Генетика – наука о наследственности и изменчивости организмов

1.    

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«АСТРАХАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
МИНИСТЕРСТВА ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ГЕНЕТИКА МИКРООРГАНИЗМОВ
КАФЕДРА МИКРОБИОЛОГИИ И ВИРУСОЛОГИИ
АСС. ТЕПЛАЯ Г.В.

2. Генетика – наука о наследственности и изменчивости организмов.

Наследственность – свойство микроорганизмов воспроизводить
одни и те же сходные признаки в ряду поколений.
Изменчивость – способность организма приобретать новые
признаки под действием различных факторов.

3.

Бактерии — удобная модель для генетических исследований
относительная простота строения генома
гаплоидный набор генов обеспечивает отсутствие явления доминантности
половая дифференциация в виде донорских (М) и реципиентных клеток (Ж)
наличие обособленных и интегрированных фрагментов ДНК
(вне хромосомная наследственность)
лёгкость культивирования
быстрота размножения

4. Особенности генетической системы бактерий

• Если содержать бактерии в определённых условиях, они длительно сохраняют
свои свойства. Потомство микробной клетки наследует её свойства, что
позволяет определить любой вид микроорганизмов.
• У бактерий в естественных условиях передача генетической информации
происходит не только по вертикали - от родительской клетки дочерним, но и по
горизонтали с помощью различных механизмов: конъюгации, трансдукции,
трансформации.
• У бактерий часто кроме хромосомного генома имеется дополнительный
плазмидный геном, наделяющий их важными биологическими свойствами.

5.

Наследственный аппарат бактерий представлен хромосомой, состоящей из одной
двунитевой молекулы ДНК спирализованной свернутой в кольцо.
Ген - структурная единица наследственности.
Геном бактерий - совокупность всех генов в бак. клетке.
Информация в геноме закодирована в последовательности нуклеотидов.
Код триплетный. Каждому белку соответствует свой ген,
участок на ДНК,
отличающийся числом и специфичностью последовательности нуклеотидов.
1 ген = 1 белок
Состав нуклеотида ДНК

6.

Кодон – функциональная единица,
кодирующая синтез 1 аминокислоты,
состоит из нуклеотидов.
Расположение кодонов определяет
последовательность аминокислот в
белке.
1 кодон - 1 аминокислота

7.

Гены образуют опероны.
Оперон - структурно-функциональная единица хромосомы.
Это группа генов, кодирующих белки- ферменты, участвующие в
общем метаболическом пути.
Один оперон кодирует информацию обо всех белках- ферментах,
обеспечивающих один процесс, н-р, катаболизм лактозы.

8.

ген-регулятор - кодирует белок-репрессор, регулирует работу нескольких генов-
операторов. Не входит в состав оперона, хотя и может быть сцеплен с ним.
ген-промотор - место прикрепления РНК-полимеразы, руководит работой
структурных генов (ген 1, ген 2 и ген 3).
ген-оператор - место прикрепления белка- репрессора, непосредственно включает в
работу промотор, который «решает» нужно работать РНК-полимеразе или нет

9.

Лактозный оперон отвечает за катаболизм
лактозы
При отсутствии лактозы белок-репрессор связывается с оператором, блокируя
его работу, блокируется синтез РНК-полимеразы, кодирующей ферменты
катаболизма лактозы. В результате эти ферменты не образуются.

10.

Если лактоза есть, она связывается с белком-репрессором и ингибирует его, не
давая ему связаться с геном-оператором и препятствовать работе РНКполимеразы. Это позволяет РНК-полимеразе считывать информацию, начинается
синтез необходимого белка - фермента, н-р, лактомазы.

11.

Фенотип –внешнее проявление генотипа в конкретных условиях
обитания. Фенотип микроорганизмов зависит от окружающей среды, но
контролируется генотипом.
Генотип – совокупность всех генов микробной клетки.
ГЕНОТИП

12.

Внехромосомные факторы наследственной информации
Не являются жизненно необходимыми, не кодируют
информацию о синтезе ферментов и белка.
1. Плазмиды
2. Транспозоны
3. IS-последовательности

13.

Плазмида
- кольцевая, двунитевая молекула ДНК.
Содержат структурные гены, наделяющие бактериальную клетку
дополнительными свойствами.
Наличие плазмиды - уникальное
явление, характерное только
для бактерий.

14.

Свойства плазмид
1. Молекула ДНК в 100 раз короче бак. хромосомы
2. Могут существовать в 2-х состояниях:
Автономные - находятся свободно в цитоплазме бактерий, ДНК плазмиды
удваивается независимо от ДНК хромосомы
Интегрированные – ДНК плазмиды встроена в ДНК хромосомы бак. клетки, ДНК
плазмиды удваивается вместе с ДНК хромосомы бак. клетки
3. Обладают трансмиссивностью - находясь в автономном состоянии, стремятся перейти
от одной бактерии к другой
4. Если в данной бактерии имеется определенная плазмида, другая такая же не внедрится
5. Плазмиды не содержат жизненно важных генов.
6. В одной и той же бак. клетке могут находиться разные плазмиды.
Придают бактерии преимущества перед бактерией, не имеющей эту плазмиду.

15.

1) R- плазмиды - обеспечивают лекарственную устойчивость бактерий;
2) F- плазмида – (фактор фертильности) – дает бактерии свойства вступать в процесс
конъюгации в качестве бактерии-донора
(F+) (мужские) - клетки-доноры, F(-) (женские) – клетки-реципиенты
3) Col - плазмиды - кодируют синтез бактериоцинов, вызывающих гибель бактерий того
же или близких видов (кишечные палочки - колицины, чумные палочки – пестицины)
4) Tox -плазмиды - кодируют выработку экзотоксинов;
5) Hly - плазмиды – способность к синтезу гемолизинов
6) Плазмиды патогенности контролируют вирулентные свойства микроорганизмов,
детерминируя синтез факторов патогенности.
Потеря клеткой плазмиды не приводит к ее гибели.
В одной и той же клетке могут находиться разные плазмиды.

16.

Эффект R-плазмиды
- отсутствие чувствительности к антибиотикам

17.

IS-последовательности
- короткие фрагменты ДНК, включающие до 1500 пар нуклеотидов.
Не несут структурных генов, содержат только гены, ответственные за
транспозицию (способность перемещаться по хромосоме и встраиваться в
различные ее участки).
Неспособны к автономной репликации.

18.

Транспозоны (прыгающие гены)
- более крупные молекулы ДНК (2000 – 20500 пар нуклеотидов). Содержат один
или несколько структурных генов и гены, ответственные за перемещение.
Способны перемещаться внутри хромосомы или внутри плазмиды, или
перемещаться из хромосомы в плазмиду и наоборот. Транспозоны могут
существовать и вне хромосомы (автономно).
Неспособны к автономной репликации.

19.

Изменчивость микроорганизмов
Фенотипическая изменчивость
ненаследуемая
(модификация)
Морфологическая
Культуральная
Биохимическая
Метаболическая
Генотипическая изменчивость
наследуемая
(мутации)
Мутация
По происхождению:
1. спонтанные
2. индуцированные
По локализации:
1. генные
2. хромосомные
Генетическая
рекомбинация
Конъюгация
Трансформация
Трансдукция

20.

Фенотипическая изменчивость (модификации)
- происходит в результате влияния факторов внешней среды.
Не сопровождается изменением генотипа, возникшие в клетке изменения по
наследству не передаются. При восстановлении оптимальных условий
возникшие изменения утрачиваются.

21.

Фенотипическая изменчивость
1.Морфологическая –способность изменять форму, размер, капсулообразование
1. Культуральная – изменение характера роста бактерий при определенном
составе питательной среды, S→R диссоциация микробных колоний
3. Ферментативная - способность вырабатывать индуцибельные ферменты,
изменять качество и количество вырабатываемых ферментов
4. Метаболическая – утрата способности синтеза какого-либо вещества.
Исходный штамм бактерий прототрофы, измененный – ауксотрофы.
5. Биологическая - способность бактерий изменять токсинообразование,
вирулентность

22. Культуральная изменчивость - феномен диссоциации у бактерий

S- формы (англ. «smooth» - гладкий)
R-формы ( англ. «rough» – шероховатый)
Морфологическая изменчивость
Появление нитевидных структур при добавлении к
культуре клостридий стрептомицина.

23.

Генотипическая изменчивость
Мутации – передаваемые по наследству структурные изменения генов.
По происхождению:
1. Спонтанные (самопроизвольные) возникают под влиянием неизвестных
причин. Частота таких мутаций чрезвычайно мала (1 случай на 100 млн. особей).
Служат основным источником естественной изменчивости микроорганизмов.
2. Индуцированные (направленные) проявляются в результате обработки
микроорганизмов специальными мутагенами (температурой, излучением и т. д.)
По локализации:
1) генные (точечные)- затрагивают только один ген (выпадение, вставки, замена)
2) хромосомные –затрагивают несколько генов (делеция, дупликация, инверсия)

24. Генетические рекомбинации

Рекомбинантная изменчивость – возникает в результате комбинации генов
внутри хромосомы в результате передачи участка ДНК от бактерии –донора
к бактерии-реципиенту.
Механизмы рекомбинации:
1) конъюгация
2) трансформация
3) трансдукция
Репарация - процесс восстановления наследственного материала.

25.

Конъюгация – перенос генетического материала путем прямого контакта
между двумя клетками. Контролируется tra (transfer) опероном.
Обязательное условие – наличие в клетке-доноре F- плазмиды, которая
кодирует половые пили, образующие конъюгационный мостик между
клеткой-донором и клеткой-реципиентом.

26.

Конъюгация
- после образования между донором и реципиентом конъюгационного мостика,
образованного половой ворсинкой донорской клетки, одна нить ДНК-донора
поступает по нему в клетку-реципиент. Чем дольше этот контакт, тем большая
часть донорской ДНК может быть передана реципиенту. В результате
конъюгации образуются две F+ клетки.

27.

Трансформация
- передача генетической информации в виде изолированных фрагментов
ДНК от бактерии-донора бактерии-реципиенту.
Для трансформации необходимо особое физиологическое состояние клеткиреципиента – компетентность. Оно присуще активно делящимся клеткам. В
таких клетках действует фактор компетенции – это белок, вызывающий
повышение проницаемости клеточной стенки и ЦПМ, поэтому фрагмент ДНК
может проникать в такую клетку.

28.

Трансформация
Фазы трансформации:
1. абсорбция ДНК-донора на клетке-реципиенте
2. проникновение фрагмента ДНК внутрь клетки-реципиента
3. присоединение фрагмента ДНК-донора к хромосоме реципиента с
последующей рекомбинацией

29.

Впервые описана в 1928 году Гриффитсом в опытах на пневмококках.

30.

Трансдукция
- перенос наследственной информации от бактерии-донора к бактерии-
реципиенту с помощью умеренного бактериофага.
1. специфическая – перенос в клетку-реципиент определенного участка
ДНК -донора
2. неспецифическая - перенос
бактериофагом фрагмента любой части
бактериальной хромосомы.

31.

Трансдукция
Бактериофаг, внедряясь в бактерию, проникает в ДНК, а затем, покидая
хромосому, «захватывает» ее участок и переносит его к бактерии-реципиенту.

32.

Практическое значение изменчивости
направленное получение бактерий с полезными для человека свойствами
исследования в области генетики и изменчивости микроорганизмов
позволили получить большое число бактериальных и вирусных штаммов,
используемых для получения вакцин
производство генно-инженерных вакцин
методами генной инженерии микроорганизмы становятся продуцентами
таких веществ, получение которых химическим путем представляет очень
сложную, а иногда даже невозможную задачу. Этим путем в настоящее время
получают такие медицинские препараты, как инсулин, интерферон и др.

33.

Спасибо за внимание!!!!