Вирусы. Бактериофаги. Генетика бактерий

1. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Ульяновский государственный университет»

1
Федеральное государственное бюджетное
образовательное
учреждение высшего образования
«Ульяновский государственный университет»
Вирусы. Бактериофаги. Генетика
бактерий
1111
Лектор:
доктор медицинских наук, профессор
Н.И.Потатуркина-Нестерова

2. План лекции

2
1.
Классификация вирусов. Понятие вируса и вириона.
2.
Морфология вирусов. Функции ДНК и РНК (+ нить, - нить).
3.
Химический состав нуклеопротеида. Ферменты.
4.
Методы культивирования вирусов.
5.
Взаимодействие вируса с клеткой мишенью.
6.
Механизм интеграции ДНК и РНК вируса в геном клетки.
7.
Пути передачи вирусных инфекций.
8.
Морфология фагов.
9.
Механизм взаимодействия фагов с бактериальной клеткой.
10. Вирулентные и умеренные фаги. Лизогения.
11. Титр фага методы определения.
12. Принцип получения культуры фагов. Применение в медицине.

3.

3
Организация генетического аппарата у бактерий.
Генотип, фенотип.
Внехромосомные факторы наследственности.
Формы изменчивости у микроорганизмов.
Мутации, виды мутаций у бактерий.
Генетические рекомбинации у бактерий.
Понятие о модификациях.
Теоретическое и практическое значение учения о
генетике.
Практическое использование генной инженерии.

4. Основоположник вирусологии Д.И.Ивановский (1864-1920) Открыл вирусы при изучении мозаичной болезни табака

4
Основоположник вирусологии
Д.И.Ивановский (1864-1920)
Открыл вирусы при изучении мозаичной болезни табака

5. Основные отличия вирусов от других форм жизни

5
Основные отличия вирусов от других форм
жизни
Один тип нуклеиновой кислоты, отсутствие клеточного
строения, белок-синтезирующих и энергозапасающих
систем
Возможность интеграции в клеточный геном и
синхронной с ним репликации
Теории происхождения вирусов
Появились в результате деградации бактерий
Потомки реликтовых форм жизни
Вирусы – это «взбесившиеся» гены клеток, автономные осколки жизни

6. Основные признаки, используемые для классификации вирусов

6
Основные признаки, используемые для
классификации вирусов
Морфология, размеры и форма
Тип симметрии нуклеокапсида
Тип нуклеиновой кислоты
Структура генома – количество нитей
Целостность или фрагментированность генома
Наличие суперкапсида
Наличие обратной транскриптазы (для отнесения к
семейству ретровирусов)

7. Таксономия и номенклатура вирусов

7
Таксономия и номенклатура вирусов
Международным комитетом по таксономии вирусов (ICTV,
2000) разработана единая система классификации и
номенклатуры вирусов, которая основана на изучении
различных свойств вирусов
Сведения о нуклеотидной последовательности для каждой
таксономических групп вирусов имеются в опубликованной
международной базе данных, что используют при
идентификации вирусов

8. Таксономия вирусов

8
Таксономия вирусов
Универсальная система таксономии вирусов включает
несколько уровней:
Царство Virae, порядок, семейство, подсемейство,
род, вид ( новая таксономическая группа)
Патогенные вирусы позвоночных (человека и
животных) в соответствии с современной системой
классификации вирусов объединены в:
2 порядка (Mononegavirales и Nidovirales),
28 семейств.
Из всех этих семейств 10 являются ДНК-вирусами и
18 РНК-вирусами.

9.

9

10. Классификации вирусов

10
По тропности
Пневмо-, дермо-. нейро-, пантропные.
По пути передачи
Респираторный
Фекально-оральный
Парентеральный
Половой
Трансмиссивный

11. Морфология вирусов

11
Морфология вирусов
Нуклеокапсид
Капсид построен из капсомеров, состоящих из одной
или нескольких молекул белка
Капсомеры уложены вокруг нуклеиновой кислоты в
определенном порядке, образуя симметричные
структуры.

12.

12

13. Типы симметрии капсомеров

13
Типы симметрии капсомеров
Три типа симметрии вирионов:
1) спиральный: капсомеры образуют спиралевидную
структуру
2) кубический,
3) смешанный.

14. Характеристика ДНК и РНК вирусов

14
Характеристика ДНК и РНК вирусов
Содержат один тип нуклеиновой кислоты - ДНК или
РНК (исключение цитомегаловирус – кроме геномной ДНК
содержит определенное количество иРНК )
Функция: хранение и транспорт генетической информации
ДНК:
1) линейная или кольцевая, 2) 1- или 2-нитевая, 3) цельная,
прерывистая, 4) с дефектом в одном кольце.
РНК:
1) линейная или кольцевая, 2) 1- или 2-нитевая, 3) цельная,
прерывистая.
«РНК+» сама транслирует закодированную в ней
информацию на рибосомы клетки хозяина, т.е. выполняет
функцию иРНК
«РНК-» не может выполнять функцию иРНК

15. Химический состав вирусов

15
Химический состав вирусов
Белки – их масса составляет 57-90% массы вириона.
Делят на структурные (капсида, суперкапсида),
внутренние (связаны с нуклеиновой кислотой –
ДНКпротеины и РНКпротеины)
Гликопротеины – на суперкапсиде
Гликолипиды – на суперкапсиде, образуют шипики,
являются а/г, отвечают за адсорбцию и слияние с
мембраной клетки хозяина

16. Ферменты и токсины вирусов

16
Ферменты и токсины вирусов
Метаболические ферменты отсутствуют
Вирионные ферменты: транскрипции и репликации (ДНКи РНКполимеразы, эндо- и экзонуклеазы, обратная
транскриптаза)
АТФаза, нейраминидаза – участвуют в проникновении в
клетку и выходе из нее
Вирусиндуцированные
Токсины отсутствуют, белки вируса в большой массе могут
оказывать токсическое действие. Продукты распада клеток.

17. Методы культивирования вирусов

17
Методы культивирования вирусов
Организм лабораторного животного
Заражение куриных эмбрионов
Культуры клеток и тканей – первичные
(трипсинизация), перевиваемая (HeLa, Hep-1, Hep-2)
Культивирование в бактериях (бактериофаги)

18. Заражение лабораторных животных

18
Заражение лабораторных животных
Пути заражения
Внутримышечно
Внутривенно
Интраперитониально
Интрацеребрально
Энтерально (per os, per rectum)
Цель: изучение клинического
течения, патогенеза,
лечения заболевания

19. Заражение куриных эмбрионов

19
7-10 дневные эмбрионы заражают:
- на хорионаллантоисную оболочку,
- в х/а полость,
- в желточный мешок,
- амнион,
- в тело эмбриона.
Открытые и закрытые способы
Индикация:
- гибель эмбриона или морфологические изменения
эмбриона/оболочек,
- РТГА с жидкостью из полостей куриного эмбриона

20. Заражение культур тканей

20
Заражение культур
тканей
Типы тканевых культур
Первичные (ткань обрабатывают трипсином) – получают из любых
тканей;
Перевиваемые – культуры опухолевых или эмбриональных клеток;
обладают большой митотической активностью (Нер-1, Нер-2, Соц и
др.)

21. О размножении вирусов в культуре клеток свидетельствуют следующие признаки:

21
О размножении вирусов в культуре
клеток свидетельствуют следующие
признаки:
цитопатический эффект (видимые под микроскопом
морфологические изменения клеток, и/или их гибель ЦПД);
образование в клетках включений (тельца БабешаНегри);
образование бляшек (участков разрушенных вирусом
клеточных культур);
феномен гемадсорбции (РСК, РТГА);
цветная реакция (культуры клеток без вирусов меняют
цвет – накопление продуктов метаболизма клеток, при
заражении вирусами – не меняют цвет).

22. Типы взаимодействия вируса с клеткой

22
Типы взаимодействия вируса с
клеткой
Интегративный тип взаимодействия – НК вируса
встраивается в геном клетки, образуется провирус, что
может приводить к трансформации клетки
Абортивный тип взаимодействия – участвуют
дефектные вирусы
Продуктивный тип взаимодействия – репродукция и
выход вирусов из клетки с ее гибелью или без гибели

23. Интеграция вирусного генома в хромосому хозяина

23
Интеграция вирусного генома в
хромосому хозяина
Двухцепочечная ДНК вируса может встроиться в
хромосому клетки-хозяина с помощью фермента
интегразы.
С проникшей в клетку вирусной РНК с помощью
обратной транскриптазы синтезируется ДНК, которое
внедряется в геном клетки и называется провирусом .
Провирус реплицируется вместе с клеточной ДНК и
при делении передается дочерним клеткам. Длительное
персистирование.

24. Стадии взаимодействия вируса с клеткой

24
Стадии взаимодействия
вируса с клеткой
Адсорбция – вирион прикрепляется к рецепторам клетки
(неспецифическая и специфическая фазы: лиганд-рецепторное
взаимодействие)
Проникновение – активным впрыскиванием НК эндоцитозом, слиянием мембран.
Раздевание – лизосомальные протеолитические ферменты
Транскрипция и репликация вирусного генома
Композиция – на мембранах ядра, эндоплазматической сети,
аппарата Гольджи
Выход – простые вирусы с разрушением клетки, сложные –
путем почкования, жизнеспособность клетки сохраняется

25. Взаимодействие вируса с клеткой

25
Взаимодействие вируса с клеткой

26. Пути транскрипции и репликации вирусного генома

26
Пути транскрипции и репликации
вирусного генома
Передача генетической информации идет
следующим образом:
ДНК
иРНК
белок
РНК:
РНК-
иРНК
РНК+
белок
белок
Ретровирусы:
РНК
ДНК
иРНК
белок

27. Эпидемиологические особенности

27
Эпидемиологические особенности
В зависимости от источника заражения различают:
1) антропонозные инфекции,
2) зоонозные инфекции,
3) антропозоонозныеи нфекции
Механизмы передачи вирусных инфекций:
горизонтальные: аэрогенный, фекально-оральный,
трансмиссивный, контактный
вертикальные: трансплацентарный, через гаметы, в
родах

28. Механизм действия вирусов на макроорганизм

28
Механизм действия вирусов на
макроорганизм
В основе патогенеза вирусных инфекций лежит
взаимодействие генома вируса с генетическим
аппаратом чувствительной клетки
Иммунотропное действие – поражение ИКК
Толерогенное действие – индуцирование
иммунологической толерантности
Онкогенное действие – индуцирование опухолевого
перерождения
Тератогенное действие – поражение плода

29. Методы диагностики вирусных инфекций

29
Методы диагностики вирусных
инфекций
Цитологический
Вирусологический
Серологический
Молекулярно-генетический
Иммунопрофилактика вирусных
инфекций
вакцины
иммуноглобулины
интерферон
интерфероногены (индукторы интерферона)

30. Препараты для химиотерапии вирусных инфекций

30
Препараты для химиотерапии
вирусных инфекций
Этиотропные препараты
Иммуномодулирующие препараты
Патогенетические препараты
Симптоматические препараты

31. Бактериофаги (bacteria, phagos)

31
Бактериофаги (bacteria, phagos)
В 1898 г. Н.Ф.Гамалея впервые наблюдал
самопроизвольный лизис бактерий
В 1917 г. Ф.Д,Эррель сделал заключение, что
наблюдаемый им литический объект является
вирусами бактерий, назвал бактериофагами.
Выделены у большинства бактерий, грибов и др.
Для обозначения используют названия микробов
(колифаг, стафилофаг и т.д.)

32. Фаги на поверхности клетки Е. cоli

32
Фаги на поверхности клетки Е. cоli

33. Морфологические типы фагов: нитевидные, кубические, сперматозоидные

33
Морфологические типы фагов:
нитевидные, кубические,
сперматозоидные

34. Характеристика фагов

34
Сперматозоидные состоят из головки (икосаэдр) и отростка (
чехол, базальная пластина с фибриллами)
Содержат ДНК или РНК: одно- или двунитевые, линейные,
кольцевые
Головка защищена капсидом, состоящим из белковых
капсомеров (кубический тип симметрии)
Номенклатура основана на виде хозяина: дизентерийный,
стафилококковый и др.

35. Взаимодействие бактериофага с бактериальной клеткой -стадии и типы взаимодействия с клеткой как и всех вирусов

35
Взаимодействие бактериофага с
бактериальной клеткой -стадии и типы
взаимодействия с клеткой как и всех
вирусов

36.

36
Вирулентные бактериофаги – всегда лизируют
зараженные бактерии и имеют только один путь развития –
литический цикл.
Умеренные бактериофаги –после проникновения в
клетку нуклеиновая кислота вируса может встраиваться в
геном клетки-хозяина, не вызывая ее лизис.
Лизогени́я – состояние, когда умеренный фаг встраивает
свой геном в геном бактерии, не лизируя ее.
Профа́г – геном фага, интегрированный в хромосомную
ДНК бактериальных клеток, передается дочерним клеткам
Лизогенная конверсия – изменение морфологии и
антигенных свойств бактерии при ассоциации фаговой
ДНК с геном бактерии.

37. Принцип получения фага

37
Принцип получения фага
Фагом инфицируют полученные в производственных
условиях культуры бактерий, чувствительной к
данному фагу. Затем фильтруют. Очищают и
стандартизируют.
Определяют активность фага (титр).
Для этого используют качественные и количественные
методы (по Фишеру, Грация, Аппельману).
Выпускают в виде таблеток, в жидком виде.
Применение в медицине:
1) диагностика (фаготипирование),
2) лечение, профилактика,
3) генная инженерия

38. Генетика микроорганизмов Генетический материал бактерий – нуклеоид и внехромосомные структуры, содержащие ДНК Генотип (геном)-

38
Генетика микроорганизмов
Генетический материал бактерий – нуклеоид и
внехромосомные структуры, содержащие ДНК
Генотип (геном)- это совокупность всех генов микроба,
детерминирующие возможные свойства клетки
.
Фенотип - совокупность проявлений генотипа в
конкретных условиях внешней среды
.

39. Нуклеоид

39
Нуклеоид
Нуклео́ид - неправильной формы зона в цитоплазме
прокариотической клетки, в которой находится геномная
ДНК и ассоциированные с ней белки.
На долю ДНК приходится около 60 % массы нуклеоида;
помимо ДНК, нуклеоид содержит РНК и белки.
Белки нуклеоида, обеспечивают пространственную
организацию геномной ДНК, называют нуклеоидными
белками или нуклеоид-ассоциированными белками; не
имеют ничего общего с гистонами,
Хромосома – одна замкнутая в кольцо молекула ДНК с
линейно расположенными генами, Гаплоид, имеет 3,05,0х106 пар оснований
Экспрессия генов – это реализация заложенной в них
информации, то есть синтез РНК и белков.

40. Внехромосомные генетические структуры

40
Внехромосомные генетические
структуры
Плазмиды
Транспозоны
IS- последовательности (инсерционные)
Представлены молекулами ДНК
Плазмиды способны к саморепликации, поэтому относятся
к автономным факторам наследственности, остальные
реплецируются только в составе нуклеоида или плазмиды.
Плазмиды обладают специфичностью, т.к. способны
встраиваться только в гомологичный участок нуклеоида в
отличие от транспозонов и IS-последовательностей.

41. Плазмиды

41
Двухцепочечная молекула ДНК
Функции плазмид
Регуляторная
Кодирующая
Свойства плазмид
Способность к самостоятельной репликации
Большая масса (103–106, 40-50 генов)
Плазмиды детерминируют:
1) устойчивость к антибиотикам;
2) продукция факторов патогенности;
3) образование колицинов и др.

42. Классификации плазмид

42
Классификации
плазмид
I.
Виды плазмид
II. По специфичности
Специфические
Неспецифические
R+ плазмиды
f+ плазмиды
vir+ плазмиды
col+ плазмиды
tox+ плазмиды
III. По функциям
Регуляторные –
участвуют в компенсации
дефектов метаболизма
бактериальной клетки
Кодирующие – вносят в
бактерию новую
генетическую
информацию, например,
устойчивость к а/б

43. Плазмиды

43
Плазмиды

44. Транспозоны

44
Участки ДНК организмов, способные к передвижению
(транспозиции) и размножению в пределах генома
Взаимодействуют с плазмидами и хромосомами
Масса – 2 -25 тыс. пар нуклеотидов
Содержат гены, детерминирующие синтез токсинов,
ферментов, обеспечивающих устойчивость к
антибиотику, белков, обеспечивающих др. признаки
Функции
Регулирующая
Кодирующая

45. IS- последовательности (insertion sequeces)

45
IS- последовательности
(insertion sequeces)
Простейший тип мигрирующих генетических
элементов
Масса – 800-1400 пар нуклеотидов
Не реплицируются самостоятельно
Содержат только гены транспозиции
Функции
Кодируют взаимодействие плазмид, транспозонов
Регулируют активность генов
Индукция мутаций

46. Изменчивость

46
Изменчивость
Это способность клеток изменять видовые признаки и
свойства
Наследственная изменчивость – способность
передавать потомству сходные признаки
Ненаследственная изменчивость – смена фенотипов
происходит без изменения генотипа
Изменение генома происходит в результате
мутаций и рекомбинаций

47. Мутации

47
Мутации
Изменения в первичной структуре ДНК
По происхождению подразделяют:
- спонтанные - не связаны с действием
определенного фактора ;
- индуцированные – под воздействием мутагена
По направленности:
- прямые - потеря или изменение признака;
- обратные (реверсии) – восстановление признака

48. Мутации

Ядерные
Хромосомные
Цитоплазматические
Генные
Точечные
Прямые
Обратные
Летальные
48

49. Мутагены

49
Мутагены
Физические (радиация, УФ –лучи, температура)
Химические (нитриты, эфиры, кислоты)
Биологические (антибиотики, бактериофаги)

50. Рекомбинации

50
Рекомбинации
Это измение в результате включения в ДНК реципиента
участка ДНК донора.
Образуется не зигота, а мерозигота – несет полную
информацию реципиента и часть генетической информации
донора в виде дополнения.
Виды рекомбинаций:
1) Трансформация
2) Конъюгация
3) трансдукция

51. Трансформация – генетическое изменение клеток в результате включения в их геном экзогенной ДНК. Феномен открыл Гриффит у

51
Трансформация – генетическое изменение клеток в
результате включения в их геном экзогенной ДНК. Феномен
открыл Гриффит у Streptococcus pneumoniae (1928)
Стадии трансформации
1). Адсорбция ДНК на участках
клеточной стенки клетокреципиентов;
2). Ферментативное расщепление
связавшейся ДНК с образованием
фрагментов .
3) Проникновение фрагментов
ДНК, сопровождающееся
разрушением одной из цепей ДНК.
Проникшая цепь ДНК
рекомбинирует с генетическим
материалом реципиентной
клетки.

52. Конъюгация (с помощью конъюгационных pili)

52
Конъюгация
(с помощью конъюгационных pili)

53.

53
Перенос умеренным фагом участка ДНК от одной
бактерии к другой
Специфическая – с постоянной точкой фиксации в
ДНК бактерии-реципиента, неспецифическая – без
постоянной точки фиксации.

54. Модификации бактерий

54
Модификации бактерий
Изменение только фенотипических признаков бактерий
(форма, цвет, колонии) под влиянием условий среды.
Не связаны с изменением генотипа.
Исчезают при устранении условий вегетирования.
Виды модификаций
Морфологические
Биохимические
Антигенные и др.

55. SR-диссоциации

55
Появление в культуре , образующей S-формы колоний,
R-формы колоний.
Механизм – инсертационная мутация, приводящая к
утрате генов, контролирующих синтез ЛПС клеточной
стенки.
R-формы более устойчивы к физико-химическим
факторам.
S-формы более устойчивы к фагоцитозу и антителам.

56. Генная инженерия в медицинской микробиологии

56
Генная инженерия в медицинской
микробиологии
Получение с помощью рекомбинантных штаммов
бактерий:
- вакцин
- гормонов
- интерферонов
- цитокинов
Например: рекомбинантная вакцина для профилактики
гепатита В.
Получают встраиванием гена вируса гепатита В,
детерминирующего синтез HBs-Ag , в геном
дрожжевой клетки. Вакцина не содержит вирусных
частиц или их фрагментов

57. Генетические методы диагностики в микробиологии

57
Генетические методы диагностики в
микробиологии
Полимеразная цепная реакция (ПЦР)
Метод молекулярной гибридизации (ММГ)

58. ПЦР

58
ПЦР
Цель – идентификация микроорганизма без выделения
чистой культуры, генотипирование
Принцип – выделение ДНК, расплетение на две нити,
добавление праймеров (участков ДНК, комплементарных
концам искомого гена), их связывание с комплементарными
участками искомого гена, повторение циклов (30-80) –
накопление (амплификация) искомого гена. Определение
количества ДНК электрофорезом (при + реакции
количество ДНК увеличивается)

59.

59

60.

60

61. ММГ

61
ММГ
Цель – выявление степени сходства ДНК выделенного
штамма с ДНК эталонного штамма.
Принцип: расплетение исследуемой ДНК на две нити и
закрепление одной нити на фильтре
Взаимодействие фильтра в р-ре с одноцепочечной
молекулой ДНК эталонного штамма, меченной
радиоактивным изотопом
+ - количество ДНК увеличивается,
_ - количество ДНК не увеличивается

62. Благодарим за внимание !

62
Благодарим за внимание !