Генетика микроорганизмов. Ген и его функции. Организация генетического материала у бактерий

1. Рудаков Николай Викторович д.м.н., профессор

Генетика микроорганизмов
Ген и его функции.
Организация генетического
материала у бактерий.
Внехромосомное ДНК.
Понятие о генотипе и фенотипе.
Модификационная и генотипическая
изменчивость. Мутации,
генетические рекомбинации.
Генетика вирусов.
1

2. Значение микроорганизмов в мол. биологии

• Бактерии - оптимальная модель для
генетических исследований:
• - простота генома, гаплоидность (исключает
доминантность);
• - наличие интегрированных в геном и
обособленных фрагментов ДНК;
• - легкость культивирования, быстрота
накопления биомасс.
• Особенности передачи генетической
информации у бактерий:
• - вертикальная передача в результате
репликации ДНК и деления бактериальной
клетки;
- - горизонтальная передача в результате
генетических рекомбинаций.
2

3.

Ген – структурная единица ДНК, расположение кодонов в
которой определяет первичную структуру
полипептидной цепи (белка).
Три фундаментальных функции гена:
- непрерывность наследственности - благодаря
механизму репликации ДНК.
- управление структурами и функциями организма - с
помощью генетического кода из четырех оснований: А
(аденин), Т (тимин), Г (гуанин), Ц (цитозин). Код
триплетный (кодон – функциональная единица,
кодирующая аминокислоту, состоит из трех оснований
– «букв»).
- эволюция организмов - благодаря мутациям и
генетическим рекомбинациям.
Этапы усложнения генетической системы:
кодон ген оперон геном вирусов и плазмид
хромосома прокариот (нуклеоид) хромосома
3
эукариот (ядро).

4.

4

5. Генетический аппарат бактерий

• Генетический материал бактерий представлен
ДНК, которая входит в состав ядерной структуры –
нуклеоида (хромосомная ДНК) и
внехромосомными генетическими элементами
(плазмиды; мобильные генетические элементы:
транспозоны, вставочные или IS-элементы,
острова патогенности).
• У бактерий одна замкнутая кольцевидной формы
хромосома, может содержать до нескольких тысяч
генов. Вегетативная репликация хромосомной и
плазмидной ДНК обуславливает передачу
информации по вертикали – от родительской к
5
дочерней клетки.

6. Плазмиды

• Плазмиды – более просто устроенные по
сравнению с вирусами организмы,
наделяющие бактерии дополнительными
полезными свойствами. По молекулярной
массе значительно меньше хромосомной
ДНК, содержат 40 - 50 генов.
• Их объединение в одно царство с вирусами
связано с наличием ряда общих свойств –
отсутствием собственных систем
мобилизации энергии и синтеза белка,
саморепликацией генома, абсолютным
6
внутриклеточным паразитизмом.

7. Их выделение в отдельный класс определяется существенными отличиями от вирусов

1.Их среда обитания – только бактерии.
2. Плазмиды сосуществуют с бактериями,
наделяя их дополнительными полезными
свойствами.
3.Геном представлен двунитевым ДНК. Плазмиды
– голые геномы, не имеют никакой оболочки. Их
репликация не требует синтеза структурных
белков и процессов самосборки.
7

8. Плазмиды могут быть в виде отдельной структуры – автономные плазмиды (эписомы) или встраиваться в хромосому бактерии

(интегративные плазмиды)
• Могут распространяться по вертикали (при
клеточном делении) и по горизонтали – путем
конъюгационного переноса.
• Функциональная классификация плазмид основана
на свойствах, которыми они наделяют бактерии.
8

9. Основные категории плазмид

• F- плазмиды – донорские функции, индуцируют деление (от
fertility – плодовитость).
• R – плазмиды (resistance) – устойчивость к лекарственным
препаратам.
• Tox- плазмиды – токсинообразование: Ent- плазмиды –
синтез энтеротоксинов, Hly – плазмиды – синтез
гемолизинов.
Биологическая роль плазмид – контроль генетического
обмена бактерий, синтеза факторов патогенности,
совершенствование защиты бактерий.
Бактерии для плазмид - среда обитания, плазмиды для
бактерий – дополнительные геномы с генами,
благоприятствующими сохранению бактерий как видов.
9

10. Мигрирующие генетические элементы – фрагменты ДНК, способные осуществлять перенос между хромосомами или хромосомами и

плазмидами с
помощью фермента рекомбинаций траспозазы.
Простейший их тип - ls (инсерционные)
последовательности представляют «вставки
последовательностей оснований». Это фрагменты
ДНК длиной более1000 нуклеотидов. В них
содержится информация, необходимая для
перемещения в различные участки ДНК.
Функции Is-последовательностей: 1. Координация
взаимодействия транспозонов, плазмид и
умеренных фагов между собой и с хромосомой
бактериальной клетки.
2. Включение и выключение генов (регуляторная
функция).
10

11.

11

12.

Транспозоны включают до 25 тысяч пар
оснований. Содержат фрагмент ДНК, несущий
специф. гены (синтеза бак. токсинов,
ферментов, множественная лекарственная
устойчивость) и два IS- элемента по краям.
Способны к перемещению с одного репликона
(хромосомная ДНК) на другой (плазмида) и
наоборот, распространяться среди различных
видов бактерий.
12

13. Острова патогенности бактерий -

Острова патогенности бактерий фрагменты ДНК, содержащие конкретные гены факторов
патогенности. Обнаруживаются только у патогенных видов
бактерий. Отличаются по Г+Ц% от основного (core) генома.
Ограничены малыми прямыми нуклеотидными повторами
(DR), способны распространяться внутри вида и среди
близкородственных видов путем конъюгации, трансдукции
или трансформации. Входят в состав бактериофагов,
транспозонов и плазмид, способны перемещаться между
ними и хромосомой. Их мобильность связана с наличием
генов профаговых интеграз, транспозаз и локализацией
вблизи генов (3’ локусов), кодирующих специфические тРНК.
Основные функции - патогенность, метаболизм,
лекарственная устойчивость, секреторные функции и др.
13

14. Понятие о генотипе и фенотипе. Генотипическая и фенотипическая изменчивость

Генотип –совокупность имеющихся у организма
генов
Фенотип – совокупность реализованных (внешних)
генетически детерминированных признаков, т.е.
индивидуальное (в определенных условиях)
проявление генотипа.
Виды изменчивости у бактерий – фенотипическая
(модификации) и генотипическая (мутации,
14
рекомбинации).

15. Фенотипическая изменчивость

Модификации – временные, адаптивные,
наследственно не закрепленные изменения:
- морфологические
- биохимические
Диссоциации - стандартные проявления
модификации в разделении однородной
популяции на два или более типа.
Sколонии (гладкие) R-колонии
(шероховатые) - признак неблагоприятных
условий (S R диссоциация).

16.

Генотипическая изменчивость бактерий:
мутации и генетические рекомбинации
Мутации - скачкообразные изменения ,
наследственно закрепленные изменения
первичной структуры, ошибки
копирования :
Генные - один ген (вставка, делеция,
модификация оснований)
Хромосомные - новые признаки, более двух
генов
А. Спонтанные - дикие ; Б. Индуцированные:
-химические мутагены повышают частоту
до 1клетка/103
-физические мутагены – радиация, УФ-,
рентгеновское излучения
16

17. Генетические рекомбинации

• Передача генетической информации по
горизонтали (генетические рекомбинации)
осуществляется в результате конъюгации,
трансдукции, трансформации и др.
механизмами.
17

18.

Конъюгация - перенос генетического
материала от клетки-донора клеткереципиенту при непосредственном контакте с
помощью F-пилей. Контролируется
конъюгативными F-плазмидами с traопероном (transfer - перенос). Hfr (высокой
частоты рекомбинаций)-клетки – имеют
интегрированную в хромосому
F-плазмиду,
обеспечивают высокую частоту
рекомбинаций.
18

19.

Транформация –
захват и поглощение
фрагментов чужой ДНК
и образование на этой
основе рекомбинанта.
Бактерия-реципиент
захватывает из
внешней среды
фрагмент чужеродной
ДНК в фазу
физиологической
компетентности (log),
когда аутолитические
ферменты растворяют
клеточную стенку на
участке её синтеза
(чаще у Грам+)
19

20.

Трансдукция –
перенос
генетического
материала от
клетки-донора
клетке-реципиенту
бактериофагом.
Неспецифическая
– перенос
случайного
фрагмента ДНК.
Специфическая –
перенос строго
определенного
фрагмента ДНК
умеренным фагом.
20

21. Генетика вирусов Вирусы ДНК – геномные и РНК – геномные (позитивные РНК с матричной активностью и негативные, которые должны

транскрибироваться в матричные плюс РНК)
21

22. Схемы репродукции вирусов

• 1.Вирионная (матричная)+РНК
комплементарная –РНК (в рибосомах)
вирионная+РНК.
• 2.Вирионная негативная (-) РНК
информационная (матричная)+РНК вирионная
-РНК (на геноме клетки хозяина).
• 3.Однонитевая ДНК -ДНК +ДНК.
• 4.Ретровирусная РНК ДНК копия (провирус)
РНК.
• 5.Двунитевая ДНК разделение нитей
формирование на каждой комплементарной нити
22
ДНК.