Главная страница
qrcode

Генетика бактерий.


Скачать 157,5 Kb.
НазваниеГенетика бактерий.
Анкор№ 5. Генетика бактерий..doc
Дата20.09.2017
Размер157,5 Kb.
Формат файлаdoc
Имя файла№ 5. Генетика бактерий..doc
ТипЛекции
#22865
Каталог

ТЕМА ЛЕКЦИИ: «Генетика бактерий.»
План лекции:

  1. Генетика как наука. История становления генетики микроорганизмов.

  2. Организация генетического аппарата бактериальной клетки.

  3. Внехромосомные факторы наследственности.

  4. Понятие о генотипе и фенотипе, видах изменчивости.


Генетика – это наука, изучающая закономерности наследственности и изменчивости живых организмов, в том числе и микроорганизмов.

Наследственность – это свойство живого организма (в том числе и микроорганизма) передавать потомству признаки и особенности развития родителей (видовые признаки).

Изменчивость – это свойство живого организма (в том числе и микроорганизма) изменяться (изменять видовые признаки), обеспечивая разнообразие живого как на уровне одной отдельной клетки, так и на уровне вида.

Исторические этапы становления генетики микроорганизмов.

0. Эвристический (донаучный) период.

Судя по археологическим данным, 6000 лет назад надписи на глиняных табличках гласили: «физические признаки могут передаваться от одного поколения другому»; в частности, вавилонские глиняные таблички указывают на возможные признаки при скрещивании лошадей, улучшение породы других животных и сортов растений.

I. Эмпирический (научный) период (середина XIX века).

Исходной точкой становления генетики как науки послужили труды Г. Менделя. В 1865 г. австрийский монах Грегор Мендель обнародовал труды по скрещиванию сортов гороха: «наследственные признаки не смешиваются, а передаются от родителей к потомкам в виде обособленных (дискретных) единиц». Однако эти работы настолько опередили развитие биологии того времени, что оказались невостребованными.

Однако корни генетики бактерий берут свое начало от первых попыток систематики бактерий. Работы Л. Пастера и Р. Коха побудили открытие новых микроорганизмов, необходимо было их систематизировать, то есть сопоставить сходные признаки и различия. И здесь мнения ученых разделились. Существовало мнение полиморфистов (плеоморфисты), которые считали, что все свойства бактерий изменяются, и мономорфистов, которые утверждали, что свойства микроорганизмов неизменны. После длительной дискуссии победу одержали плеоморфисты, а результаты почти векового спора двух направлений послужили основой для генетики бактерий.

II. Классический период (начало XX века).

В 1900 г. К. Корренс, Э. фон Чермак, Г. Де Фриз в работах по гибридизации бактерий переоткрывают законы Менделя, которые к тому времени были забыты. С этого момента начинается бурное развитие генетики высших организмов (растений, животных).

В 1903 г. Иогансен предложил термин «ген».

В 1906 г. Бетсон дал определение «генетики».

В 1925 г. Надсон, Филипов изучили действие рентгеновских лучей на дрожжи, в 1927 г. изучены термические мутации.

В 1928 г. Фредерик Гриффитс обнаружил молекулу наследственности, которая передается от бактерии к бактерии.

III. Период молекулярной генетики (с середины XX века).

Основные открытия в генетике бактерий приходятся на середину XIX века, когда у ученых появилась возможность не просто систематизировать сведения об изменчивости и наследственности, но и расшифровать их «тонкие» механизмы. В этот период была проведены расшифровка структуры ДНК, триплетного кода, описание механизмов синтеза белка, обнаружение рестриктаз и секвенирование ДНК.

В 1944 г. О. Эвери, К. Мак Леод, М. Мак Карти изолируют ДНК, осуществив трансформацию бескапсульных пневмококков в капсульные in vitro, тем самым доказав, что материальной единицей наследственности (генетическим материалом) у бактерий является ДНК.

В 1952 г. Чейз доказывает, что генетическая информация бактериофагов содержится также в ДНК.

В 1953 г. Ф. Крик, Д. Уотсон смоделировали структуру и репликацию ДНК, обосновали приложимость этой модели к наследственности и изменчивости микроорганизмов.

В 40-50 гг. – были выявлены системы рекомбинации у бактерий: трансдукция, трансформация и конъюгация. Затем открыты внехромосомные факторы наследственности: плазмиды, транспозоны, Is-элементы и т.д.

В 1958 г. Шталь доказал, что удвоение ДНК у бактерий носит полуконсервативный характер.

В 1961 г. Ф. Крик, Бернет и Д. Уотсон сформулировали общие принципы организации генетического кода на примере генетического кода E. coli (код является триплетным, вырожденным и неперекрывающимся).

В 1970 г. у бактерий палочки инфлюэнцы обнаружены ферменты рестриктазы.

В 1977 г. лаборатория Зангера полностью секвенировала геном бактериофага.

В 1983 г. Кэри Мелис открывает ПЦР для простой и быстрой амплификации ДНК.

В 1995 г. полностью секвенирован геном организма невирусной природы – бактерии Haemophylus influenzae.

В 1996 г. впервые секвенирован геном пекарских дрожжей (Saccharomyces cerevisiae).

В 1998 г. секвенирован геном многоклеточного организма – нематоды.

В 2001 г. сделаны первые «наброски» полной последовательности генома человека.

В 2003 г. секвенировано 99% генома человека.

В настоящее время развивается биотехнология, инженерная энзимология – использование микробных ферментов на носителе (разработан препарат иммобилизованная стрептокиназа – «стрептодеказа», который вводят в сосуд для растворения тромба; растворимая в воде полисахаридная матрица с привязанной стрептокиназой повышает устойчивость фермента, снижает его токсичность, аллергическое действие, повышает способность растворять тромбы). Бурными темпами развивается клеточная инженерия (гибридомы), тканевая инженерия (способ получения кератоноцитов), генная инженерия (получен промышленный штамм микроорганизма-сверхпродуцента, синтезирующего аминокислоту «треонин» для добавления в корм животным с целью наращивания мышечной ткани).

Недостатки высших организмов как моделей для генетических исследований:

  • длительность эксперимента (продолжительный срок жизни экспериментального животного);

  • ограниченное число особей, используемое в эксперименте;

  • диплоидный набор хромосом;

  • требования ухода и специального содержания животных;

  • экономические затраты.

Преимущества бактерий как моделей для генетических экспериментов:

  • сходная с высшими организмами структура наследственности – ДНК;

  • относительная простота культивирования;

  • возможность получения популяций, содержащих миллиарды микробных клеток, в короткие сроки;

  • гаплоидный набор хромосом (исключает явление доминантности и позволяет выявлять мутации с высокой частотой);

  • наличие автономных и интегрированных фрагментов ДНК (плазмиды, транспозоны, Is-элементы и др.);

  • половая дифференциация в виде донорских и реципиентных клеток.



Организация генетического аппарата бактериальной клетки.

Материальной единицей наследственности, определяющей генетические свойства всех живых организмов, в том числе бактерий и вирусов (исключение РНК-содержащие вирусы), является ДНК.

Хромосома бактериальной клетки представляет собой кольцевую двухцепочечную молекулу ДНК, организованную в нуклеоид.

Молекула ДНК бактерий, как и других организмов, представляет собой длинные двойные цепи мономеров – нуклеотиды. Каждый мононуклеотид содержит одно из азотистых оснований (аденин/гуанин, цитозин/тимин), одну молекулу сахара (дезоксирибозу) и остаток фосфорной кислоты. Нуклеотиды в ДНК соединены между собой фосфодиэфирными связями. Мононуклеотиды формируют полинуклеотиды, а те цепочки ДНК. Две полинуклеотидные цепи, закрученные правильными ветками вокруг общей оси, соединены между собой водородными связями, которые устанавливаются между пуриновым основанием одной цепи и пиримидиновым основанием другой (аденин из одной цепи связывается с тимином другой, а гуанин с цитозином). При этом, суммарное отношение А+Т/Г+Ц является величиной постоянной для каждого вида микроорганизмов (правило Чаргафа) и колеблется от 0,45 до 2,73.

Информация о видовых признаках и свойствах бактерий заключена в генах.

Ген – это участок молекулы ДНК, несущий информацию о первичной структуре полипептида белка или РНК.

Гены, несущие информацию о синтезируемых микроорганизмами ферментах или структурных белках, называются структурными. Гены, регулирующие функционирование (транскрипцию) структурных генов, называются регуляторными (регуляторные элементы – операторы, промоторы, регуляторы).

До недавнего времени считалось, что последовательность гена непрерывна. Однако исследования показали, что она может прерываться вкрапленными в нее нетранслируемыми участками (интронами). Соответственно, ген может состоять из отдельных фрагментов, соединяющихся воедино во время генной экспрессии. Таким образом, структура гена сложнее, чем ранее предполагалось.

Отличие генома прокариот от генома эукариот.

Прокариоты

Эукариоты

ДНК не ограничена ядерной мембраной (располагается в цитоплазме свободно)

ДНК ограничена ядерной мембраной

ДНК суперспирализована

ДНК не суперспирализована

Циркулярная ДНК (замкнута в кольцо)

Линейная ДНК

Не содержат гистонные белки

Содержат гистонные белки

Гаплоидный набор хромосом

Диплоидный набор хромосом

Бинарное деление

Делятся митозом

Наличие обособленных фрагментов ДНК (плазмиды, транспозоны, Is-элементы и др.)

Отсутствие обособленных фрагментов ДНК

Передача генетической информации как по вертикали (от материнской клетки – дочерним), так и по горизонтали (от клетки-донора к клетке-реципиенту)

Передача генетической информации только по вертикали (от родителей – детям)

Особенности репликации бактериальной ДНК.

Репликация – это воспроизведение ДНК путем самоудвоения.

Репликация ДНК у бактерий начинается в строго определенной точке хромосомы (локусе – oriC), носит полуконсервативный характер, идет одновременно в двух противоположных направлениях и заканчивается также в строго фиксированной точке (terminus).

Стадии репликации ДНК:

  1. Разрезание молекулы ДНК с помощью фермента рестриктазы.

  2. Раскручивание цепей ДНК с участием изомеразы и их разделение хеликазами с образованием репликаторной вилки.

  3. Стабилизация однонитевых участков ДНК ДНК-связывающим белком.

  4. Каждая из спиралей становиться матрицей, на которой достраивается молекула ДНК по закону комплементарности пар оснований:

    • особенность репликации ДНК является необходимость в затравке – коротких фрагментов РНК, которые синтезируются с помощью ДНК-праймазы;

    • репликация ДНК осуществляется с помощью фермента ДНК-полимеразы, которая осуществляет синтез ДНК только в направлении 5' → 3', а поскольку цепи ДНК антипараллельны репликация происходит своеобразно: на одной из матричной цепи («ведущей») синтез ДНК идет непрерывно, а на другой («отстающей») цепи ДНК-полимераза должна возвращаться, чтобы наращивать нить тоже в направлении 5' → 3', поэтому репликация идет прерывисто, короткими фрагментами (≈1-2 тыс. пар нуклеотидов, названные по имени открывшего их ученого фрагментами Оказаки) – участок РНК-затравки вырезается с помощью эндонуклеазы и заменяется сегментами Оказаки, сшивании их с матричной ДНК присходит с помощью лигаз.

  5. Суперспирализация вновь синтезированных нитей ДНК с участием топоизомеразы.

  6. Ревизия ДНК-полимеразой вновь синтезированных фрагментов ДНК (для исключения ошибочного включения нуклеотидов).


Внехромосомные факторы наследственности.

Внехромосомные факторы наследственности входят в состав многих микроорганизмов, особенно бактерий. Они представлены плазмидами и мигрирующими элементами – Is-последовательностями, транспозонами (Tn), конъюгативными транспозонами (CTn), интегронами (In), генными островами (ГО) и бактериофагами, которые являются молекулами ДНК, отличающиеся друг от друга молекулярной массой, объемом закодированной в них информации, способностью к самостоятельной репликации и другими признаками. Они не являются жизненно важными для бактериальной клетки элементами, поскольку не несут информации о синтезе ферментов, участвующих в пластическом или энергетическом метаболизме, но они могут передавать бактериям определенные селективные преимущества, например резистентность к антибиотикам.

Плазмиды – это автономные кольцевые молекулы двунитевой ДНК с молекулярной массой меньше, чем у нуклеоида (размеры варьируют от 1,5 до 200 mD=103-106 пар нуклеотидов), способные к саморепликации.

Спонтанная/индуцированная утрата плазмид называется элиминацией.

Особенности:

  • саморегулируемая репликация;

  • явление поверхностного исключения (не позволяют проникать в клетку, уже содержащую плазмиду, другой родственной ей плазмиде);

  • явление несовместимости (две близкородственные плазмиды не могут стабильно сосуществовать в одной клетке);

  • контроль числа копий плазмиды на хромосому клетки (реализуется собственными плазмидными генами репликации);

  • контроль стабильного сохранения плазмид в клетке;

  • контроль равномерного распределения дочерних плазмид в дочерние бактериальные клетки;

  • способность к самопереносу у конъюгативных плазмид;

  • способность к мобилизации на перенос у неконъюгативных плазмид (способность к передаче только в присутствии трансмиссивных плазмид, используя их аппарат конъюгации);

  • способность наделять клетку дополнительными важными для нее биологическими свойствами, способствующими выживанию бактерий.

Функции:

  • регуляторная (компенсируют нарушения метаболизма ДНК бактериальной клетки, регулируют саморепликацию, контролируют самоперенос или мобилизацию на самоперенос и другие функции самой плазмиды);

  • кодирующая (внесение в бактериальную клетку новой информации, наделяя ее дополнительными свойствами).

Классификация плазмид:

    • По молекулярной массе:

      • крупные (1-2 на клетку);

      • мелкие (до 30).

    • По способности передаваться от одной клетки к другой:

  • конъюгативные (трансмиссивные);

  • неконъюгативные (мобилизуемые).

    • По совместимости в одной клетке:

  • совместимые;

  • несовместимые (близкородственные).

    • По фенотипическому проявлению признака:

  • криптические (скрытые);

  • некриптические.

    • По детерминированному признаку:

  • R-плазмиды (от англ. resistance– противодействие, содержат гены – r-гены, ответственные за устойчивость к лекарственным препаратам).

Обусловленная R-плазмидами лекарственная устойчивость связана:

    • с изменением проницаемости поверхностных структур бактериальной клетки для антибиотиков;

    • с синтезом ферментов, разрушающих или модифицирующих антибиотики (β-лактамазы, ацетилирование хлорамфеникола).

  • Плазмиды патогенности – Ent и Hly (содержат tox-гены, ответственные за синтез токсинов – энтеротоксинов и гемолизинов соответственно);

  • Бактериоциногенные плазмиды (например, Col-плазмида у E. coli содержат гены, ответственные за синтез бактериоцинов).

Бактериоцины – антибиотические вещества белковой природы, синтезируемые бактериями и подавляющие рост и размножение близкородственных микроорганизмов, не лизирую последних. Синтез бактерицинов является для клетки-продуцента летальным, но потенциальные бактерии-продуценты, не продуцирующие их в данный момент, устойчивы к воздействию бактериоцинов. Обозначение бактериоцина определяется видовым название микроорганизма-продуцента:

Бактерия-продуцент

Бактериоцин

E. coli

колицин

St. aureus

стафилоцин

Y. pestis

пестицин

Kl. pneumoniae

пневмоцин

В отличии от других плазмид, факторы бактериоциногенности реже интегрируются в хромосому, редко элиминируются, многие не обладают конъюгативностью.

  • F-плазмида (половой фактор/фактор фертильности, содержит гены, контролирующие конъюгацию).

Варианты F-плазмид:

Состояние F-плазмиды в клетке

Обозначение бактериалной клетки

в автономном состоянии

F+-донор

в интегрированном в хромосому

Hfr-донор

в автономном состоянии с фрагментами хромосомной ДНК

F'-донор

отсутствует в клетке

F-реципиент

  • Плазмиды биодеградации (несут информацию об утилизации некоторых органических соединений, которые бактерии используют в качестве источников углеводов и энергии, например урологические штаммы E. coli содержат плазмиду гидролизации мочевины).

Мигрирующие генетические элементы – отдельные участки ДНК, способные осуществлять собственный перенос (транспозицию) внутри генома. Их транспозиция связана со способностью кодировать специфический фермент рекомбинации – транспозазу. В настоящее время к мигрирующим элементам относят: Is-элементы, транспозоны (Tn), конъюгативные транспозоны (CTn), интегроны (In), генные острова (ГО) и бактериофаги.

Транспозоны (Tn-элементы) – нуклеотидные посдедовательности, включающие 2000-20500 пар нуклеотидов. Состав – фрагмент ДНК (специфический, несущий гены) и два концевых Is-элемента. Могут находиться в свободном состоянии в виде кольцевой молекулы.

Особенности:

  • не способны к самостоятельной репликации (воспроизведению), только в составе хромосом;

  • несут генетическую информацию, необходимую для транспозиции (перемещение);

  • каждый транспозон содержит гены, привносящие важные для бактерий характеристики (устойчивость к антибиотикам, токсинообразование и т.д.);

  • содержат гены, определяющие фенотипические признаки (легче выявить).

Функции:

  • способны к перемещению с одного репликона (хромосомная ДНК) на другой (плазмиды, хромосома другой бактерии, бактериофаг) и наоборот: при включении в ДНК вызывают дупликации, а при перемещении – делеции и инверсии;

  • регуляторная;

  • кодирующая.

Is-элементы (от англ. insertion– вставка, sequenc – последовательность) – вставочные (инсерционные) последовательности, величиной до 1500 (800-1400) пар оснований.
Особенности:

  • самостоятельно не реплицируются;

  • не кодируют распознаваемых фенотипических признаков;

  • содержат гены, обеспечивающие их перемещение из одного участка ДНК в другой (транспозицию).

Функции:

  • регуляция активности генов бактериальной клетки;

  • индукция мутаций типа делеции (выпадение нуклеотидов) или инверсии (поворот участка ДНК на 1800) при перемещении и дупликации (повтор участка ДНК) при встраивании в хромосому;

  • координация взаимодействий плазмид, транспозонов и профагов (между собой и бактериальной хромосомой).

Бактериофаги (умеренные и дефектные) – мигрирующие генетические элементы, могут захватывать участки ДНК и переносить от одной бактериальной клетки к другой, вызывая ее лизогенизацию (приобретение новых свойств).
Понятие о генотипе и фенотипе, видах изменчивости.

Генотип – это совокупность генов, определяющих способность микроорганизмов к фенотипическому проявлению любого их признака.

Различают истинный генотип и плазмотип.

Истинный генотип – совокупность генов, сосредоточенных в бактериальной хромосоме и отвечающих за проявление жизненно важных признаков и свойств.

Плазмотип – совокупность внехромосомных генов, локализованных в плазмидах и транспозонах и отвечающих за нежизненно важные признаки и свойства, но придающие определенные преимущества перед другими особями популяции (устойчивость к антибиотикам).

Фенотип – это совокупность всех внешних и внутренних признаков микроорганизмов, которые проявляются в данных условиях и данный момент.

Ненаследственная (модификационная, фенотипическая) изменчивость – это временные ненаследуемые изменения признаков или свойств, не затрагивающие генотипа (не сопровождаются изменениями в первичной структуре ДНК) и возникающие под действием факторов окружающей среды.

Модификационная изменчивость не играет существенной роли в эволюции бактерий, так как не приводит к появлению новых видов. По существу это адаптивная (приспособительная) реакция бактерий на изменение условий окружающей среды, позволяющая быстро приспосабливаться и сохранять численность популяции. Внешне модификации чаще всего проявляются изменениями морфологических и биохимических свойств. При устранении фактора, вызвавшего изменения, бактерия возвращается к исходному фенотипу.

Например:

Способность патогенных бактерий под действием пенициллина или лизоцима образовывать L-формы, у которых отсутствует клеточная стенка, являющаяся мишенью для пенициллина. После устранения пенициллина L-формы переходят в исходный фенотип – начинают синтезировать клеточную стенку.

Ряд ученых к стандартным проявлениям модификационной изменчивости относят диссоциации.

Диссоциации (от англ. dissociation – расщепление) – это своеобразная форма модификационной изменчивости, проявляющаяся в образовании разных типов колоний на плотных питательных средах под воздействии неблагоприятных факторов (неоптимальная температура, рН, старении культуры, действие сывороток и бактериофагов и т.д.).

Это явление характерно прежде всего для энтеробактерий и в основе диссоциаций лежат мутации, приводящие к утрате генов, контролирующих синтез боковых цепей ЛПС клеточной стенки грамотрицательных бактерий.

  • S-колонии (от англ. smooth – гладкий, ровный) – выпуклые, правильной круглой формы с ровным краем и гладкой поверхностью;

  • M-колонии (от лат. mucoid – слизистый) – слизистые, вязкой консистенции, часто с концентрическими кольцами на поверхности;

  • D-колонии (от англ. dwarf – карлик) – карликовые, мелкие дочерни колонии вокруг основной;

  • L-колонии (названы в честь Листера) – микроскопические колонии с нежным кружевным краем и втянутым в среду центром, нередко коричнево-желтого цвета;

  • R-колонии (от англ. rough – грубый, неровный, шероховатый) – неправильной формы с неровным изрезанным краем и шероховатой, изрезанной, морщинистой поверперхностью, сухие, крошащиеся.

Большинство патогенных бактерий изначально существуют в S-форме (исключение возбудители чумы, сибирской язвы и туберкулеза, у которых исходная R-форма), поэтому диссоциации, обычно, протекают в направлении от S к R (при полной утрате способности синтезировать боковые цепи ЛПС клеточной стенки возникают R-формы, при частичной – промежуточные). Обратный переход от R- к S-форме наблюдается крайне редко.

Значение диссоциаций: R-формы более устойчивы к действию факторов окружающей среды. 

Наследственная (генотипическая) изменчивость – это изменения фенотипа, сопровождающиеся изменениями в структуре генотипа (первичной структуре ДНК) и передающиеся по наследству.

Генотипическая изменчивость не реверсирует к исходному фенотипу после устранения воздействующего фактора и играет важную роль в эволюции бактерий (появление новых видов). В основе генотипической изменчивости лежат мутации и рекомбинации.

Мутации (от лат. mutation – перемена) – изменения первичной структуры ДНК, проявляющиеся наследственно закрепленной утратой или изменением какого-либо признака или свойства. Мутации приводят к гибели 90-95% клеток популяции, однако выжившие клетки приобретают преимущества перед другими клетками популяции.

Факторы, приводящие к мутациям, получили название мутагенов.

Виды мутагенов:

  • физические (УФЛ, температура, магнитные поля, УЗ, ионизирующее излучение);

  • химические (акридиновые и анилиновые красители, аналоги азотистых оснований – азотная кислота, нитрофураны, нитрозосоединения – нитрозогуанидин, нитромочевина и др.);

  • биологические (бактериофаги, фитонциды, антибиотики – саркомицин).

Классификация мутаций:

    • По происхождению:

      • спонтанные – возникают без видимых вмешательств из вне, т.е. мутагенный фактор остается не установленным (частота ≈ 1:106-109);

      • индуцированные – возникают под действием различных известных мутагенов.

    • По локализации:

    • нуклеоидные (ядерные);

    • цитоплазматические (плазмидные).

    • По количеству мутировавших генов и характеру изменений в первичной структуре ДНК:

    • генные (точковые) – затрагивают только один ген и обусловлены заменой, выпадением или вставкой дополнительных оснований:

        • простая замена (транзиция) – замена пурина на пурин или пиримидина на пиримидин;

        • сложная замена (трансверсия) – замена пурина на пиримидин или наоборот;

        • замена одного кодона (аминокислоты) на другой;

        • сдвиг рамки считывания, что приводит к изменению всех последующих кодонов (нонсенс мутации);

        • возникновение бессмысленных кодонов, что приводит к прекращению трансляции в данной точке;

    • хромосомные – затрагивают несколько генов:

  • делеции – выпадение фрагмента ДНК;

  • инверсии – поворот фрагмента ДНК на 1800;

  • дупликации – повторение фрагмента ДНК;

  • транслокации – перемещение фрагмента ДНК из одной позиции в другую.

    • По направленности:

    • прямые – первичные мутации;

    • обратные – вторичные мутации, возникающие в этом же гене под действием другого мутагена, в результате чего может произойти восстановление исходного фенотипа (если восстанавливается фенотип без восстановления генотипа, мутация называется супрессорной).

    • По последствия для мутировавших клеток:

  • нейтральная – мутация произошла, а фенотипически не проявляется;

  • условно-летальные – частичная утрата признака или свойства;

  • летальные – полная утрата признака или свойства, если признак жизненно важный, то клетка погибает.



    • По фенотипическому проявлению:

  • морфологические – утрата или изменение морфологических структур клетки (форма, капсула, жгутики и др.);

  • биохимические – утрата или изменение способности синтезировать ферменты, аминокислоты и т.д.

Механизм мутаций – известно большое количество мутагенов, что обуславливает многообразие механизмов мутаций, например:

  • УФЛ приводят к образованию тиминовых димеров в ДНК (прочных связей между соседними тиминами в одной и той же цепи), которые препятствую работе ДНК-полимеразы, нарушая тем самым репликацию ДНК;

  • ионизирующее излучение вызывает одноцепочечные разрывы ДНК;

  • акридиновые красители вызывают выпадения или вставки оснований;

  • азотистая кислота приводит к дезаминированию азотистых оснований с заменой гуанин+цитозин на аденин+тимин (транзиция) и т.д.

Мутации, приводящие к повреждению исходной структуры ДНК, теоретически, должны привести к вымиранию бактериальной популяции. Однако на практике этого не происходит. Почему? Оказывается, иммунитет существует не только на уровне целостного организма, но и на уровне клетки. Здесь он направлен на защиту (восстановление) самого ценного, что имеется в клетке – ее генома. Процесс восстановления поврежденной ДНК получил название – репарация.

Репарация – это процесс восстановления поврежденной в результате мутации ДНК с помощью специальных ферментативных систем.

В настоящее время известно три основных направления восстановления поврежденной ДНК:

  • непосредственная прямая реверсия от поврежденной ДНК к исходной структуре (фотореактивация);

  • выпадение (эксцизия) повреждений с последующим восстановлением исходной структуры ДНК (эксцизионная темновая репарация и эксцизионная репарация, опосредованная ДНК-гликозилазой);

  • активация механизмов, обеспечивающих устойчивость к повреждениям (пострепликативная рекомбинационная репарация – обеспечивает репарации в процессе рекомбинаций, SOS-репарация – склонная к ошибкам: восполнение дефекта наугад, хаотично, поэтому характерны ошибки, mismatch-репарация – корригирует ошибочные пары оснований).

На сегодняшний момент наиболее изучены фотореактивация и темновая репарация.

Фотореактивация (световая, пострепликативная репарация)– открыта Келнером в 1949 г., представляет собой наиболее простой механизм, действие которого может распространяться даже на одноцепочечную ДНК. Протекает в одну стадию на свету: при облучении видимым светом происходит активация фермента – фотолиазы, которая расщепляет пиримидиновые димеры до мономеров.

Фотореактивация характеризуется высокой специфичностью и полным восстановлением исходной структуры ДНК без дополнительных ее изменений.

Эксцизионная темновая (дорепликативная) репарация – протекает в несколько стадий без участия света, т.е. в темноте:

  1. Вырезание и удаление (расщепление) поврежденного участка ДНК с помощью эндо- и экзонуклеазы.

  2. Зачистка прилегающих участков и восстановление удаленного участка по матрице второй нити ДНК с помощью ДНК-полимеразы I.

  3. Сшивание вновь синтезированного участка с исходной цепью ДНК с помощью лигазы.

Микроорганизмам, как и клеткам высших организмов свойственны генетические рекомбинации, но у прокариот они имеют свои особенности, зависящие от способа размножения и закономерностей передачи генетического материала.

Рекомбинационная изменчивость – это генотипическая изменчивость, возникающая при встраивании чужеродной ДНК в генном клетки-хозяина (суть – это односторонний обмен генетическим материалом между донором и реципиентом, отличающихся друг от друга по одному или нескольким признаком, для создания нового индивидуума – рекомбинанта, наделенного свойствами и донора и реципиента).

Если генетические рекомбинации у эукариот совершаются в ходе полового размножения с образованием двух рекомбинантных особей, то прокариотам не свойственно половое размножение и рекомбинации у них приводят к образованию только одной рекомбинантной особи, геном которой представлен геномом реципиента с включенным в него фрагментом ДНК донора.

Передача генетического материала от одной бактерии другим происходит путем трансформации, трансдукции и конъюгации.

Трансформация (впервые открыта Ф. Гриффитсом в 1928 г. в опытах с живыми авирулентными (бескапсульными) и убитыми вирулентными (капсульными) пневмококками на белых мышах) – это непосредственная передача генетического материала (предварительно выделенной и очищенной ДНК) от одной бактерии (донор) другой (реципиент) / изменение свойств одной бактериальной клетки под влиянием ДНК, выделенной из другой бактериальной клетки.

Трансформация происходит только в опытах с бактериями одного и того же вида, имеющих разный генотип.

Условия трансформации:

  • клетка реципиента должна быть компетентной (иметь на поверхности клеточной стенки рецепторы для адсорбции и проникновения донорской ДНК);

  • донорская ДНК должна иметь молекулярную массу не менее 106 D;

  • наличие двойной спирали ДНК;

  • наличие в ДНК донора и реципиента гомологичных участков.

Фазы трансформации:

    1. Адсорбция двуцепочечной ДНК донора на рецепторах компетентной клетки-реципиента и ферментное расщепление связавшейся ДНК с образованием фрагментов с молекулярной массой 4-5×106 D.

    2. Проникновение фрагментов ДНК донора в клетку-реципиента с разрушением одной из цепей.

    3. Соединение ДНК донора с гомологичным участком хромосомы реципиента.

Трансдукция (открыта Н. Циндером и Д. Ледербергом в 1951 г.) – это передача генетического материала от одной бактерии (донор) другой (реципиент) с помощью дефектных бактериофагов (умеренный бактериофаг, у которого в процессе репродукции в момент сборки фаговых частиц в головку вместе с фаговой ДНК проникает какой-либо фрагмент донорской ДНК и при этом утративший часть своего генома).

Различают три типа трансдукции:

  • специфическая – бактериофаги переносят от бактерии-донора к бактерии-реципиенту строго определенные гены (гены, расположенные на хромосоме клетки-донора рядом с профагом) и могут встраиваться только в строго определенный локус хромосомы бактерии-реципиента;

  • неспецифическая (генерализованная) – вместе с фаговой ДНК в клетку-реципиент могут быть перенесены любые гены донора, способные встраиваться в любую точку ДНК;

  • абортивная – принесенный фагом фрагмент ДНК бактерии-донора не включается в хромосому бактерии-реципиента, а располагается в ее цитоплазме и может в таком виде функционировать (при делении бактериальной клетки фрагмент ДНК донора передается только одной из двух дочерних клеток и в конечном итоге утрачивается).

Конъюгация (1946 г. Д. Ледерберг и Э. Тейтмут) это непосредственная передача генетического материала от донора к реципиенту через конъюгативные мостики (пили II типа).

Клетке-донору необходимо наличие F-плазмиды (полового фактора). Бактерии, не имеющие F-плазмиды, являются реципиентами.

Этапы конъюгации автономных плазмид:

  1. Прикрепление клетки-донора к клетке-реципиенту при помощи половых ворсинок.

  2. Образование между клетками конъюгативного мостика.

  3. Передача через конъюгативный мостик от донора к реципиенту F-плазмиды и других плазмид, находящихся в цитоплазме бактерии-донора в автономном состоянии.

При переносе F-плазмиды в состоянии Hfr (интегрированном в хромосому) сначала происходит разрыв одной из цепей ДНК при помощи эндонуклеаз, дистальный конец которой проникает в клетку-реципиента через конъюгативный мостик и достраивается до двунитевой. Оставшаяся в клетке донора неповрежденная нить ДНК служит матрицей для восстановления поврежденной нити. В этом случае частота переноса полового фактора очень низкая, а частота образования рекомбинантов – высокая, т.к. реципиенту передаются только гены бактериальной хромосомы.





перейти в каталог файлов


связь с админом