет трансформации могут передаваться следующие свойства:
Способность к капсулообразованию,
Устойчивость к некоторым химическим веществам,
Устойчивость к антибиотикам,
Способность к синтезу ферментов, белков и др. веществ.


Особенности трансформации:
1 – трансформация происходит между близкород-ственными видами микробов. Часто это грамполо-жительные микробы;
2 – клетка-донор должна быть разрушена и ДНК разбита на фрагменты;
3 – фрагмент ДНК клетки-донора должен быть двухцепочечным;
4 – на поверхности клетки-реципиента должны быть вещества для связывания фрагмента ДНК. Для этого она содержит белки в клеточной мембране, которые специфически связываются с фрагментом ДНК и переносят его в цитоплазму.


Особенности трансформации:
5 – клетки-реципиенты при этом должны находиться в состоянии компетентности – способности поглотить фрагмент ДНК и включить его в состав своего генома. Такое состояние формируется в логарифмическую фазу роста.
6 – в клетку-реципиент проникает только одна нить фрагмента ДНК, другая – подвергается деградации с высвобождением энергии.
7 – трансформация происходит по гомологичному типу.


Процесс трансформации бактерий происходит
в 3 стадии:
адсорбция фрагмента ДНК на клетке-реципиенте: происходит связывание двухцепочечного фрагмента ДНК с участком клеточной мембраны реципиента при участии специфических белков;
проникновение фрагмента ДНК в клетку-реципиент: с помощью ферментов ЦПМ клетки-реципиента происходит расщепление двухцепочечного фрагмента, одна цепочка проникает в цитоплазму, другая подвергается деградации с выделением энергии;
интеграция трансформирующей ДНК в хромосому клетки-реципиента. Происходит взаимодействие гомологичных участков ДНК хромосомы-реципиента и трансформирующей ДНК.
В результате образуется клетка-рекомбинант с новыми свойствами (рекомбинация происходит на одной нити, а рекомбинант образуется после цикла репликации).

Схема трансформации

Конъюгация – это такой вид рекомбинаций, когда передача генетического материала из клетки-донора в клетку-реципиент происходит с помощью F-плазмиды.
F-плазмида = половой фактор = фактор «фертильности».


Процесс конъюгации у бактерий был впервые обнаружен Д. Ледербергом и Э. Татумом в 1946г.: брали 2 штамма E.coli. Один штамм был способен синтезировать аминокислоты С и Д, но не синтезировал аминокислоты А и В, другой - наоборот. Оба штамма не росли на минимальной питательной среде. Затем они смешивали эти два штамма, и смесь высевали на минимальную среду. Появился рост колоний E.coli, они могли синтезировать все аминокислоты – А, В, С и Д.
Произошла передача генетического материала от E.coli (А+ В+ С- Д-) к E.coli (А- В- С+ Д+); от клетки-донора к клетке-реципиенту.


F-плазмида может находиться в микробной клетке в 2-х состояниях:
1 – автономное состояние, в цитоплазме в виде кольцевой молекулы ДНК, реплицируется самостоятельно;
2 – интегрированное состояние: в линейной форме интегрирована в хромосому микробной клетки.
F-фактор можно удалить из клетки акридиновым оранжевым.


F-плазмида определяет следующие свойства:
1 – кодирует образование половых пилей для соединения микробных клеток;
2 – отвечает за образование цитоплазматического мостика между двумя микробными клетками, через него происходит передача генетического материала;
3 – содержит tra-оперон (F-плазмида относится к конъюгативным плазмидам);
4 – определяет деление микробных клеток на F+ – и F- -клетки:
F+-клетки содержат F-плазмиду, являются клетками-донорами, их еще условно называют «мужскими» клетками;
F--клетки не содержат F-плазмиду, являются клетками-реципиентами, их условно называют «женскими» клетками.
5 – определяет передачу генетического материала в одном направлении: от F+ – клеток к F- -клеткам.


Выделяют следующие варианты конъюгации:
I вариант: F-плазмида находится в цитоплазме. При этом происходит передача только одной цепочки F-плазмиды через цитоплазматический мостик. Вторая цепочка достраивается по принципу комплементарности. F--клетка переходит в F+-клетку, но генетический материал не передается.
II вариант: F-плазмида интегрирована в хромосому микробной F+-клетки (ген может передаваться, F--клетка переходит в F+):


а) за счет кроссинговера идет обмен генетического материала F-плазмиды с хромосомой клетки донора. F-фактор отщепляется от хромосомы и вместе с tra-опероном передается через ЦП-мостик в клетку-реципиент.
б) при вырезке F-плазмиды образуется неправильная петля, вовлекающая участок ДНК клетки-донора с определенными генами. F-плазмида с захваченными генами и tra-опероном передается в клетку-реципиент.
Конъюгация часто заканчивается разрывом ЦП-мостика и рекомбинация идет с низкой частотой:
1 рекомбинант – на 107 клеток в популяции.
Клетка F- становится F+-клеткой, но генетический материал передается не всегда за счет разрыва ЦП-мостика.


III вариант: F-плазмида интегрирована в хромосому микробной клетки, названной Hfr-клеткой (клетка с высокой частотой рекомбинации): всегда передается генетический материал, а плазмида не передается (генетический материал +, но F- не переходит в F+).
F-плазмида интегрирована в хромосому клетки-донора и при этом разрывается на 2 неодинаковые части. Одновременно разрывается и одна цепочка хромосомной ДНК. На одном конце хромосомы остается tra-оперон F-плазмиды – это О-точка. На другом конце хромосомы остается большая часть плазмиды.
Через ЦП-мостик передается хромосома областью О-точки, где находится tra-оперон плазмиды.


Через ЦП-мостик передается: tra-оперон F-плаз-миды ДНК хромосомы оставшаяся плазмида. Для этого необходимо 90 минут.
Однако образующийся ЦП-мостик легко разрывается. Поэтому всегда передается генетический материал с высокой частотой, а плазмида не передается:
1 рекомбинант – на 103 клеток в популяции.
За счет конъюгации передаются разные гены, придающие клеткам-рекомбинантам новые свойства.
С помощью конъюгации была раскрыта генетическая карта многих микробов.


Важнейшим свойством F-плазмиды является способность включаться (интегрировать) в определенные участки бактериальной хромо-сомы и становиться ее частью.
Штаммы, в которых плазмида находится в интегрированном состоянии, переносят свои хромосомные гены бесплазмидным клеткам с высокой частотой и поэтому называются Hfr-клетки (от англ. High frequency of recombination – высокая частота рекомбинации).

Схема конъюгации

Трансдукция

Трансдукция
это передача генетического материала от клетки-донора в клетку-рецепиент с помощью бактериофага.
Этот вид генетического обмена открыт
Н. Циндером и Дж. Ледербергом в 1951 г.
Различают три типа трансдукции:
- неспецифическую, или общую,
- специфическую;
- абортивную.


Неспецифическая трансдукция
В процессе репродукции фага в момент сборки фаго-вых частиц в их головку вместе с фаговой ДНК может проникнуть какой-либо фрагмент ДНК бактерии-донора – формируется дефектный фаг. При последующем заражении других бактерий в клетки реципиентного штамма вместе с фаговой ДНК переносится фрагмент ДНК донора, который рекомбинирует с гомологичным участком.
Таким образом, трансдуцирующие фаги являются только переносчиком генетического материала от одних бактерий к другим, поскольку сама фаговая ДНК не участвует в образовании рекомбинантов.


Специфическая трансдукция
(характерна для умеренного бактериофага)
характеризуется способностью фага переносить опреде-ленные гены от бактерии-донора к бактерии-реципиенту.
Главный участник – профаг – бактериофаг, встроен-ный в бактериальную хромосому.
При образовании трансдуцирующего фага происходит выщепление профага из бактериальной хромосомы вместе с генами, расположенными на хромосоме клетки-донора рядом с профагом.
При последующем взаимодействии дефектных фагов с клетками реципиентного штамма происходит включение гена бактерии-донора вместе с ДНК дефектного фага в хромосому бактерии-реципиента.

Абортивная трансдукция

Абортивная трансдукция
При абортивной трансдукции принесенный фагом фрагмент ДНК бактерии-донора не вклю-чается в хромосому бактерии-реципиента, а рас-полагается в ее цитоплазме.
Во время деления бактериальной клетки транс-дуцированный фрагмент ДНК-донора передается только одной из двух дочерних клеток, т.е. на-следуется однолинейно и в конечном итоге утра-чивается в потомстве.

Схема трансдукции

Неспецифическая трансдукция


Специфическая трансдукция