Лекция №4 генетика бактерий

Микроорганизмы послужили удобной моделью для генетических исследований, приведших к важнейшим открытиям 20 века в биологии: показано, что материальным носителем (основой) наследственности являются нуклеиновые кислоты - ДНК и РНК; установлено детальное строение хромосомы; расшифрованы механизмы: генетического обмена и его регуляции, достижения генетики микроорганизмов послужили основой для становления и развития новой перспективной отрасли – биотехнологии. Она призвана использовать свойства микробов и клеточных культур, биологических процессов в производстве: биологически-активных веществ (антибиотиков, гормонов, белков, аминокислот ) , энергоносителей, полезных новых видов микробов, сортов растений, видов животных, эффективных вакцин, а также в борьбе с загрязнением окружающей среды и болезнями растений.

Микробы, как объекты генетических исследований, обладают рядом преимуществ: бактерии содержат гаплоидный набор генов, поэтому изменения их генотипа с неизбежностью влекут за собой изменение фенотипа; для них характерно быстрое размножение и огромная численность потомства (быстрая смена поколений); работа с микробами не требует больших затрат.

Организация генетического материала бактерий.

Геном бактерий (совокупность всех генов) представлен хромосомой, плазмидами и транспозируемыми элементами (транспозонами), причем обязательным генетическим элементом является только хромосома. Хромосома и плазмиды являются репликонами - элементами, способными к автономной репликации (самоудвоёнию).

Хромосома представляет собой замкнутую в кольцо двухспиральную нить ДНК, плотно уложенную в цитоплазме и несущую 95-99% генетической информации (дыхание, питание и другие важнейшие функции) Последовательность нуклеотидов в хромосоме определяет чередование оперонов, функционирование которых происходит также, как у других организмов.

Плазмиды - это внехромосомные генетические элементы, представляющие собой замкнутые в кольцо двухспиральные молекулы ДНК, обычно находящиеся в скрученном состоянии в цитоплазме или в интегрированном состоянии (в составе хромосомы). Они кодируют 1-5% генетической информации (основном, адаптационные свойства), могут утрачиваться клеткой без потери жизнеспособности, а также передаваться от клетки-донора в клетку-реципиент. Трансмиссивные плазмиды передаются путем самопереноса при конъюгации, нетрансмиссивные -пассивно, путем трансдукции с участием умеренного бактериофага или при мобилизации трансмиссивной плазмидой в ходе конъюгации. Плазмиды могут содержать гены множественной лекарственной устойчивости (К - фактор), вирулентности (плазмиды токсигенности, адгезивности и др.), дополнительных ферментов метаболизма (утилизация лактозы, цитрата и др.). Плазмиды наделяют клетку дополнительной генетической информацией, которая дает ей селективные преимущества (например, способность сохраняться во внутренней среде макроорганизма, где на микроб действуют защитные реакции организма и антибиотики, принимаемые в ходе лечения).

Транспозируемые элементы - это отдельные фрагменты ДНК, способные к многократному перемещению от одного репликона к другому без изменения структуры. Они не способны к автономной репликации (удваиваются вместе с хромосомой и плазмидой), могут перемещаться (в составе плазмиды) от клетки-донора в клетку-реципиент, вызывая изменение ее генотипа. Различают вставки-последовательности. не кодирующие известных признаков, и транспозоны, кодирующие I или несколько признаков (любых). Перемещение, в зависимости от вида элемента, может происходить в разные или в определенный участок репликона, что также является важным механизмом изменчивости микробов.

Изменчивость микроорганизмов.

Различают генотипическую (наследуемую) изменчивость и фенотипическую (ненаследуемую, модификационную). Наследуемая изменчивость осуществляется в виде мутаций и рекомбинаций.

Мутации - это перегруппировка генов, не связанная с внесением в клетку нового генетического материала, ненаправленное изменение генотипа. Спонтанные мутации возникают без видимых причин, как ошибки репликации; индуцированные - под влиянием мутагёнов (УФО, ионизирующей радиации, алкилирующих агентов, азотистой кислоты, аналогов оснований ДНК и др.). Мутации могут проявляться в виде удвоения, выпадения, замены нуклеотидов, вставки (в том числе транспозируемого элемента) и др.

Рекомбинации - это изменения генотипа, связанные с внесением в клетку-реципиент генетического материала от клетки-донора. Различают 3 вида рекомбинаций: трансформацию, трансдукцию, конъюгацию.

Трансформацией называют процесс: поглощения клеткой-реципиентом

изолированной ДНК клетки-донора (или синтетической нуклеиновой кислоты)..

Трансдукция - перенос генетической информации (ДНК) при проникновении в клетку умеренного бактериофага (вирусных частиц, паразитирующих на бактериальных клетках).

Конъюгация - перенос генетической информации посредством трансмиссивных плазмид при непосредственном контакте донора и реципиента.

Мутации и рекомендации обеспечивают высокий уровень генетического обмена в различных микробиоценозах, позволяют микробам быстро адаптироваться к меняющимся условиям среды, эволюционировать, нередко приобретая нежелательные свойства - лекарственную устойчивость, повышенный патогенный потенциал. Все формы наследуемой изменчивости активно используются в генно-инженерных исследованиях и биотехнологии.