Генетика бактерий. Лекция 4

1. Генетика бактерий

2.

Генетический материал бактерий
• Наследственный материал бактерий – ДНК, подобно всем
другим клеточным организмам.
• В основе наследственности прокариот общие понятия о
мутации, репликации, рекомбинации генов. Многие
закономерности современной генетики были открыты на
моделях – прокариотах. Самый распространенный объект
исследования Escherichia coli.

3. Поток наслед-ствен-ной инфор-мации

Поток
наследственной
информации

4. Поток наследственной информации

• Основная догма молекулярной биологии. «Один ген –
один фермент» существенно дополнена в наши дни.
РНК-продукты экспресии генов могут регулировать
процессы клетки.
• Генетическая
информация
передается
от
родительских
клеток
дочерним
(вертикально).
Реализация информации происходит с помощью
механизмов транскрипции и трансляции.
• Роль ДНК была доказана в опытах О. Эвери, К.
Маклеода и М. Маккарти в 1944 (трансформация
стрептококка). И в эксперименте А. Херши и М. Чейза в
1952 (трансдукция E.сoli фагом).

5. Строение бактериальной хромосомы

• ДНК прокариот – компактное
образование в цитоплазме клетки.
• Генетический аппарат получил
название нуклеоид. Занимает как
правило центральную часть клетки
и заполнен нитями ДНК.
• Нуклеоид
по
морфологии
напоминает соцветие цветной
капусты и занимает примерно 30%
объема цитоплазмы.
• Его составляет одна
кольцевая молекула ДНК –
бактериальная
хромосома.

6. Строение бактериальной хромосомы

• Бактериальная хромосома представляет собой кольцевую
двуспиральную правозакрученную молекулу ДНК, которая
свернута во вторичную спираль.
• Длина бактериальной хромосомы составляет примерно 4,7
млн. нуклеотидных пар (п.н.), или ~ 1,6 мм.
• В растущей культуре количество бактериальных хромосом
может достигать 4-8 на клетку.
• Вторичная структура хромосомы поддерживается с
помощью гистоноподобных (основных) белков и РНК.
• Точка прикрепления бактериальной хромосомы к мезосоме
(складке плазмалеммы) является точкой начала репликации
ДНК (эта точка носит название OriC).

7. Строение бактериальной хромосомы

• ДНК
–
полинуклеотидная
дезоксинуклеотидов.
цепь,
• Правило Чаргаффа, соотношение
специфичным для данного организма.
состоящая
AT/GC
из
является
• Антипараллельные цепи и двойная спираль.
• ДНК может иметь различные конформации (B, A, Z) –
топоизомеры, переход катализируется топоизомеразами.
• Механизмы синтеза ДНК универсальны для всего живого
(полуконсервативность).

8.

Организация генома прокариот (на примере
E. coli)
• Бактериальная хромосома удваивается перед делением
клетки, и сестринские копии распределяются по дочерним
клеткам с помощью мезосомы.
• Репликация ДНК идет в две стороны от точки OriC и
завершается в точке TerC. Молекулы ДНК, способные себя
воспроизводить путем репликации, называются репликоны.
• Бактериальные хромосомы содержат 2000 – 4000 генов.
Обычно это гены «домашнего хозяйства», то есть необходимые
для поддержания жизнедеятельности клетки.
• Все множество известных генов делится на 10 групп,
контролирующих следующие процессы (в скобках указано
количество изученных генов):

9. Гены бактерий на примере E. coli

1. Транспорт различных соединений и ионов в клетку (92).
2. Реакции, поставляющие энергию, включая катаболизм
различных природных соединений (138).
3. Реакции синтеза аминокислот, нуклеотидов, витаминов,
компонентов цепей переноса электронов, жирных кислот,
фосфолипидов и некоторых других соединений (221).
4. Генерация АТФ при переносе электронов (15).
5. Катаболизм макромолекул (22).

10. Гены бактерий на примере E. coli

6. Аппарат белкового синтеза (164).
7. Синтез нуклеиновых кислот, включая гены,
контролирующие рекомбинацию и репарацию (49).
8. Синтез клеточной оболочки (42).
9. Хемотаксис и подвижность (39).
10. Прочие гены, в том числе с неизвестной функцией (110).
Первая секвенированная бактериальная
хромосома Haemophilus influenzae
(1995). Общей длиной 1 830 137 пар
оснований, она содержит 1 743 гена.

11. Хромосома бактерий

• Хромосома бактерий = крупный репликон.
• Точка начала и терминации репликации.
• ДНК прокариот локализована в нуклеоид.
• Бактериальная ДНК не организована в нуклеосомы, но
покрыта гистоноподобными белками, структурирующими
нуклеоид.
• Область нуклеоида почти не содержит рибосом.

12. Организация генетического материала

• Цистрон = структурный ген (функциональная единица
наследственного материала).
• Ген= Цистрон+регуляторные последовательности.
• Некоторые гены кодируют РНК-продукты (рРНК, тРНК,
регуляторные РНК).
• У бактерий несколько цистронов транскрибируются в общую
полицистронную иРНК.
• Полицистронная иРНК – оперон.
• Полярные эффект – влияние экспрессии или мутации
цистрона на расположенные ниже цистроны в общей молекуле
иРНК.

13. Генетический код – триплетный, универсальный, вырожденный

14. Организация генетического материала

• Кольцевая бактериальная
хромосома содержит набор
генов.
• Как
правило
в
бактериальных и вирусных
геномах
гены
не
прерываются (нет структур
подобных интронам в генах
Эукариот).
• иРНК у прокариот не
подвергается сплайсингу.

15. Организация генетического материала

• У некоторых фагов (на
рисунке)
и
некоторых
бактерий
обнаружено
перекрывание генетической
информации.

16. Репликация ДНК прокариот

• Бактериальные
хромосомы в отличие от
эукариотических
имеют
только одну точку начала
репликации.
• Репликация
ДНК
происходит одновременно и
сразу в двух направлениях
кольца хромосомы, создавая
две репликационные вилки.

17. Репликация ДНК прокариот

18. Репликация ДНК прокариот

• Раскручивание спирали ДНК в обоих направлениях
должно вызвать скручивание хромосомы в направлении
спирали и сделать хромосому такой плотной, что репликация
должна бы закончиться, если бы не действие фермента ДНКгиразы.
• Это представитель группы ферментов, называемых
топоизомеразами, которые могут изменять форму молекул
ДНК.
ДНК-гираза
предотвращает
положительное
суперскручивание, скручивая ДНК в противоположном
направлении.

19.

В репликационных вилках ДНК расплетаются
ферментом, называемым геликазой. Как только
отдельные
нити
расплетутся,
белки,
связывающиеся с однонитевыми ДНК (ССБбелки),
не
дают
расплетенным
нитям
соединяться друг с другом вновь.

20. Репликация ДНК прокариот

21.

Фермент праймаза использует участок на каждой нити
расплетенной ДНК как матрицу для синтеза коротких нитей
РНК, называемых праймерами, которые, в свою очередь,
требуются для начала дупликации ДНК ферментом ДНКполимеразой. Примерно в середине процесса репликации
хромосома похожа на греческую букву тета θ, поэтому процесс
называется тета-репликацией.

22. Репликация ДНК прокариот

23.

служит для
полной или частичной реликации
ДНК. Бактерии передают фрагмент
ДНК в процессе конъюгации или при
заражении бактерии вирусом.
• При сигма-репликации разрезается
одна из нитей двойной спирали ДНК, а
геликаза и ССБ-белки стабилизируют
репликационную вилку в этом месте.
Во время репликации ведущей нити
матрица отстающей нити смещается и
реплицируется в виде коротких
фрагментов Оказаки.
• Репликация происходит так же, как
репликация линейной ДНК у эукариот.
В результате образуется кольцо с
линейным хвостом.
Сигма-репликация

24. Репликация ДНК прокариот

25.

Синтез
каждого
сегмента
Оказаки
последовательно через следующие стадии:
происходит
1. Раскручивание нитей ДНК.
2. Расплетение (разделение нитей).
3. Стабилизация однонитевых участков.
4.
Формирование
праймосомы.
Праймосома
—
мультиферментный комплекс, в который входят фермент ДНКпраймаза и ряд других белков.
5. Синтез с участием ДНК-праймазы (англ. prime —
подготавливать) затравочной РНК. Затравочная РНК
необходима для синтеза каждого сегмента Оказаки потому, что
сама ДНК-полимераза не способна инициировать синтез ДНК,
для этого ей нужна специальная затравка, роль которой и
выполняют короткие, длиной не более 10 нуклеотидов,
фрагменты РНК, комплементарные ДНК-матрице.

26.

Синтез фрагментов Оказаки
6. Синтез сегмента Оказаки.
7. Вырезание
затравочной
РНК
и
замещение
ее
дезоксирибонуклеотидами, комплементарными основаниям
ДНК-матрицы.
8. Сшивание сегмента Оказаки с предсуществующей нитью
ДНК с помощью лигазы.
9. Суперспирализация вновь синтезированных участков
нитей ДНК.
10. Ревизия ДНК-полимеразой вновь синтезированного
фрагмента ДНК — нет ли ошибочного включения
нуклеотидов.
Если произошла ошибка, то ошибочно включенный
нуклеотид с частью этой нити вырезается и образовавшаяся
брешь заполняется правильными нуклеотидами.

27. Репликация ДНК прокариот

• Скорость репликации ДНК у Е. coli при температуре 37
градусов соответствует включению 2000 пар нуклеотидов в 1 с.
• При благоприятных для роста бактерий условиях, когда еще
не закончился один цикл репликации, могут возникать
вторичные и третичные репликативные вилки, благодаря чему в
клетке и происходит увеличение массы ДНК и числа копий
хромосом.
• В осуществлении процессов репликации ДНК участвует
целый комплекс ферментов, образующих единую структуру —
реплисому.

28. Репликация ДНК прокариот

• Генетический контроль репликации ДНК осуществляется
большим количеством генов (у Е. coli не менее 25),
локализованных в самой ДНК: это процесс саморегулируемый.
• Комплекс генов обеспечивает строгую временную и
пространственную
координацию
функционирования
ферментов, участвующих в репликации.
• Репликон – автономная репликационная единица,
содержащая точку начала репликации.

29. Механизм роста цепи ДНК

• Присоединение к растущей
цепи нуклеотидтрифосфата.
• Рост происходит от 5’ конце
цепи к 3’. 2 фосфорных
остатка отщепляются при
присоединении к цепи каждого
нового нуклеотида.

30. Механизм роста цепи ДНК

31. Механизм роста цепи ДНК

32. Механизм роста цепи ДНК

33. Механизм роста цепи ДНК

34. Репликация ДНК прокариот.

Механизм распределения бактериальных хромосом:
А - бактериальная клетка содержит частично реплицированную хромосому,
прикрепленную к мембране в точке (или точках) репликации;
Б - репликация хромосомы завершена. В бактериальной клетке две дочерние
хромосомы, каждая из которых прикреплена к ЦПМ.
Показан синтез клеточной стенки и ЦПМ;
В - продолжающийся синтез мембраны и клеточной стенки приводит к
разделению дочерних хромосом. Показано начало деления клетки путем
образования поперечной перегородки;
1 - ДНК; 2 - прикрепление хромосомы к ЦПМ; 3 - ЦПМ; 4 - клеточная стенка; 5
- синтезированный участок ЦПМ; 6 - новый материал клеточной стенки.

35. Транскрипция у прокариот

• Транскрипция – процесс синтеза иРНК на матрице
ДНК.
• Транскрипционная
несколько цистронов.
единица
может
включать
• Иницииация
на
участке
промотора.
Сигмасубъединица РНК-полимеразы распознает промотор.
• После синтеза 12 нуклеотидов, сигма-фактор покидает
РНК-полимеразу, начинается элонгация.
• Стоп-сигналы: петли и шпильки
терминирующие транскрипцию.
РНК,
белки

36. Транскрипция у эукариот

• Кодирующая цепь ДНК– аналогична иРНК. Матричная –
служит для синтеза иРНК (комплиментарна).
• Начало синтеза на 3’ конце матричной цепи, синтез иРНК
происходит от 5’ к 3’.
• Промотор распознает РНК полимеразу.

37. Транскрипция у прокариот

• Лидерная последовательность транскрибируется но не
транслируется.
Содержит
регион
Шайн-Дельгарно,
необходимый для инициации трансляции, иногда участвует в
регуляции транскрипции и трансляции.
• Обычно началом служит кодон AUG (формилметионин
у бактерий).
• Терминатор – отсоединение РНК-полимеразы.

38. Трансляция полицистронной иРНК

39.

40. Структура РНК-полимеразы

41. Генетический код

42. Трансляция у прокариот

• Полипептид синтезируется путем добавления аминокислот к
С-концу пептидной цепочки.
• У E.coli скорость синтеза 900 аминокислот в минуту, у
эукариот около 100 АК в минуту.
• 30 S и 50 S субъединицы находятся в цитоплазме, их сборка
часто инициируется иРНК, которая может формировать
полисому.
• Максимальная загрузка иРНК – рибосома каждые 80
нуклеотидов (до 20 рибосом в полисоме).
• Транскрипция и трансляция у Эубактерий и Архебактерий
происходят совместно, когда синтезируется иРНК, рибосомы
уже готовы к прикреплению и началу транскрипции.

43. Трансляция у прокариот

• Трансляция – процесс перевода последовательности
нуклеотидов в последовательность аминокислот.
• мРНК – матрица для считывания триплетов.
• Связывание рибосомы происходит на RBS участке (ШайнаДельгарно). Инициирующий кодон кодирует формилметионин.
• Многие
антибиотики
подавляют
синтез
белков.
Тетрациклины блокируют А-сайт рибосомы, Хлорамфеникол,
подавляет пептидилтрансферазную активность, стрептомицин
нарушает узнавание кодонов.

44. Трансляция у прокариот

45. Транспортная РНК

46. Строение бактериальной рибосомы

47. Строение 70 S рибосомы

• 50 S
и 30 S
субъединицы
в
разных
проекциях.

48. Трансляция у прокариот

49.

• Инициирование
трансляции требует наличия
3 белковых регуляторов.
• IF-3
обеспечивает
связывание иРНК с 30 S
субъединицей.
• IF-2 связывает ГТФ,
формилметионин-тРНК, и
обеспечивает прикрепление
фм-тРНК к Р-сайту 30S.
• IF-1
отвечает
связывание
30
и
субъединиц.
за
50

50.

• Терминация трансляции
чаще осуществляется UAA
кодоном.

51. Транспептидазная реакция