Генетика бактерий. Экспрессия генетической информации у бактерий

1. Генетика бактерий. Экспрессия генетической информации у бактерий

Доцент кафедры микробиологии и
вирусологии СибГМУ О.С Жданова

2. Геном бактерий

Геном – совокупность всех генов
бактерий;
Бактерии – гаплоидные организмы,
имеют один набор генов;
Размер
определяется
количеством
нуклеотидных пар оснований (н.п.о.);
Размер генома E.coli - 3,8•106 н.п.о.

3. Организация генетического аппарата бактерий

Нуклеоид - одна двунитевая молекула ДНК
кольцевой формы;
Содержание ДНК непостоянно, может
соответствовать 2,4,6,8 хромосомам;
Внехромосомные генетические элементы
– плазмиды, транспозоны, вставочные
последовательности,
умеренные
бактериофаги.

4. Нуклеоид

содержит информацию необходимую для обеспечения
основных процессов жизнедеятельности - кодирует синтез
ферментов, участвующих в пластическом и энергетическом
метаболизме.

5. Организация нуклеоида

кольцевая молекула
ДНК;
длина
1,6
мм,
диаметр 1 мкм;
суперскрученное
состояние
обеспечивается
топоизомеразой;
петли
образуют
домены,
удерживаются
РНК
(тРНК, иРНК);

6. Общая характеристика генома бактерий

структурные гены – кодирующие области – 85%
последовательностей ДНК бактерий;
регуляторные области;
некодирующие последовательности – 10%
генома – мигрирующие элементы, сайты
рекомбинации, регуляторы транскрипции.

7. Оперонная организация бактериальных генов

Франсуа Жакоб
Оперон – группа структурных
генов
(кодируют
признаки),
находящихся
под
общим
контролем;
В
состав
оперона
входит
промотор и оператор;
Промотор – участок ДНК, с
которым
связывается
РНКполимераза;
Оператор – участок ДНК, с
которым
связывается
регуляторный белок;
Терминатор транскрипции.
Жак Люсьен Моно

8. Внехромосомные генетические элементы - плазмиды, транспозоны, вставочные последовательности

Различаются по молекулярной массе, объему
закодированной информации, способности к
самостоятельной репликации;
Выполняют кодирующие и (или) регуляторные
функции;
Кодируют
дополнительную
генетическую
информацию, обеспечивающую бактериальным
клеткам селективные преимущества.

9. Плазмиды

автономно реплицирующиеся двухцепочечные молекулы ДНК

10. Классификация плазмид по свойствам

F – плазмиды;
R – плазмиды;
Col – плазмиды;
Ent – плазмиды;
Hly – плазмиды;
Биодеградативные плазмиды;

11. Классификация плазмид по способу межклеточной передачи

Конъюгативные
(трансмиссивные)
–
осуществляют собственный перенос путем
конъюгации. Содержат tra-опероны – гены
ответственные за перенос;
Неконъюгативные
(мобилизуемые)
–
передаются
путем
трансдукции,
трансформации
или
с
помощью
конъюгативных плзмид.

12. Классификация плазмид по совместимости

Несовместимость
–
родственные
плазмиды,
обладающие
высоким
сходством
репликонов
неспособны существовать в одной клетке;
Несовместимые друг с другом, но совместимые с
другими собраны в inc-группы (англ. Incompatibility несовместимые);
Плазмиды одной inc-группы обладают общими
признаками: молекулярная масса, высокая степень
гомологии, синтез морфологически сходных и
серологически родственных донорных ворсинок.

13. Значение плазмид

обусловливают
гетерогенность
микробных
популяций;
контролируют обмен генетическим материалом;
контролируют синтез факторов (в том числе
патогенности), обеспечивающих сохранение
видов бактерий в природе;
биологическое средство самозащиты бактерий
(приобретение и наследование устойчивости к
лекарственным препаратам).

14. Транспозоны (Tn)- мобильные генетические элементы

прямые повторы
Фрагменты ДНК, состоящие из генов, кодирующих
транспозицию (перемещение) и признаки;
Способны мигрировать по хромосоме, из хромосомы в
плазмиды, ДНК умеренных фагов;
Реплицируются только в составе хромосомы;
Выполняют регуляторную и кодирующую функции.

15. Вставочные последовательности (IS-элементы)

Вставочные последовательности (ISэлементы)
транспозаза
ИНВЕРТИРОВАННЫЕ ПОВТОРЫ
Фрагменты ДНК, несущие только гены, кодирующие
собственное перемещение (транспозицию) - фермент
транспозазу и репрессор;
Гены по флангам окружены инвертированными повторами;
Способны перемещаться только по хромосоме.

16. Функции IS-элементов

Координируют взаимодействие
мобильных генетических элементов
между собой и бактериальной
хромосомой;
Регулируют экспрессию структурных
генов;
Индуцируют мутации.

17. «Островки» патогенности –фрагменты ДНК, кодирующие факторы болезнетворности

«Островки» патогенности –
фрагменты ДНК, кодирующие
факторы болезнетворности
Обнаружены в геноме болезнетворных бактерий;
Располагаются
отдельными
кластерами
в
хромосомах, плазмидах и умеренных фагах;
Связаны
между
собой
топографически
и
функционально;
Отличаются высокой степенью чужеродности по
процентному содержанию нуклеотидов гуанина и
цитозина (G+C);
Отличаются нестабильностью.

18. Структура «островков» патогенности

Содержат
мобильные
элементы
(IS),
гены
подвижности
(интегразу,
транспозазу),
гены
вирулентности (V1-V4);
По обоим концам имеются прямые повторы (DR)
(распознаются ферментами и вырезаются);
Располагаются вблизи генов тРНК.

19. Передача генетической информации у бактерий

по вертикали (по
наследству)
–
обеспечивает
передачу всех генов
исходной особи и
стабильность генома;

20. Передача генетической информации у бактерий

по горизонтали – способствует возникновению
новых признаков – изменчивости;
основной механизм видообразования у бактерий
(реализуется посредством процессов конъюгации,
трансдукции, трансформации).

21. Конъюгация - перенос генетического материала посредством конъюгативных пилей

определяется наличием Fплазмиды
(содержит
traоперон);
tra-оперон
кодирует
гены
переноса,
синтез
половых
пилей, ферментов хеликазы и
эндонуклеазы;
хеликаза осуществляет разрывы водородных
связей в двухцепочечной ДНК;
эндонуклеаза узнает участок oriT и осуществляет
однонитевой разрыв ДНК, начинается репликация;
F-плазмида
может быть трансмиссивной и
интегративной.

22. Трансмиссивная F-плазмида

передача плазмиды
осуществляется в
течении нескольких
минут, в результате
реципиент приобретает
донорские свойства
находится в клетке в
автономном
состоянии;
при участии хеликазы
и
эндонуклеазы
образуется
однонитевая ДНК;
нить ДНК переносится
в реципиентную клетку
по
принципу
катящегося кольца;
в обеих клетках по
матрице одной нити
ДНК комплементарно
восстанавливается
двунитевая структура.

23. Интегративная F-плазмида

процесс длится около
90 мин, рекомбинант
донорские свойства,
как
правило,
не
приобретает
F-плазмида
и
хромосома
бактериальной
клетки
вместе
образуют единый трансмиссивный
репликон;
клетки со встроенной F-плазмидой
называют Hfr-доноры
(англ. high
frequency of recombination), т.к. они с
высокой частотой переносят свои
гены бесплазмидным клеткам;
ДНК
расщепляется
в
месте
интеграции F-плазмиды, одна нить
передается реципиенту;
сначала
передается
часть
плазмидной ДНК от oriT, затем
хромосомная ДНК;
хрупкость конъюгативного мостика
приводит к спонтанным разрывам,
переносится
только
фрагмент
хромосомной ДНК.

24. Трансформация

– поглощение бактерией-реципиентом
фрагментов ДНК бактерии-донора из внешней
среды
(Гриффит 1928, Эйвери 1944)
поглощение фрагментов ДНК и включение в хромосому бактерии
реципиента;
ДНК должна быть двунитевой;
длина фрагмента должна составлять 1-2% длины хромосомы;
реципиенты должны быть компетентными (конец лог-фазы);
фактор компетентности связывается с рецепторами КС → синтез
аутолизина, ДНК-связывающего белка, эндонуклеазы I.

25. Механизм трансформации

Аутолизин разрушает КС, обнажает ДНКсвязывающий белок и эндонуклеазу I;
ДНК-связывающий
белок
абсорбирует
фрагменты донорной ДНК (22-45 тпо);
эндонуклеазаI на определенном расстоянии на
фрагментах ДНК (6 тпо) делает одноцепочечные
разрывы;
одна цепь ДНК деградирует;
фрагменты ДНК проникают в клетку и
связываются с белком, защищающим их от
деградации;
интеграция в хромосому реципиента.

26. Трансдукция

передача генетического материала от одной
бактерии другой посредством бактериофага
1. Инфицирование бактерии фагом
абортивная – принесенный фагом фрагмент ДНК бактерии не
2. Фрагментация ДНК бактерии при индукции фага
включается в хромосому реципиента;
специфическая - фаговая ДНК интегрирует в хромосому
общая (неспецифическая) - перенос бактериофагом любого
3. Включение
в оболочку
фрагментов
бактерии с образованием
профага.
Прифага
исключении
ДНК фага
гена
бактериальной
хромосомы.
Осуществляется
бактериальной
ДНК прилегающий к
из бактериальной хромосомы
захватывается
плазмидоподобными
фагами
РI
или
умеренными
месту включения фаговой ДНК фрагмент бактериальной
неспецифическими4. фагами
(Mu), способными
встраиваться
в
Инфицирование
трансдуцирующим
фагом
хромосомы.
любое место бактериальнойреципиентной
хромосомы;бактерии,
обмен гомологичными участками ДНК
5. Рекомбинантная бактерия

27. Экспрессия генетической информации у бактерий

28. Бактерии – универсальные существа

Отдельная
бактериальная
клетка
–
полноценный самодостаточный организм;
Клетки многоклеточных входят в состав
специализированных тканей и выполняют
строго определенные функции.

29. Парадокс бактериальной клетки

Высокая метаболическая активность (правило
Рубнера);
Высокая ферментативная насыщенность (до 109-1012
минуту); в среднем составляет 0,5—5 мкм;
реакций
Размервбактерий
Бактерии
способны
использовать
в качестве
Геном бактерий
представлен
4 100 генов.
энергетических
субстратов
и
источников
пластического материала разнообразные вещества;
Пластичность метаболизма обеспечивает высокую
выживаемость и приспособляемость;
В первую очередь утилизации подвергаются легко
усвояемые субстраты.

30. Быстрая адаптация к изменяющимся условиям среды - необходимое условие выживания

Бактерии должны иметь все ферменты,
необходимые в разных условиях существования;
Информация о синтезе ферментов закодирована
в геноме;
Ферменты: конститутивные, индуцируемые,
репрессируемые;
Механизмы «включения» и «выключения» генов
обеспечивает экономный расход энергии и
пластического материала.

31. Бактерии нуждаются в получении информации о своем окружении

Способы получения информации бактериями:
непосредственный
контакт
при
конъюгации с другими бактериями;
дистантное взаимодействие (носителями
информации
являются
УФ,
электромагнитные волны светового и
инфракрасного диапазонов);
физико-химические сигналы.

32. Внешние сигналы определяют экспрессию генов

Сигналы распознаются и преобразуются;
Передаются генетическим структурам;
Эта информация реализуется на уровне
генов,
путем
их
экспрессии
или
инактивации.

33. Регуляторы экспрессии генетической информации

двухкомпонентные сигнальные системы. Широко
распространенны среди прокариотических организмов.
Сенсорная киназа– ключевой компонент системы;
σ-фактор участвует в формировании РНК-полимеразы
и распознает промотор на ДНК, с которого начинается
процесс транскрипции;
белки глобальные регуляторы выполняют роль общего
регулятора экспрессии генов (белок активатор
катаболитных оперонов – БАК). Контролируют
экспрессию многочисленных разрозненных генов и
оперонов.

34. Уровни регуляции метаболизма

На уровне транскрипции (путь от ДНК к
РНК);
Регуляция на начальных этапах экспрессии
самый эффективный способ экономии
ресурсов
(посредством
промоторов,
регуляторных белков, белков глобальной
регуляции);
Наиболее часто используется бактериальной
клеткой;
На уровне трансляции (от РНК к белку).

35. Регуляторы экспрессии оперонов

Эффекторы
Регуляторные белки
не способны связываться с ДНК
(субстраты, продукты конечного
синтеза, цАМФ)
Продукты генов-регуляторов
Индукторы (опероны
индуцибельные);
Корепрессоры
(опероны
репрессибельные)
Связываются
с
участком
ДНК
оператором;
Осуществляют
позитивный
или
негативный контроль

36. Эффекты связывания регуляторного белка с оператором

Негативный контроль
регуляторный белок
препятствует
транскрипции
Фермент не синтезируется
Позитивный контроль
регуляторный белок
обеспечивает
транскрипцию
структурных генов
Синтез фермента

37. Индуцибельные опероны

Катаболитные опероны;
Цель
регуляции
–
включить
синтез
ферментов, которые ранее не требовались;
Оперон «включается» в присутствии молекул
индуктора;
Лактозный оперон - пример оперона, работа
которого
находится
под
негативным
контролем;
Арабинозный оперон – находится под
позитивным контролем регуляции.

38. Катаболитная репрессия

Если в среде присутствует несколько субстратов (глюкоза и
лактоза),
то
сначала
утилизируется
субстрат,
поддерживающий наиболее высокую скорость роста глюкоза;
Период генерации на среде с глюкозой 50 мин, с лактозой 80 мин;
При этом сначала синтезируются ферменты для утилизации
глюкозы, а поступление лактозы в клетку подавляется;
После утилизации глюкозы, используется лактоза;
Смена синтеза ферментов для утилизации разных
субстратов сопровождается сменой фаз роста в культуре диауксия.

39. Механизм катаболитной репрессии

Эффектором выступает цАМФ;
Белок активатор катаболитных оперонов (БАК)
неактивен в свободном состоянии;
Комплекс БАК-цАМФ имеет сродство к
промотору;
Обеспечивает связь промотора с РНКполимеразой и усиливает транскрипцию в 20-50
раз;
Количество комплексов БАК-цАМФ зависит от
количества цАМФ.

40. Циклический АМФ регулятор активности БАК

Образуется из АТФ с помощью аденилатциклазы;
При недостатке глюкозы компоненты ее
транспорта в клетку приводятся в активное
состояние – фосфорилируются;
фосфорилирование
обеспечивается
аденилатциклазой
и
сопровождается
увеличением цАМФ;
Увеличение цАМФ → увеличение комплексов БАКцАМФ → увеличение связи РНК-полимеразы с
промотором → увеличение транскрипции.

41. Арабинозный оперон

Гены araА, araВ, araD структурные – кодируют синтез
ферментов, образуют оперон araВАD ;
Ген araС кодирует регуляторный аллостерический
белок AraC, имеющий центр связывания с
арабинозой;
Связываясь с арабинозой регуляторный белок
становится активатором araВАD-оперона;
В отсутствие арабинозы AraC связывается с
участками ДНК и образует петлю, препятствуя
транскрипции;
AraC осуществляет негативную и позитивную
регуляцию.

42. Структура арабинозного оперона

Регуляторная
область
Структурные гены
D
A
B
I
O P
Ген регулятор
C
В присутствии арабинозы AraC превращается в
активатор, присоединяется к инициатору (I);
БАК в комплексе с цАМФ связывается с ДНК в
области промотора;
К промотору присоединяется РНК-полимераза.

43. Работа арабинозного оперона в присутствии арабинозы

БАК
цАМФ
D
A
B
I
O
C
Репрессор
Актива
тор
Белок активатор катаболитных оперонов (БАК) активируется в комплексе
цАМФ;
Усиливает транскрипцию.

44. Работа арабинозного оперона в отсутствии арабинозы

D
A
B
I
O
C
Репрессор

45. Репрессибельные опероны

Характерны для анаболических путей.
Цель регуляции – прекращение синтеза;
Оперон «выключается» в присутствии молекул
корепрессора;
Ген регулятор кодирует апорепрессор –
репрессор в неактивной форме;
Апорепрессор имеет два активных центра, один
для связывания с метаболитом (корепрессором),
второй – для связывания с геном оператором;
Триптофановый оперон (регуляция негативная,
аттенуация - регуляция транскрипции на уровне
трансляции).

46. Триптофановый оперон

При наличии в среде триптофана, его синтез
прекращается (репрессия конечным продуктом);
Эффектор (корепрессор) – триптофан –
связывается с апорепрессором и активирует его;
Репрессор связывается с оператором, блокируя
синтез триптофана;
В отсутствии корепрессора апорепрессор не
имеет сродства к оператору, идет синтез
аминокислоты.

47. Принцип работы триптофанового оперона

Наличие
триптофана в
среде
Сродство
репрессора к
оператору
Синтез
триптофана
нет
нет
да
да
да
нет

48. Аттенуация – механизм тонкой регуляции экспрессии структурных генов

Позволяет регулировать количество
синтезирующегося триптофана;
При избытке триптофана – транскрипция
генов оперона большинством молекул
РНК-полимеразы прерывается;
При недостатке триптофана транскрипция
генов оперона увеличивается.

49. Аттенуатор - последовательность нуклеотидов в регуляторной области перед первым структурным геном

Регуляторная область
Регуляторный
ген
Р
Р - промотор;
О - оператор;
А – аттенуатор.
О
А
Структурные гены
Управляет активностью РНК-полимеразы.

50. Заключение

Геном
бактерий
представлен
хромосомой
и
внехромосомными факторами;
Рекомбинация бактерий обеспечивается конъюгацией,
транформацией и трансдукцией;
Структурные гены бактерий организованы в опероны;
Работой оперонов управляют эффекторы и регуляторные
белки;
Эффекторы «включают» или «выключают»
гены,
связываясь с регуляторными белками;
Регуляторные белки осуществляют позитивный или
негативный контроль;
Различают
индуцибельные
(катаболитные)
и
репрессибельные (анаболитные) опероны.