Генетика микроорганизмов. Изменчивость в микробных популяциях

1.

ФГБОУ ВО «Иркутский государственный медицинский
университет» МЗ РФ
Кафедра микробиологии, вирусологии и иммунологии
Генетика микроорганизмов
Изменчивость в микробных
популяциях
ИРКУТСК – 2020

2.

Какое открытие, удостоенное нобелевской
премии, связано с именами
ДЖЕЙМС
УОТСОН
ФРЕНСИС
КРИК

3.

Дайте определение:
генотип, генофонд, фенотип
• … - совокупность всех генных вариаций
(аллелей) определенной популяции
• … - совокупность генов данного организма
• … - совокупность характеристик, присущих
индивиду на определённой стадии развития

4.

Материальная основа генетического аппарата
прокариот?
РНК
ДНК
БЕЛОК

5.

Где
сосредоточен
генетический
материал у
прокариот ?
Почему нельзя говорить о ядре прокариот?
Как называется способ деления бактерий?

6.

7.

8.

Какой молекулярно-генетический процесс
лежит в основе наследственности ?

9.

Какова роль основной группы ферментов, участвующих в
процессе репликации?
ДНКполимераза
?
ДНКлигаза
?
ДНКгеликаза
?
Рестриктаза
?
Праймаза
?
ДНК-топоизомераза
?

10.

1. Инициаторные белки - в точке начала репликации,
способствуют образованию репликационной вилки.
2. ДНК-хеликаза и дестабилизирующие белки - расплетают
двойную спираль родительской ДНК, формируя
репликационную вилку.
3. ДНК-полимеразы - катализируют синтез полинуклеотидной
цепи ДНК.
4. ДНК-праймаза - катализирует короткие молекулы РНКзатравки/праймеры, необходимые для инициации синтеза ДНК
в точке ori, в дальнейшем отстающей цепи.
5. ДНК-топоизомеразы - решает проблемы кручения и
спутывания спирали ДНК.
6. Рестриктазы – вырезают измененные участки ДНК, убирая
нежелательные вставки.

11.

12.

13.

1. Репликация ДНК начинается в точке ori (origin - начало).
Здесь локализован ферментативный аппарат репликации и это
точка прикрепления нуклеоида к ЦПМ.
2. Раскручивание (деспирализация) ДНК, образование
репликативной вилки
3. Инициация цепей ДНК связана с образованием праймеров –
затравок – коротких последовательностей нуклеотидов
4. Синтез новых нитей ДНК на лидирующей и запаздывающей
цепях
5.
После
завершения
репликации
появляются
две
двухцепочечные молекулы, связанные друг с другом.
При их разделении одно из двух колец временно разрывается.

14.

15.

16.

Чем отличается механизм реализации
генетической информации у прокариот от
эукариот?

17.

Транскрипция - синтез РНК
по матрице ДНК
В качестве матричной выступает
цепь ДНК 3’ 5’.
Цепь 5’ 3’ в транскрипции не
участвует. Эту цепь называют
кодогенной, т.к.
последовательность нуклеотидов
РНК (кодонов) совпадает с ее
последовательностью
В ТРАНСКРИПЦИИ различают:
1. Начало – инициацию
2. Удлинение цепи РНК –
элонгацию
3. Окончание - терминацию

18.

1.
Инициация транскрипции: фермент РНКполимераза связывается с промотором на
одной из цепей ДНК.
(РНК-полимераза I и III транскрибируют гены т- и
р-РНК; РНК-полимераза II – гены белков)
5
3
3
5
промотор
РНК-полимераза
ДНК

19.

2. Элонгация – по принципу
комплементарности и антипараллельности
на матричной цепи ДНК строится РНКкопия
кодогенная цепь
матричная цепь

20.

3. Терминация. Сигналом для этого служит
образование «шпильки» на РНК, при этом РНК
отсоединяется от ДНК
Сигнал терминации
РНК
Самопроизвольное
сворачивание
«шпилька»

21.

ОТЛИЧИЕ ОТ ЭУКАРИОТ У ПРОКАРИОТ НОВАЯ
СИНТЕЗИРОВАННАЯ МОЛЕКУЛА РНК НЕ ВСТУПАЕТ В
ПОСТТРАНСКРИПЦИОННЫЙ ПРОЦЕСС - ПРОЦЕССИНГ ИЛИ
СОЗРЕВАНИЕ РНК
У прокариот транскрипция (1) и трансляция (2) не разделены
ни в пространстве, ни во времени
прокариотическая клетка
3’
рибосомы
(1)
Кольцевая
ДНК
5’
(2)
белок

22.

Структуры прокариот, содержащие ДНК
Хромосомная
ДНК
1) IS-последовательности;
2) транспозоны;
3) плазмиды;
4) Трансдуцирующие бактериофаги
Внехромосомная

23.

Виды плазмид
Плазмиды — фрагменты ДНК, несущие от 40 до 50 генов.
- автономные (не связанные с хромосомой бактерии, способны
самостоятельно репродуцироваться; в клетке может
присутствовать несколько их копий)
- интегрированные: встроенные в хромосому, репродуцируются
одновременно с ней. Интеграция плазмид происходит при
наличии гомологичных последовательностей ДНК, при которых
возможна рекомбинация хромосомной и плазмидной ДНК (что
сближает их с профагами).
• Плазмиды : трансмиссивные (например, F- или R-плазмиды),
способные передаваться посредством конъюгации, и
нетрансмиссивные

24.

• Плазмиды выполняют регуляторные или
кодирующие функции.
• Регуляторные плазмиды участвуют в
компенсировании тех или иных дефектов
метаболизма бактериальной клетки
посредством встраивания в повреждённый
геном и восстановления его функций.
• Кодирующие плазмиды привносят в
бактериальную клетку новую генетическую
информацию, кодирующую новые,
необычные свойства (например,
устойчивость к антибиотикам).

25.

Группы плазмид.
F-плазмиды.
контролируют синтез F-пилей,
способствующих контакту бактерий-доноров
(F+) c бактериями-реципиентами (F–).
- могут быть автономными и
интегрированными. Встроенная в хромосому
F-плазмида обеспечивает высокую частоту
рекомбинации бактерий данного типа, поэтому
их также обозначают как Hfr-плазмиды от англ.
high frequency of recombinations, высокая
частота рекомбинаций].

26.

• R-плазмиды (от англ. resistance,
устойчивость) кодируют устойчивость к
лекарственным препаратам.
• Плазмиды патогенности контролируют
вирулентные свойства бактерий и
токсинообразование (плазмиды включают
tox+-гены).
• Плазмиды бактериоциногении кодируют
синтез бактериоцинов - белковых продуктов,
вызывающих гибель бактерий того же или
близких видов.

27.

• Плазмиды биодеградации.
• кодируют ферменты деградации природных
(мочевина, углеводы) и неприродных (толуол,
камфора, нафталин) соединений, необходимых
для использования в качестве источников
углерода или энергии, что обеспечивает им
селективные преимущества перед другими
бактериями данного вида. Патогенным бактериям
подобные плазмиды придают преимущества перед
представителями аутомикрофлоры.

28.

Изменчивость - способность живых организмов приобретать
новые признаки и свойства. Благодаря изменчивости, организмы
могут приспосабливаться к изменяющимся условиям среды
обитания.

29.

Изменчивость
фенотипи
ческая
генотипиче
ская
В основе лежит
Модификационный
процесс
Мутационный и
рекомбинационный
процесс

30.

Источником генетической изменчивости,
формирующем новые аллели в микробных
популяциях, всегда является только мутации.
А вот структурные перестройки
внутри генотипа обеспечивает: рекомбинация.

31.

Модификации
Модификации – фенотипические изменения какоголибо признака или нескольких признаков
микроорганизмов. Модификации проявляются в
изменении морфологических, биохимических и
других признаков с последующей их реверсией к
первоначальному фенотипу после устранения
действия фактора, вызвавшего их образование.

32.

Рост ESCHERICHIA COLI
на среде ЭНДО
Рост ESCHERICHIA COLI
на МПА

33.

Модификационная изменчивость
(разобрать примеры)
Причины
Дефицит Са
в пит. среде
Появление
лактозы в
пит. среде
Появление
пенициллина в пит.
среде
Дефицит О2
в пт. среде
Снижение
спорообразования
Вacillus
antracis
Индукция
синтеза вгалактозидазы
Е.coli
Индукция
пенициллиназы
Staphylococcus spp.
Снижает
пигментацию
и увеличивает
гладкие
колонии у
Mycobacterium
Следствия
Воздействие
АБП на
бактерию
Появление
l-форм
бактерий

34.

Определите вид изменчивости, ответ поясните
Лецитиназа 21°
Дыхательная активность при 37°
Лецитиназа 37°
Дыхательная активность 45°

35.

• Генетическая
рекомбинация
это
возникновение новых последовательностей в
структуре ДНК в результате разрывов и
восстановления ее молекул.
• Генетическая рекомбинация у прокариот
имеет свои отличительные признаки, что
связано:
• • с особенностями строения генетического
аппарата
• • с формой генетического обмена

36.

37.

Какой процесс
изображен на
микрофотографиях?
Что лежит в
основе этого
процесса?

38.

39.

Трансформация transformatio (лат.) преобразование,
превращение: это форма
генетической
изменчивости,
при которой бактерия реципиент поглощает из
внешней среды
трофическим путем
фрагменты ДНК
бактерии – донора
вследствие этого
образуются
рекомбинантные
бактерии, обладающие
отельными свойствами
донорской клетки.

40.

Что было открыто в опытах Гриффитса (1928)
Что является трансформирующим фактором?

41.

42.

Ответить на поставленный вопрос Гриффит
был не готов. И только 1944г. Эвери, Маклеод и
Маккарти показали, что
в основе процесса
трансформации лежит:
• способность
бактерий адсорбировать на своей
поверхности фрагменты
химических молекул,
например ДНК, определенной длины
• адсорбированная
молекула
ДНК
(фрагмент)
проникает внутрь клетки путём активного
транспорта
• фрагмент ДНК встраиваются в геном бактерии
• новый
фрагмент ДНК, интегрировавшийся в
геном бактерии, начинает проявлять свое действие
также, как и другие гены клетки-реципиента

43.

Явление трансдукции было открыто американскими
биофизиками Дж. Ледербергом и Н. Циндером в 1952 г
Какой механизм его обеспечивает? Прокомментируйте

44.

ТРАНСДУКЦИЯ - transductio - перемещение
(лат): это перенос генетической информации
от бактерии-донора к бактерии-реципиенту с
помощью
умеренного
фага
(трансдуцирующих бактериофагов).

45.

ОТЛИЧИЕ ТРАНСДУКЦИИ ОТ ФАГОВОЙ
КОНВЕРСИИ?
? ... - перенос генетической информации из
клетки
в
клетку
при
помощи
бактериофага
?
… - экспрeссия
бактериофага
в
клетке
генов
приведите примеры

46.

Мутация – это изменения в последовательности отдельных
нуклеотидов ДНК, которые фенотипически ведут к таким проявлениям,
как изменения морфологии бактериальной клетки, возникновение
потребностей в факторах роста, например в аминокислотах, витаминах,
т.е. ауксотрофности, к устойчивости к антибиотикам, изменению
чувствительности к температуре, снижению вирулентности (аттенуация)
и т.д.
Мутагенные факторы
химические
окислители и восстановители;
- алкилирующие агенты и
пестициды;
- некоторые пищевые добавки;
- продукты переработки нефти и
органические растворители;
- лекарственные препараты
физические
ионизирующие
излучения,
ультрафиолетовы
е лучи и
повышенная
температура
биологические
вирусы,
бактерии

47.

• Мутация, приводящая к потере функции- прямая.
• У мутантов может произойти восстановление исходных свойств, т.е.
реверсия (от англ. reverse - обратный). Если происходит
восстановление исходного генотипа, то мутация, восстанавливающая
генотип и фенотип, называется обратной или прямой реверсией. Если
мутация восстанавливает фенотип, не восстанавливая генотип, то
такая мутация называется супрессорной. Супрессорные мутации
могут возникать как в пределах того самого гена, в котором
произошла первичная мутация, так и в других генах или могут быть
связаны с мутациями в тРНК.
• По протяженности изменений повреждения ДНК различают мутации
точечные, когда повреждения ограничиваются одной парой
нуклеотидов, и протяженные или аберрации. В последнем случае
могут наблюдаться выпадения нескольких пар нуклеотидов, которые
называются делецией, добавление нуклеотидных пар, т.е.
дупликации, перемещения фрагментов хромосомы, транслокации и
перестановки нуклеотидных пар - инверсии.
• Мутации могут быть спонтанными, т.е. возникающими
самопроизвольно, без воздействия извне, и индуцированными.
• Точечные спонтанные мутации возникают в результате ошибок при
репликации ДНК, что связано с таутомерным перемещением
электронов в азотистых основаниях.

48.

Молекулярная
биология
Биохимия
Клеточная
биология
Генетика
Химическая
инженерия
Микробиология
Молекулярная
биотехнология
Высокоурожайные
культуры
Лекарственные препараты
Вакцины
Диагностические
методы
Высокопродуктивные сельхоз
животные

49.

Использование микроорганизмов в генной инженерии