Тема 5: генетика мікроорганізмів.

1. ОРГАНІЗАЦІЯ ГЕНЕТИЧНОГОМАТЕРІАЛУ БАКТЕРІЙ.

2. МІНЛИВІСТЬ МІКРООРГАНІЗМІВ.

3.ГЕНЕТИЧНІ РЕКОМБИНАЦІЇ.

4.ПРАКТИЧНЕ ЗНАЧЕННЯГЕНЕТИКИ БАКТЕРІЙ.

Генетика бактерій та вірусів - наука, що вивчає механізми успад­ковування генетичних ознак та їх фенотипні прояви.

Вона започаткована блискучими експериментами Грегора Менделя в 60-х роках минулого століття. Закони Менделя були підтверджені дослідами Г. де Фріза, К. Клорренса, Е. Чермака. Значний вклад у розвиток вчення про мінливість мікроорганізмів внесли К. Негелі (засновник теорії плеоморфізму - про безмежну мінливість бактерій), Р. Кох і Ф. Кон, які висунули ідеї мономорфізму, що стверджували постійність та незмінність бактерійних ознак, притаманних певним видам.

Значний внесок у вивчення законів мінливості мікроорганізмів зро­били Л. Пастер, І. Мечніков, Л. Ценковський, М. Вавілов, М. Тимофєєв-Ресоцький. У 1944 р. О. Ейвері, К Маклауд, М. Мак-Карті довели, що саме ДНК є речовиною, яка зберігає генетичну інформацію. Д. Уотсон і Ф. Крик, М. Уілкінсон у 1953 р. розшифрували генетичний код, встановивши особливості механізмів синтезу білка.

1.Організація генетичного матеріалу бактерії.

Як відомо, генетичний апарат прокаріотів побудовано з двоспі-ральної нитки ДНК, яка складається з 3x10⁹ пар нуклеотидів і замк­нута в кільце. Вона суперспіралізована завдяки поліамінам (сперміну, спермідину), іонам магнію і на електронних мікрофотографіях має форму намиста.

ДНК складається з пуринових (аденін, гуанін) та піримідинових (тимін, цитозин) нуклеїнових основ - гетероциклічних азотистих сполук, до складу яких входить цукор дезоксирибоза. З'єднує поліме­ри фосфорна кислота. Між ланцюгами існують ковалентні та водневі зв'язки, тому молекули легко розпадаються. Кількість аденінових основ дорівнює тиміновим, а гуанінових - цитозиновим.

Хромосома у функціональному відношенні поділяється на фраг­менти, які називаються генами. Ген - елементарна одиниця спадко­вості, що контролює синтез специфічного поліпептидного ланцюга (структурний ген) або діяльність структурних генів (ген-регулятор, ген-оператор). Представлено його невеликими ділянками геномної або епісомної ДНК. Кожний ген складається з триплетів (кодонів) нуклеїнових основ, які кодують одну амінокислоту.

Гени, які відповідають за синтез сполуки, позначають рядковими літерами латинського алфавіту, які відповідають назві сполуки. Наприклад, his⁺ - гістидиновий ген, leu⁺ - лейциновий ген. Гени, що контролюють резистентність до антибіотиків, інших препаратів, позначаються літерою r (resistance - стійкість). Чутливі до препаратів бактерії позначаються літерою s (sensitive - чутливий). За цим прин­ципом позначення kan^r, ris^r означає резистентні до канаміцину та ристоміцину штами, a kan^s, ris^s - чутливі. Фенотип батерій познача­ється аналогічно генотипу, однак прописними літерами.

Сукупність генів нуклеоїда та позахромосомних факторів спадко­вості зумовлюють генотип бактеріальної клітини. Фенотип - інди­відуальний вияв генотипу в конкретних умовах існування.

Існує певний механізм, за допомогою якого послідовність нуклеотидів у гені визначає послідовність амінокислот у білку.

Спочатку ДНК клітини деспіралізується, і на одній із її ниток, як на матриці, фермент ДНК-залежна РНК-полімераза за принципом комплементарності формує полірибонуклеотидний ланцюг, який на­зивається інформаційною або матричною РНК (і-РНК, м-РНК). Ця стадія синтезу білка називається транскрипція (transcriptio - переписую).

Інформаційна РНК переноситься клітиною в цитоплазму, де розташовані рибосоми. Розпочинаєтся наступний етап - трансляція (translatio - перенесення). Саме в цей період на рибосомах відбувається зчитування генетичного коду ІРНК та побудова поліпептидних ланцюгів.

У цитоплазмі клітини завжди існують особливі специфічні нуклеї­нові кислоти, які називаються транспортними РНК (тРНК). На одному -з кінців вони мають триплет нуклеотидів (антикодон), а на іншому -місце для з'єднання з відповідною амінокислотою (кодон). Вони достав­ляють необхідну амінокислоту до рибосоми, на якій відбувається елонгація (elongatio - подовження) поліпептидиого ланцюга.

Генетична інформація клітини може бути закодована як хромо­сомними генами, так і генами, які знаходяться у позахромосомному стані, тобто відмежовані від хромосоми, але здатні до тривалого підтримання та відтворення в такій формі. їх виявлено у бактерій багатьох родів. Позахромосомні елементи спадковості представлено плазмідами, транспозонами, Is-елементами та фагами.

Найдрібнішими за своїми розмірами є Is-послідовності (insertion sequenses - вставлені послідовності). Вони складаються з 1000 пар нуклеотидів і не несуть інших генів, крім генів, що відповідають за їх переміщення у різні ділянки бактеріальної ДНК. В усіх випадках вони пов'язані з хромосомною або плазмідною нуклеїновою кислотою і не здатні до самостійної реплікації. Вони виконують координуючу роль, пов'язуючи між собою всі елементи спадковості клітини, регулятор­ну функцію, а також здатні індукувати мутації типу делеції чи інверсії.

Транспозони (transposition - переміщення) є нуклеотидними послі­довностями, які крім генів, що відповідають за транспозицію, можуть нести гени, кодуючі інші функції. Довжина їх сягає 2000-20000 нуклеотидних основ. Вони можуть існувати самостійно у вигляді кільцевої молекули ДНК, не здатної до реплікації, або бути включеними до складу бактерійних геномів і плазмід. Вони можуть нести інформацію про синтез, наприклад, бактеріальних ентеротоксинів, ферментів, руйнуючих антибіотики.

Транспозони виявлено у клітинах дріжджів, бактерій, рослин, комах, хребетних і навіть людей. Найважливіша їх властивість - здат­ність до міграції з одного реплікона до іншого. За рахунок цього вони виконують регулюючу, кодуючу функції, здатні індукувати генні мутації.

Плазміди - кільцеві молекули ДНК молекулярною масою до 10⁶-10⁸ Д з 1,5-400 тис пар основ. Вони можуть існувати в цитоплазмі у вільному стані або бути інтегрованими з клітинною хромосомою. Тоді їх називають епісомами. Плазміди містять у своєму складі tra-оперон (transfer - перенос), який забезпечує їх здатність до передачі, і гени, які кодують якусь ознаку. їх називають трансмісивними, якщо вони самостійно передаються іншим клітинам за допомогою кон'югації, і нетрансмісивними, коли не мають власного апарату передачі, а пе­реносяться разом трансмісивними або при трансдукції. Вони можуть існувати в клітині у декількох копіях.

Плазміди виконують регуляторну та кодуючу функції. Регулятор­ний ефект їх полягає в здатності представляти власні реплікони при порушенні функціонування клітинних генів; кодуюча роль - у внесенні в клітину нових ознак, які надають їй певних переваг при взаємодії з організмом хазяїна.

Сьогодні відомо декілька десятків різноманітних плазмід. Серед них найдетальніше вивчено плазміди F, Col, R, Ent, Hly, бактеріоциногенності, біодеградації. Плазміди F забезпечують перенос бакте­ріальної хромосоми при кон'югації. R-плазміди є факторами множин­ної резистентності до лікарських засобів. Вони кодують стійкість до 10 антибіотиків та солей важких металів (Ni, Cu, Hg). Col-плазміди забезпечують синтез коліцинів - білків з летальною активністю проти коліформних мікроорганізмів. Hly-плазміди зумовлюють утворення гемолізинів у золотистих стафілококів, Ent-плазміди забезпечують ентеротоксиренну активність штамів кишкової палички. Плазміди біодеградації надають мікроорганізмам здатність утилізувати незвичні субстрати: Cam-плазміда - камфору, Oct-плазміда - октану тощо.

Про плазмідну локалізацію гена можуть свідчити високі темпи втрати ознаки спонтанно, а також підсилення її під впливом підви­щеної температури, хімічних речовин (акридинові барвники), спільна втрата і спільне набуття декількох ознак.

Сприяти проявам мінливості бактерій можуть деякі помірні та дефектні бактеріофаги. За своїми біологічними властивостями вони подібні до плазмід, можуть самостійно існувати в цитоплазмі бакте­ріальних клітин. При інтеграції з хромосомою мікроба вони можуть надавати йому нові ознаки.

Таким чином, плазміди убіквітарні. Вони не мають вирішального значення для забезпечення існування бактерійних клітин, однак віді­грають чи не найважливішу роль у створенні розмаїття генетичного матеріалу при природному відборі.