Генетика бактерий

1. ГБОУ ВПО Кировская ГМА Кафедра микробиологии и вирусологии

Лекция
«Генетика
бактерий»

2. План лекции:

1.
2.
3.
4.
5.
История становления генетики
микроорганизмов
Организация генетического аппарата бактерий
Внехромосомные факторы наследственности
Понятия генотипа и фенотипа
Изменчивость

3.

Генетика – наука, изучающая закономерности
наследственности и изменчивости живых
организмов, в том числе и микроорганизмов
Наследственность – свойство живого
организма, в том числе и микроорганизма,
передавать потомству видовые признаки
Изменчивость – свойство живого организма,
в том числе и микроорганизма, изменять
видовые признаки

4. Исторические этапы становления генетики микроорганизмов

0. Эвристический (донаучный) период
6 тыс. лет назад:
вавилонские глиняные таблички
«физические признаки могут
передаваться от одного
поколения другому»

5. Исторические этапы становления генетики микроорганизмов

I. Эмпирический (научный) период
(середина XIX века)
1865 г.: Грегор Мендель –
труды по скрещиванию
гороха: «наследственные
признаки не смешиваются,
а передаются от родителей
к потомкам в виде
обособленных единиц»

6. Исторические этапы становления генетики микроорганизмов

Л. Пастер и Р. Кох – открытие новых
микроорганизмов, их систематизация
мономорфисты: свойства бактерий неизменны
плеоморфисты: свойства бактерий изменяются

7. Исторические этапы становления генетики микроорганизмов

II. Классический период (начало XX века)
1900 г.: К. Корренс,
Э. фон Чермак, Г. Де Фриз –
переоткрытие законов Менделя в
работах по гибридизации
бактерий
1903 г.: Иогансен – термин «ген»
1906 г.: Бетсон – определение
«генетики»

8. Исторические этапы становления генетики микроорганизмов

1925 г.: Надсон, Филипов – действие рентгеновских
лучей на дрожжи,
1927 г.: термические мутации
1928 г.: Ф. Гриффитс –
молекула наследственности,
передающаяся от бактерии к
бактерии

9. Исторические этапы становления генетики микроорганизмов

III. Период молекулярной генетики
(с середины XX века)
1944 г.: О. Эвери, К. Мак Леод, М. Мак Карти –
материальной единицей наследственности у
бактерий является ДНК
1952 г.: Чейз – генетическая
информация бактериофагов
содержится в ДНК

10. Исторические этапы становления генетики микроорганизмов

1953 г.: Ф. Крик, Д. Уотсон
– модель структуры и
репликации ДНК
40-50 гг.: системы
рекомбинации у бактерий,
внехромосомные факторы
наследственности
1958 г.: Шталь –
полуконсервативный
характер удвоения ДНК у
бактерий

11. Исторические этапы становления генетики микроорганизмов

1961 г.: Ф. Крик, Бернет и Д. Уотсон – принципы
организации генетического кода: триплетность,
вырожденность и неперекрываемость

12. Исторические этапы становления генетики микроорганизмов

1977г.: лаборатория Зангера секвенировала геном
бактериофага
1983 г.: К. Мелис – ПЦР

13. Исторические этапы становления генетики микроорганизмов

1995 г.: секвенирован геном
бактерии Haemophylus
influenzae
1996 г.: секвенирован геном
пекарских дрожжей
1998 г.: секвенирован геном
многоклеточного организма –
нематоды
2003 г.: секвенировано 99%
генома человека

14. Инновационные направления генетики

Биотехнология – использование культур
клеток бактерий, дрожжей, растений и животных
для биосинтеза необходимых человеку
продуктов
Инженерная энзимология – использование
микробных ферментов на носителе
Генная инженерия – методы, позволяющие
получать in vitro рекомбинантные ДНК (с
заданной структурой) и наследственно
измененные организмы
Клеточная инженерия – методы,
позволяющие получать in vitro клетки с заданной
структурой (гибридомы)

15. Недостатки высших организмов как моделей для генетических исследований:

длительность эксперимента
ограниченное число особей, используемое в
эксперименте
диплоидный набор хромосом
требования ухода и содержания животных
экономические затраты

16. Преимущества бактерий как моделей для генетических экспериментов:

сходная с высшими организмами структура
наследственности – ДНК
простота культивирования
короткие сроки размножения
гаплоидный набор хромосом (исключает
доминантность, выявляет мутации)
наличие автономных и интегрированных
фрагментов ДНК
половая дифференциация в виде клеток доноров
и реципиентов

17. Организация генетического аппарата бактериальной клетки

Хромосома бактериальной клетки –
кольцевая двунитевая молекула ДНК,
организованная в нуклеоид
Нуклеотид:
азотистое основание (А/Г/Т/Ц)
дезоксирибоза
остаток фосфорной кислоты
фосфодиэфирные связи
полинуклеотиды
2 цепи,
соединенные
водородными связями
А+Т/Г+Ц≈0,45-2,73
(правило Чаргафа)

18. Организация генетического аппарата бактериальной клетки

Ген – участок молекулы ДНК, несущий информацию
о первичной структуре белка или РНК
структурные
регуляторные
интроны

19. Отличие генома прокариот от генома эукариот

Прокариоты
Эукариоты
ДНК не ограничена ядерной
мембраной
ДНК суперспирализована
Циркулярная ДНК
Не содержат гистонные белки
Гаплоидный набор хромосом
Бинарное деление
Наличие обособленных
фрагментов ДНК (плазмиды,
транспозоны, Is-элементы и др.)
Передача генетической
информации как по вертикали,
так и по горизонтали
ДНК ограничена ядерной
мембраной
ДНК не суперспирализована
Линейная ДНК
Содержат гистонные белки
Диплоидный набор хромосом
Делятся митозом
Отсутствие обособленных
фрагментов ДНК
Передача генетической
информации только по
вертикали

20. Внехромосомные факторы наследственности

плазмиды
мигрирующие элементы:
Is-последовательности
транспозоны(Tn)
конъюгативные
транспозоны (CTn)
интегроны (In)
генные острова
бактериофаги

21.

Плазмиды – автономные кольцевые молекулы
двунитевой ДНК с молекулярной массой меньше,
чем у нуклеоида (1,5-200 mD
или 103-106 п.о.), способные к саморепликации

22.

Особенности плазмид:
саморегулируемая репликация
явление поверхностного исключения
явление несовместимости
контроль числа копий плазмид на хромосому
клетки
контроль стабильного сохранения в клетке
контроль равномерного распределения между
дочерними клетками
способность к самопереносу у конъюгативных
плазмид
способность к мобилизации на перенос у
неконъюгативных плазмид
способность наделять клетку дополнительными
биологическими свойствами

23.

Функции плазмид:
регуляторная
кодирующая
Классификация плазмид:
1. По молекулярной массе:
крупные – > 100 тыс. п.о. (1-2 на клетку)
мелкие – < 2000 п.о. (до 30)

24.

Классификация плазмид:
2.
3.
4.
По способности передаваться от одной
клетки к другой:
конъюгативные (трансмиссивные)
неконъюгативные (мобилизуемые)
По совместимости в одной клетке:
совместимые
несовместимые (близкородственные)
По фенотипическому проявлению признака:
криптические (скрытые)
некриптические

25.

5.
По детерминированному признаку:
R-плазмиды – лекарственная устойчивость:
изменение проницаемости
поверхностных структур бактерий для АБ
синтез ферментов, разрушающих или
модифицирующих АБ
Плазмиды патогенности (Ent и Hly)

26.

Бактериоциногенные плазмиды (Col-плазмида)
Бактериоцины – антибиотические вещества
белковой природы, синтезируемые бактериями
и подавляющие рост и размножение
близкородственных микроорганизмов, не
лизируя последних
Бактерия-продуцент:
Бактериоцин:
• колицин
• стафилоцин
• пестицин
• пневмоцин
E. coli
St. aureus
Y. pestis
Kl. pneumoniae

27.

F-плазмиды (половой фактор) – контролируют
конъюгацию
Варианты F-плазмид:
Состояние F-плазмиды в
Обозначение
клетке:
бактериальной клетки:
в автономном
F+ – донор
в интегрированном в
Hfr – донор
хромосому
в автономном с фрагментами F'– донор
хромосомной ДНК
отсутствует в клетке
F– – реципиент
Плазмиды биодеградации

28.

Мигрирующие генетические
элементы – отдельные участки ДНК,
способные осуществлять собственный
перенос (транспозицию) внутри генома
(фермент – транспозаза)

29. Транспозоны (Tn-элементы) – нуклеотидные посдедовательности, включающие 2-20,5 тыс. п.о. Состав Tn: фрагмент ДНК и два концевых

Is-элемента
Особенности Tn:
не способны к самостоятельной репликации
несут гены, необходимые для транспозиции
содержат гены, привносящие важные для
бактерий характеристики
содержат гены, определяющие фенотипические
признаки

30.

Функции Tn:
перемещение с одного репликона (хромосома) на
другой (плазмиды, хромосома другой бактерии,
бактериофаг) и наоборот
вызывают
дупликации, делеции и инверсии
регуляторная
кодирующая

31. Конъюгативные транспозоны (CTn) – мобильные генетические элементы, встроенные в хромосому или плазмиды, способные к

транспозиции
по репликону или между репликонами одной/других
клеток за счет собственных систем
Состав СTn: фрагмент ДНК без Is-элементов
Особенности СTn:
сочетание свойств
транспозонов, плазмид и
умеренных фагов
Функции Tn:
регуляторная
кодирующая
конъюгация

32.

Is-элементы (от англ. insertion – вставка,
sequenc – последовательность) – вставочные
(инсерционные) последовательности,
величиной 800-1400 п.о.
Особенности Is-элементов:
самостоятельно не реплицируются
не кодируют фенотипических признаков
содержат гены, обеспечивающие их
перемещение из одного участка ДНК в другой

33.

Функции Is-элементов:
регуляция активности генов клетки
индукция мутаций (делеции или инверсии – при
перемещении и дупликации – при встраивании в
хромосому)
координация взаимодействий плазмид,
транспозонов и профагов между собой и
бактериальной хромосомой

34. Интегроны – мобильные участки ДНК, способные к встраиванию в репликоны при помощи интеграз

Функции интегронов:
регуляторная
кодирующая (АБ-резистентность)
Генные острова – крупные фрагменты ДНК,
включающие транспозоны, Is-элементы, интегроны
«Острова патогенности» – кодируют факторы
патогенности

35.

Бактериофаги (умеренные и дефектные) –
мигрирующие генетические элементы,
способные захватывать участки ДНК и
переносить от одной бактериальной клетки к
другой, вызывая ее лизогенизацию

36.

Генотип – совокупность всех генов
микробной клетки
Истинный генотип – совокупность генов,
сосредоточенных в бактериальной
хромосоме и отвечающих за проявление
жизненно важных признаков
Плазмотип – совокупность внехромосомных
генов, локализованных в плазмидах и
транспозонах и отвечающих за нежизненно
важные признаки, но придающие
преимущества перед другими особями
популяции

37.

Фенотип – совокупность внешних и
внутренних признаков микроорганизмов,
проявляющихся в данных условиях и
данный момент

38.

Ненаследственная (модификационная,
фенотипическая) изменчивость – временные
ненаследуемые изменения признаков или
свойств, не затрагивающие генотипа и
возникающие под действием факторов
окружающей среды
При устранении фактора – возвращение к
исходному фенотипу!!!
во время действия фактора
сохраняется после действия фактора:
кратковременная (лабильная)
длительная (стабильная)

39.

Диссоциации (от англ. dissociation –
расщепление) – своеобразная форма
модификационной изменчивости,
проявляющаяся в образовании разных типов
колоний на плотных питательных средах под
воздействии неблагоприятных факторов
S-колонии (от англ. smooth – гладкий,
ровный)
M-колонии (от лат. mucoid – слизистый)
D-колонии (от англ. dwarf –
карлик)
L-колонии (названы в честь
Листера)
R-колонии (от англ. rough –
неровный, шероховатый)