Генетика микроорганизмов

1. Генетика микроорганизмов

Микробиология
Генетика
микроорганизмов

2. Генетическая информация

• Хранение – ДНК, хромосомы, плазмиды,
репликация и репарация
• Реализация – транскрипция и трансляция
• Передача – трансформация, конъюгация,
трансдукция

3. Хранение генетической информации

Хранение
Хранение генетической информации
• ДНК – полимер, состоящий из дезоксирибонуклеотидов

4. Хранение генетической информации

Хранение
Хранение генетической информации
• Нуклеоид – область цитоплазмы с расположенной
в ней ДНК, а также набором белков для ее
функционирования (аппарат репликации и
транскрипции) и хранения (ДНК-связывающие
белки)
• Чаще всего у прокариот одна(?) кольцевая(?)
хромосома и, соответственно, одна группа
сцепления

5.

Хранение

6.

Хранение
• Mycoplasma genitalium – возбудитель
урогенитального миксоплазмоза.
Внутриклеточный паразит, лишенный клеточной
стенки, а значит практически неокрашиваемый
обычными способами.
• В силу своей паразитарности имеет очень
маленький геном – около 580 т.п.н. – меньше, чем
у некоторых вирусов

7.

Хранение

8.

Хранение
• Bradyrhizobium japonicum – вид клубеньковых
азотфиксаторов, симбионт сои. Имеет один из
самых крупных геномов среди бактерий – около
9-10 млн в зависимости от штамма

9.

Хранение

10. Упаковка эукариотической хромосомы

Хранение
Упаковка эукариотической хромосомы

11. Упаковка бактериальной хромосомы

Хранение
Упаковка бактериальной хромосомы
Суперспирализация – бактериальная хромосома состоит из 50–400
отрицательно суперспирализованных ДНК петель, средний размер
которых около 10 т.п.н.
ДНК петли являются топологически независимыми дискретными
хромосомными единицами

12. Упаковка бактериальной хромосомы

Хранение
Упаковка бактериальной хромосомы
• nucleoid-associated proteins (NAPs) – белки,
ассоциированные с нуклеоидом
• Отвечают за компартментацию молекулы ДНК

13. Упаковка бактериальной хромосомы

Хранение
Упаковка бактериальной хромосомы
• Степень и качество упаковки зависит от периода жизненного цикла:

14. Репликация ДНК

Хранение
Репликация ДНК

15.

16. Хранение генетической информации

Хранение
Хранение генетической информации
• Плазмида - относительно короткие (?) кольцевые
(?) молекулы ДНК, реплицирующиеся и функционирующие независимо от хромосомы (?)
• Размер – 2-600 т.п.н.
• Количество – 1-множество
• Плазмида может передаваться от клетки к клетке
в процессе конъюгации, либо поглощаться
непосредственно из внешней среды в процессе
трансформации

17. Функции плазмид

Хранение
Функции плазмид
• Если плазмида дает бактерии способность быть
донором при конъюгации, то это F-плазмида
(fertility)
• Если плазмида содержит гены устойчивости к
антибиотикам, то это R-плазмида (resistance)
• Плазмиды также могут нести гены вирулентности,
гены токсинов, гены антибиотиков, гены
метаболизма

18. Плазмида – идеальный инструмент М-Г исследований

Хранение
Плазмида – идеальный инструмент М-Г исследований
• В молекулярно-генетических исследованиях
плазмиды используют как вектор (=челнок) для
доставки генов в бактерии
• В состав плазмиды входит:
• ori
• Сайты рестрикции
• Ген устойчивости к антибиотику
• Промотор
• Целевой ген
• Маркерный ген

19.

20.

21. Маркерные гены - GFP

Хранение
Маркерные гены - GFP
• Маркерные гены позволяют
узнать результат вставки
плазмиды без каких-либо
вмешательств, так как GFP и
подобные белки флуоресцируют
в ультрафиолете

22. Рестриктазы

Хранение
Рестриктазы
• Ферменты, разлагающие полинуклеотиды
• Экзонуклеазы рестрикции и эндонуклеазы
рестрикции
• В молекулярно-генетических исследованиях
используются для разрезания ДНК в
определенных для каждой рестриктазы местах –
сайтах рестрикции

23.

24. ДНК-лигазы

Хранение
ДНК-лигазы
• Совместно с рестриктазами всегда идут ферменты
лигазы, ответственные за соединение двух
молекул ДНК, то есть действуют обратно
рестриктазам

25. ЗАЧЕМ?

Хранение
ЗАЧЕМ?

26. Транспозоны

Хранение
Транспозоны
• Важный фактор изменчивости бактериального
генома
• Транспозоны – МГЭ, способный перемещаться из
одного сайта в другой как в пределах одной
хромосомы, так и внехромосомно вплоть до
перемещения в другую клетку
• Перемещение транспозонов может приводить к
различным мутациям – делециям, дупликациям,
инверсиям и т.д.

27. Виды транспозонов

Хранение
Виды транспозонов
• Инсерционные последовательности (IS) –
содержат исключительно гены, предназначенные
для работы самого транспозона – транспозазы и
регуляторных элементов
• Сложные транспозоны содержат помимо этих
генов еще и, например, гены устойчивости к
антибиотикам

28. Особенности организации генетического материала прокариот

Хранение
Особенности организации генетического материала прокариот
• Отсутствие ядра
• Транскрипция и
трансляция
сопряжены во
времени и
пространстве

29. Особенности организации генетического материала прокариот

• Отсутствие
процессинга
• Полицистронные
мРНК
• Отсутствие интронов + гаплоидность = отсутствие
накопления «спрятанных» мутаций

30.

• https://youtu.be/plVk4NVIUh8

31. Эволюционный Эксперимент

• Эксперимент по изучению базовых
процессов эволюции, начатый в
1988 году и продолжающийся до
сих пор
• Организатор – Ричард Ленски

32. Методика эксперимента

• 12 популяций одного штамма Escherichia coli
выращивали на минимальной среде с глюкозой
• Каждый день 100 мкл популяции высевалось на
свежую питательную среду
• Каждое 500 поколение (75 дней) замораживалось
для дальнейших исследований
• К настоящему моменту анализируется более, чем
60000 поколений

33. Результаты эксперимента

• За первые 20000 поколений зафиксировались 45
мутаций
• На удивление большинство мутаций были
полезными, а не нейтральными как ожидалось

34. Результаты эксперимента

• После 26000 поколений произошла мутация в
гене, ответственном за репарацию
• Возросло количество мутаций
• Возросло количество зафиксированных мутаций
(609)
• Такая же мутация возникла и в других популяциях
и также зафиксировалась
• Из «новых» 609 мутаций большинство на сей раз
оказались нейтральными

35. Результаты эксперимента

Среда:
K2HPO4 · 3H2O
3,5 г
KH2PO4 · H2O
1,0 г
(NH4)2SO4
0,5 г
Na3C6H5O7
0,25 г
C6H12O6
12,5 мг
MgSO4
25 мг
C12H17N4OS
25 мг
H2O
500 мл
• Популяция А-3,
поколение 33127
• Помутнение среды
• Мутанты E. coli Cit+,
способные усваивать
цитрат натрия
• Не одиночная мутация

36. Реализация генетической информации

Реализация
Реализация генетической информации

37. Транскрипция

Реализация
Транскрипция
1. Одна РНК-полимераза (4
субъединицы)
2. Для ее работы требуется сигмасубъединица, основная функция
которой – узнавание и
связывание с промотором,
отсоединяется на этапе элонгации
3. Терминация транскрипции
может проходить с участиям рофактора, а может с образованием
шпильки РНК

38. Инициация транскрипции

Реализация
Инициация транскрипции
• -35 п.н. (бокс Гилберта) и -10
п.н. (бокс Смирнова) от точки
начала транскрипции –
промоторная область, с
которой связывается σ-фактор
• После присоединения 9ого
нуклеотида σ-фактор
необратимо диссоциирует

39. Элонгация транскрипции

Реализация
Элонгация транскрипции
• Семнадцатипарный транскрипционный комплекс при элонгации
содержит гибрид ДНК и РНК, содержащий 8 пар оснований — 8шаговый участок РНК, соединенный с шаблонной цепью ДНК.
• По мере выполнения транскрипции рибонуклеотиды
добавляются к 3'-концу собираемой РНК, и РНК-полимеразный
комплекс движется по цепи ДНК.

40. Терминация транскрипции

Реализация
Терминация транскрипции
• Терминация транскрипции у прокариот может
происходить с помощью фактора терминации
транскрипции – ρ(ро)-фактора
• Либо при образовании шпильки РНК, богатой G-C
парами

41.

42. Трансляция прокариот

Реализация
Трансляция прокариот
• Отсутствие процессинга мРНК: сплайсинга,
КЭПирования и полиаденилирования
• мРНК + рибосомы + аминоацил-тРНК (тРНК+АК) +
факторы трансляции + ATP
• Инициация + элонгация + терминация

43. Инициация трансляции

Реализация
Инициация трансляции

44.

45. Терминация трансляции

Реализация
Терминация трансляции
• Появление стоп-кодона в Aсайте
• Фактор терминации трансляции
(релизинг фактор) входит в Асайт
• Гидролиз между полипептидов
и последней аминоацил-тРНК

46. Трансляция прокариот

Реализация
Трансляция прокариот
• https://www.youtube.com/watch?v=KZBljAM6B1s

47. Передача генетической информации

• Бесполое размножение – бинарное деление /
почкование
• Половое размножение – трансформация,
конъюгация и трансдукция
Важно понимать разницу между половым
размножением эукариот и «половым размножением»
прокариот.
У последних НЕ образуются гаметы, нет их слияния и
образования зиготы. Единственное что есть – обмен
ДНК в каком-либо процессе

48. Трансформация

• Однонаправленный процесс поглощения ДНК из
внешней среды клеткой
• Осуществляется только «компетентными» клетками
• Компетентность – свойство клеток поздней лаг-фазы.
Осуществляется компетентность выработкой клеткой
факторов компетентности самостоятельно либо
вызывается искусственно

49.

50. Трансформация плазмидой

51.

52. Конъюгация

• Процесс передачи ДНК от одной клетки к другой
при непосредственном контакте двух клеток
• Процесс однонаправленный – от донора к
реципиенту
• Передача ДНК осуществляется с помощью
половых пилей
• Необходима F-плазмида

53.

54. Трансдукция

• Перенос ДНК посредством вирусов-бактериофагов
• Процесс также однонаправленный
• Может быть литической – после которой клетка
умирает, а может быть лизогенной, когда ДНК вируса
встраивается в хромосому бактерии
• Лизогенная трансдукция может быть специфической
(ДНК фага встраивается в конкретно место на
хромосоме) и неспецифическая (в случайное место
на хромосоме)

55.

56.

57. Передача генетической информации

58. CRISPR-Cas9

• clustered regularly interspaced short palindromic repeats
• Система адаптивного иммунитета бактерий и архей

59.

60. Регуляция экспрессии генов прокариот

• Housekeeping gene
• Индуцибельные гены
• Гены домашнего хозяйства • Гены «роскоши»
• Конститутивные гены
• Экспрессируются вне
• Экспрессируются в ответ
зависимости от условий
на изменения внешней
существования
среды
• Репликация, цитоскелет,
• БТШ, комплексы
транскрипция, трансляция,
ферментов, защита от
первичный метаболизм…
антибиотиков…

61. Регуляция работы оперонов

• Ф.Жакоб и Ж.Моно в 1961 сформировали теорию
регуляции работы прокариотических генов на примере
лактозного оперона у E. coli
• Лактозный оперон – индуцибельный оперон, состоит из
трех структурных генов:
lacZ - β-галактозидаза – фермент, расщепляющий лактозу
на глюкозу и галактозу
lacY - β-галактозидпермеаза – мембранный белок,
переносящий лактозу
lacA - β-галактозидтрансацетилаза – функция фермента в
рамках работы лактозного оперона не ясна

62. Лактозный оперон

CAP
НКО
П
lacI
Транскрипция
цАМФ
НКО
П
О
lacZ
lacY lacA
Трансляция
РНК lacI
Репрессор
Лактоза
НКО

63. Лактозный оперон: есть глюкоза, нет лактозы

НКО
П
lacI
НКО
П
О
lacZ
lacY lacA
Транскрипция
Репрессор
РНК lacI
Трансляция
НКО

64. Лактозный оперон: есть глюкоза, есть лактоза

НКО
П
Транскрипция
lacI
НКО
Трансляция
П
О
lacZ
lacY lacA
Репрессор
РНК lacI
Трансляция
Репрессор
Лактоза
НКО

65. Лактозный оперон: нет глюкозы, нет лактозы

CAP
НКО
П
Транскрипция
lacI
цАМФ
НКО
П
О
lacZ
lacY lacA
Трансляция
РНК lacI
Репрессор
НКО

66. Лактозный оперон: нет глюкозы, есть лактоза

CAP
НКО
П
lacI
цАМФ
НКО
П
О
РНК-полимераза
lacZ
lacY lacA
НКО
Транскрипция
Полицистронная РНК
РНК lacI
Трансляция
Репрессор
Лактоза
Белки
lacZ
lacY
lacA

67. Систематика бактерий и архей

Микробиология
Систематика
бактерий и архей

68. Сложности систематики бактерий

• Малые размеры
• Малое количество видимых признаков для
систематики
• Необходимость исследовать биохимию,
физиологию и генетику для описания и
систематизации вида
• НЕКУЛЬТИВИРУЕМОСТЬ большинства бактерий
• Размытость понятия «вид» для бактерий

69.

• Вид
• Штамм – культура МО, выделенная
единовременно из одного источника
• Клон – совокупность потомков одной клетки

70. Варианты систематики - Система бактерий Берджи

Грамотрицательные эубактерии, имеющие
клеточные стенки (16 групп)
Грамположительные эубактерии, имеющие
клеточные стенки (13 групп)
Эубактерии, лишенные клеточных стенок
(микоплазмы)
Архебактерии (5 групп)

71. Филогенетическая систематика

72. Филогенетическая систематика

• Археи – 3 филы и фантомная фила (Crenarchaeota,
Euryarchaeota, Nanoarchaeota)
• Бактерии – 23 филы и фантомные филы бактерий