Генетика
 Скачать 0.49 Mb.
|
|
Текстовая информация по теме «Генетика» ГЕНЕТИКА – наука о наследственности и изменчивости. Бактерии уникальная модель для генетических исследований • Относительно просто устроенный геном • Гаплоидность • Бактерии легко культивируются и в короткие сроки можно получить микробную популяцию, состоящую из миллиардов микробных клеток • Среди бактерий есть доноры и реципиенты генетической информации • У бактерий есть внехромосомные факторы наследственности – инсерционные элементы (Is) и транспозоны (Tn) На микроорганизмах изучают основы наследственности и изменчивости, процессы регуляции биосинтеза белка, процессы мутагенеза, репаративные процессы. Успехи в генетике бактерий стали основой решения многих медицинских проблем: создание вакцинных штаммов микроорганизмов, создание микроорганизмов – суперпродуцентов антибиотиков и других биологически активных веществ. ОРГАНИЗАЦИЯ ГЕНЕТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА У БАКТЕРИЙ ГЕНОТИП – совокупность всех генов организма. ФЕНОТИП – совокупность внешних признаков, зависит от генотипа и факторов окружающей среды. НОСИТЕЛЬ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ – молекула ДНК. Нуклеиновая кислота состоит из азотистых оснований - ПУРИНОВЫХ (А, Г) и ПИРИМИДИНОВЫХ (Ц, У, Т). Пуриновые и пиримидиновые основания комплементарны друг другу. ОСОБЕННОСТИ ГЕНЕТИЧЕСКОГО КОДА • Генетический код считывается триплетами азотистых оснований – кодонами • Кодоны не перекрываются • Вырожденность генетического кода, т.е. одну аминокислоту могут кодировать несколько кодонов ХРОМОСОМА БАКТЕРИЙ (НУКЛЕОИД) • Бактерии гаплоидны – имеют одну хромосому • Бактериальная хромосома представлена двумя нитями ДНК, замкнутыми в кольцо • Белков гистонов нет, бактериальная хромосома находится в суперскрученном состоянии • Механизм репликации полуконсервативный • Хромосома бактерий содержит до 4000 генов, размер 5 х 10 6 п.н., у человека - 2,9 х 10 9 п.н. • Гены организованы в опероны ПЛАЗМИДЫ БАКТЕРИЙ ПЛАЗМИДЫ – внехромосмные кольцевые двухцепочечные молекулы ДНК, способные к автономной репликации • Плазмиды несут от 40 до 50 генов • Жизненно важные признаки не кодируют и могут утрачиваться клеткой • В клетке выполняют регуляторные и кодирующие функции • Плазмиды могут находиться в цитоплазме клетки автономно или встраиваться в бактериальную хромосому (интегративные плазмиды) • Конъюгативные плазмиды могут обеспечить свой перенос из клетки в клетку • Неконъюгативные плазмиды – не передаются самостоятельно из клетки в клетку ГРУППЫ ПЛАЗМИД • R-плазмиды • Плазмиды токсинообразования (Tox-плазмиды) • Плазмиды бактериоциногенности (Col-плазмида) • F-плазмида, в составе бактериальной хромосомы - Hfr-фактор • Плазмиды биодеградации природных и неприродных соединений • Плазмиды патогенноси: Tox- , Hly-, Ent- плазмиды, плазмиды адгезии, капсулообразования и др. МОБИЛЬНЫЕ ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ • ИНСЕРЦИОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ (Is-элементы) • ТРАНСПОЗОНЫ (Tn-элементы) Транспозиция – процесс встраивания транспозонов или инсерционных элементов в геноме бактерий ИНСЕРЦИОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ • Размер примерно 1500 п.н. • Содержат только гены, обеспечивающие их транспозицию • Фенотипические свойства не кодируют • Самостоятельно не реплицируются, только в составе бактериальной хромосомы, плазмид, бактериофагов • Автономно в цитоплазме клеток не обнаруживаются • Регулируют активность генов в клетке («включают» и «выключают» гены) • Участвуют в процессах рекомбинации внутри генома • Вызывают мутации ТРАНСПОЗОНЫ • Размер от 2000 до 7000 п.н. • Кодируют фенотипические свойства (устойчивость к антибиотикам, токсинообразование и пр.) • Самостоятельно не реплицируются, только в составе бактериальной хромосомы, плазмид, бактериофагов • Передаются из клетки в клетку бактерий с плазмидами, фагами и фрагментами бактериальной хромосомы • Участвуют в процессах рекомбинации внутри генома • Вызывают мутации ВИДЫ ИЗМЕНЧИВОСТИ • ФЕНОТИПИЧЕСКАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ: модификации • ГЕНОТИПИЧЕСКАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ: мутации и рекомбинации МОДИФИКАЦИИ – фенотипическое изменение одного или нескольких признаков МОДИФИКАЦИИ • Не связаны с изменениями в первичной структуре ДНК • Не наследуются • В основе модификаций индуцибельный синтез ферментов МУТАЦИИ – изменение в первичной структуре ДНК, ведущее к изменению одного или нескольких признаков МУТАЦИИ • Связаны с изменением первичной структуры ДНК • Наследуются КЛАССИФИКАЦИЯ МУТАЦИЙ ПО ПРОИСХОЖДЕНИЮ • Спонтанные («дикие») – возникают без видимого воздействия • Индуцированные – возникаютпод влиянием физических и химических факторов – мутагенов Физические мутагены: УФО, ионизирующая радиация, высокие температуры и др. Химические мутагены: аналоги азотистых оснований, азотистая кислота, акридиновые красители, алкилирующие агенты, нитрозосоединения (нитрозогуанин, нитрозометилмлчевина – это супермутагены), некоторые химиотерапевтические препараты (препараты нитрофуранового ряда). КЛАССИФИКАЦИЯ МУТАЦИЙ ПО ХАРАКТЕРУ ИЗМЕНЕНИЙ В ПЕРВИЧНОЙ СТРУКТУРЕ ДНК • Генные (точковые) – затрагивают одну пару азотистых оснований: транзиции; трансверсии; мутации со сдвигом рамки считывания; нонсенс-мутации (образуются терминальные кодоны – УАА, УАГ, УГА). • Хромосомные – затрагивают целый фрагмент ДНК: делеции; инверсии; дупликации; амплификации; инсерции и др. Различают прямые и обратные мутации (реверсии) Прямая мутация – вызывает повреждение в гене Обратная мутация – компенсирует эффект прямой мутации КЛАССИФИКАЦИЯ МУТАЦИЙ ПО ФЕНОТИПИЧЕСКИМ ПОСЛЕДСТВИЯМ ДЛЯ КЛЕТКИ • Нейтральные – фенотипически никак не отражаются • Условно-летальные – приводят к гибели клетки при определенных условиях • Летальные – всегда ведут к гибели клетки СИСТЕМЫ РЕПАРАЦИИ У БАКТЕРИЙ Репарация – процессы, направленные на восстановление поврежденной структуры ДНК • ФОТОРЕАКТИВАЦИЯ (световая репарация) – ферменты этой системы работают на свету, восстанавливает поврежденную ДНК с точностью до одного нуклеотида. • ЭКСЦИЗИОННАЯ (темновая репарация) – ферменты этой системы работают без света, восстанавливает поврежденную ДНК с точностью до одного нуклеотида. • SOS-репарация – эта система работает, когда клетка находится на грани гибели, при множественных повреждениях ДНК. Эта система работает быстро, но совершает «ошибки» - точно не восстанавливает поврежденный участок ДНК. РЕКОМБИНАЦИЯ У БАКТЕРИЙ Рекомбинация – обмен генетической информацией • Рекомбинация внутри генома обеспечивают интегративные плазмиды, транспозоны, инсерционные элементы • Рекомбинация между геномами обеспечивается за счет конъюгации, трансформации и трансдукции ТИПЫ РЕКОМБИНАЦИЙ • НЕСПЕЦИФИЧЕКАЯ (общая рекомбинация) – между любыми гомологичными участками ДНК • СПЕЦИФИЧЕСКАЯ (сайт-специфическая рекомбинация) – только между определенными гомологичными участками ДНК • НЕЗАКОННАЯ – между любыми, даже негомологичными участками ДНК КОНЪЮГАЦИЯ У БАКТЕРИЙ 1949 г., Ледерберг и Татум – открыли конъюгацию у бактерий КОНЪЮГАЦИЯ – перенос генетической информации из клетки-донора в клетку-реципиент с помощью конъюгационного мостика. СТАДИИ КОНЪЮГАЦИИ • Контакт донора и реципиента с помощью F-пилей • Образование конъюгационного мостика • Передача копии генетического материала по конъюгационному мостику от донора к реципиенту • Встраивание ДНК донора в геном реципиента, т. о., реципиент получает новые свойства Все этапы конъюгации контролирует F-плазмида Доноры несут F-плазмиду и имеют фенотип F + Реципиенты не имеют F-плазмиды и имеют фенотип – F - Рекомбинатты могут иметь фенотип F + или F / , это зависит от типа конъюгации F-плазмида относится к интегративным плазмидам, в составе хромосомы донора носит название Hfr-фактора. ТИПЫ КОНЪЮГАЦИИ • Плазмидная • Хромосомная • Сексдукция (вариант плазмидной конъюгации) Методом прерванной конъюгации осуществляется картирование бактериальной хромосомы ТРАНСФОРМАЦИЯ У БАКТЕРИЙ 1928 г, Гриффитс – открыл трансформацию у бактерий ТРАНСФОРМАЦИЯ – процесс поглащения реципиентной клеткой чистого препарата ДНК донора из окружающей среды. СТАДИИ ТРАНСФОРМАЦИИ • Адсорбция ДНК донора на поверхности реципиента • Проникновение ДНК донора в клетку реципиента • Встраивание ДНК донора в геном реципиента, т. о., реципиент получает новые свойства Компетентные клетки – клетки реципиента, способные поглащать ДНК донора. Трансформацию используют для картирования. ТРАНСДУКЦИЯ 1951 г., Ледерберг и Циндер – открыли трансдукцию. ТРАНСДУКЦИЯ – передача генетического материала от донора к реципиенту с помощью бактериофагов. ЭТАПЫ ТРАНСДУКЦИИ • Формирование трансдуцирующего фага в клетках донора • Адсорбция трансдуцирующего фага на поверхности реципиента • Проникновение нуклеиновой кислоты фага в цитоплазму реципиента • Встраивание нуклеиновой кислоты фага в геном реципиента, т. о., реципиент получает новые свойства Трансдуцирующие фаги являются умеренными. Это дефектные фаги, утратившие часть своего генома и неспособные к самостоятельной репликации. ТИПЫ ТРАНСДУКЦИИ • Неспецифическая - бактериофаг от донора к реципиенту переносит разные гены • Специфическая - бактериофаг от донора к реципиенту переносит одни и те же гены • Абортивная – бактериофаг не встраивается в хромосому реципиента и теряется в потомстве КАК ОПРЕДЕЛИТЬ ЧАСТОТУ КОНЪЮГАЦИИ, ТРАНСФОРМАЦИИ, ТРАНСДУКЦИИ Количество рекомбинантных клонов в 1 мл поделить на общее количество клеток реципиента или донора, участвующего в опыте (все расчеты на 1мл) ДИССОЦИАЦИИ В МИКРОБНОЙ ПОПУЛЯЦИИ – разделение культуры бактерий на два или более типов, обычно наблюдаются при неблагоприятных условиях окружающей среды. ПРИЧИНЫ ДИССОЦИАЦИЙ • Модификации • Мутации • Рекомбинации ГЕНЕТИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ являются причиной формирования лекарственной устойчивости и передачи вирулентных свойств у бактерий: • В результате модификаций клетки бактерий образуют ферменты, разрушающие антибиотики • Мутации в плазмидных и хромосомных генах бактерий ведут к утрате «мишени» для антибиотика • При конъюгации, трансформации и трансдукции осуществляется перенос генов лекарственной устойчивости и генов, обеспечивающих вирулентные свойства бактерий БИОТЕХНОЛОГИЯ И ГЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ – область знаний, направленная на получение продуктов, необходимых для человека с помощью биологических объектов. Этот термин стал использоваться в 70-е годы 20 века. ГЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ – направление биотехнологии: • Разрабатывает методы создания рекомбинантных молекул ДНК с заданными свойствами • Способы введения рекомбинантных молекул в клетки про- и эукариот РЕКОМБИНАНТНАЯ ДНК ВКЛЮЧАЕТ: • Вектор-переносчик (плазмиды, вирусы) – обеспечивают репликацию рекомбинантной молекулы • Клонированная чужеродная ДНК – кодирует синтез нужного продукта ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ РЕКОМБИНАНТНЫХ МОЛЕКУЛ: • Получение линейных молекул вектора и чужеродной ДНК с помощью ферментов эндонуклеаз. • Сшивание вектора и чужеродной ДНК с помощью фермента лигазы. • Введение рекомбинантной молекулы в клетки продуцентов с помощью трансформации и других механизмов • Экспрессия рекомбинантной молекулы в клетках продуцента Таким образом отклонированы гены человеческого интерферона, инсулина, созданы вакцины, не содержащие вирусных частиц. Например, вакцина против гепатита В. Строение бактериальной клетки Бинарное деление клетки бактерий Схема деления клетки бактерий Половые пили (F-пили) бактерий Конъюгация у бактерий Схема строения инсерционного элемента и транспозона Электронная фотография транспозона |