Ставропольская Государственная Медицинская Академия

Кафедра микробиологии иммунологии и вирусологии

Л екции № 6 «Генетика микроорганизмов»-1

• История.

• Строение генома.

• Материальная основа наследственности;

• Понятие о гене, генотипе, фенотипе.

• Классификация изменчивости.

• Модификационная изменчивость;

• Механизмы и формы проявления модификационной изменчивости у бактерий;

• Генотипическая изменчивость

• Мутации у бактерий и их разновидности;

• Генетические рекомбинации (конъюгация, трансформация, трансдукция);

• Плазмиды бактерий;

• Практическое применение знаний об изменчивости и наследственности;

• Живые вакцины;

• Генная инженерия;

• Рекомбинантные вакцины.

Лекция обсуждена на

кафедральном совещании

« »____________ 2009 г

д.м.н. Т.В. Таран

Ставрополь, 2009

Всякое живое существо по большинству своих признаков сходно со своими предками. Сохранение специфических свойств, т.е. постоянство признаков в ряду поколений, называют наследственностью. Изучением передачи признаков и закономерностей их наследования занимается генетика.

О сновными явлениями наследственности являются:

• сходство признаков потомков с родителями;

• отличие некоторых признаков потомков от родителей;

• сходство признаков потомков с отдалёнными предками.

Основным свойством наследственности является способность запоминать информацию предков для воспроизведения её у потомков:

• в структуре тела;

• в характере обмена веществ;

• в характере взаимодействия с внешней средой.

Указанные выше признаки наследственности характерны для всего живого мира: людей, животных, растений и, в том числе и для микроорганизмов.

С самых первых научных исследований механизма наследственности ученых не переставал интересовать главный вопрос: «Что представляет собой наследственный материал?» В начале XX века гипотеза Саттона-Бовери о том, что гены находятся в хромосомах, стала общепризнанным мнением. Но какое химическое вещество в хромосомах служит переносчиком и хранителем генетической информации?

Еще на заре биохимии ученые предполагали, что на роль носителя информации подходят два основных вида химических веществ клетки – белки и нуклеиновые кислоты. И хотя об их строении было известно мало, белки, как более сложные, казались наиболее подходящим кандидатом. Поэтому считалось, что гены состоят из белков. Вместе с тем некоторые опыты свидетельствовали о том, что не стоит сбрасывать со счетов и нуклеиновые кислоты. Когда Уилсон публиковал свой классический труд «Клетка и ее роль в наследственности и эволюции», в одном издании он написал, что наиболее важный материал – белки, а в другом издании назвал нуклеиновые кислоты. Однако никто ничего не знал наверняка.

Основные законы генетики открыты и сформулированы чешским естествоиспытателем Г. Менделем, затем они более подробно изучены Морганом, Мюллером, Вавиловым, Кольцовым и др. В 1944 г. американские микробиологи Эйвери, Маклауд и Маккарти доказали, что ДНК является веществом, ответственным за передачу наследственных признаков у бактерий.

Д о 1952 года предполагалось, что молекулы ДНК состоят из четырех видов нуклеотидов, чередующихся в регулярном порядке, поэтому казалось, что все молекулы более или менее одинаковы и не могут переносить информацию. Но когда Эрвин Чаргафф тщательно проанализировал состав ДНК различных организмов, обнаружилось, что нуклеотиды содержатся в них не в равной пропорции, а наблюдается следующее соотношение:

• общее количество пуринов (А + G) почти точно соответствует общему количеству пиримидинов (С + Т);

• количество A почти равно количеству Т (тимина), а количество G (гуанина) – количеству С - цитозина (А = Т, G = С);

• отношение (А + Т) : (G + С) сильно варьируется у разных организмов.

Спустя 30 лет в клетках дрожжей открыли другую нуклеиновую кислоту – РНК. РНК отличается от ДНК тремя основными особенностями:

• вместо дезоксирибозы содержит близкий к ней сахар – рибозу;

• вместо тимина – урацил;

• в отличие от ДНК, являющейся двойной спиралью, РНК представляет простую длинную цепь, в которой нуклеотиды расположены последовательно в ряд.

О кончательный ответ на этот ключевой вопрос дали исследования бактерий и поражающих их вирусов. В небольшой промежуток времени, в 1952–1953 годы стало ясно: наследственное вещество – это ДНК, и ее физическая структура определяет все основные феномены наследственности. Отождествление ДНК с генетическим материалом и открытие ее структуры – одно из величайших научных достижений XX века.

В 1928 году Фредерик Гриффитс обнаружил, что вещество погибших клеток одного штамма бактерий может переносить свои характеристики живым клеткам другого штамма. Например, было известно, что капсулообразующий штамм IIIS бактерий Diplococcus pneumoniae может вызывать летальную пневмонию у мышей, тогда как бескапсульный штамм IIIR относительно безвреден.

Гриффитс нагрел раствор с клетками III S до высокой температуры, тем самым убив их, и перемешал остатки клеток с живыми клетками III R, после чего ввел мышам полученную смесь. Мыши погибли. По всей видимости, живые клетки вобрали в себя из мертвых клеток какой-то материал, который трансформировал их и передал им характеристики штамма III S.

В 1944 году Освальд Т. Эйвери и его коллеги по Центру Рокфеллера в Нью-Йорке на опытах доказали, что трансформирующим фактором служит ДНК. Они разрушали белки и другие вещества клеток, но трансформация при этом продолжалась, но когда они разрушили ДНК, трансформация прекратилась.

Так был сделан важный шаг в исследовании генетического материала – его отождествили с нуклеиновой кислотой. Генетики пришли к убеждению, что именно ДНК, входящая в состав хромосом у всех организмов, служит материальным носителем наследственной информации.

Идея ясна: организм состоит из структур, которые производят сами себя. Белки получают информацию о своем производстве от молекул нуклеиновых кислот, в основном от ДНК.

Исследования в области генетики микроорганизмов имели важнейшее значение не только для микробиологии но и для дальнейшего развития биологических и медицинских наук. В них была установлена генетическая роль ДНК, расшифрованы тонкая структура гена и генетический код, механизмы репликации (редупликации) ДНК и регуляции синтеза белка у прокариотов, выяснены закономерности мутагенеза и репараций поврежденных участков ДНК. Результаты этих исследований позволили заложить основы генной инженерии – раздела молекулярной генетики, разрабатывающего методы манипуляций с генами, их переноса из одной клетки в другую и изучающего особенности функционирования пересаженных генов.

У спехи молекулярной генетики стали возможны благодаря совместной работе микробиологов, генетиков, химиков и физиков, которые в своих исследованиях использовали микроорганизмы. Именно прокариоты, главным образом бактерии, а также вирусы оказались наиболее простой и удобной моделью для решения кардинальных проблем молекулярной генетики.

Преимущество прокариотов перед эукариотами состоит прежде всего в высокой скорости размножения, гаплоидности и большой разрешающей способности методов генетического анализа этих микроорганизмов. Формирование на питательных средах многомиллиардных популяций бактерий в течение 15-20 ч позволяет проводить быстрый и точный анализ происходящих в них количественных и качественных изменений. Сравнительная простота постановки эксперимента обусловливает эффективность селективного анализа микробной популяции и выделение единичных особей, обладающих способностью мутировать с очень высокой частотой. Наконец, гаплоидность бактерий, имеющих в отличие от эукариотов одну хромосому, т. е. одну группу сцепления генов, обусловливает отсутствие у них явления доминантности, что способствует быстрому выявлению мутировавших генов.

Молекулярно-генетические исследования, проводимые в медицинской микробиологии, преследуют определенные цели. Они заключаются в познании молекулярных основ наследственности и изменчивости патогенных микроорганизмов, разработке методов и принципов управления их жизнедеятельностью и в получении мутантов, полезных для человека.

Изучение наследственности и изменчивости микроорганизмов началось по существу с первых дней формирования микробиологии как самостоятельной науки. Еще Пастер на примере возбудителей куриной холеры, сибирской язвы и бешенства разработал методы ослабления (аттенуации) патогенного действия микроорганизмов и получил полезные для человека вакцинные штаммы бактерий и вирусов.

Большое практическое значение имеют работы по получению вакцинных штаммов патогенных бактерий с резко ослабленными вирулентными свойствами. Так в 1920г. Кальметт и Герен получили штамм бактерий туберкулеза бычьего типа со сниженной вирулентностью путем длительного культивирования (в течение 13 лет) на картофельно-глицериновой среде с жёлчью. В 30-40-х годах были получены вакцинные штаммы чумных бактерий, бруцелл, возбудителя сибирской язвы, туляремии и др. Большой вклад в разработку проблемы получения вакцинных штаммов внесли русские исследователи Гинсбург, Гайский, Эльберт, Вершилова, Салтыков и др.

В начале 50-х годов генетические исследования микроорганизмов приобрели необычайно широкий размах. Были получены новые доказательства роли ДНК как материальной основы наследственности. В опытах А. Херши и М. Чейс (1952) было показано, что при инфицировании фагом клеток кишечной палочки в них проникает только его ДНК, содержащая генетическую информацию для воспроизведения потомства фага.

П озднее ряд исследователей установили возможность получения полноценных вирионов для заражения чувствительных клеток одной вирусной РНК. В дальнейшем были изучены инфекционные свойства нуклеиновых кислот некоторых РНК и ДНК-содержащих вирусов. Оказалось, что изолированная вирусная ДНК или РНК, проникая внутрь клетки хозяина, осуществляет те же функции, что и нуклеиновая кислота, поступившая в клетку при ее заражении полноценным вирусом. Эти данные свидетельствуют о том, что вся генетическая информация у вирусов содержится в нуклеиновых кислотах – ДНК или РНК.

После того как Д. Уотсон и Ф. Крик (1953) доказали двунитевую структуру ДНК, начался новый этап в развитии молекулярной генетики, который привел к расшифровке генетического кода, установлению особенностей синтеза и репликации ДНК. Особую роль в развитии бактериальной генетики сыграли работы Д. Ледерберга, В. Хейса, Ф. Жакоба, 3. Вольмана по изучению половой дифференцировки бактерий и закономерности генетического обмена у прокариотов, которые происходят при трансформации, трансдукции и конъюгации. Дальнейшие исследования привели к открытию разнообразных плазмид, представляющих собой внехромосомные факторы наследственности, контролирующие важные свойства бактерий, в том числе резистентность к химиопрепаратам и патогенность.

Т рансмиссивность плазмид позволила использовать некоторые из них в качестве переносчиков генов от одних бактерий к другим, а также для переноса генов из клеток млекопитающих в бактериальные клетки. Таким образом, были заложены основы генной инженерии.

О собое значение для медицинской микробиологии имеют изучение генетики патогенных микроорганизмов, выявление возможных пу­тей образования и селекции новых видов и разновидностей, а также направленное изменение возбудителей для получения вакцин. Успехи в развитии генетики микроорганизмов показали, что основные законы наследственности и изменчивости одинаковы по своей сути для всех живых организмов и имеют единую материальную основу.