рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

Лекция обсуждена на

Лекция обсуждена на - Лекция, раздел Биотехнологии, Лекции № 6 Генетика микроорганизмов-1 Кафедральном Совещании « »____________ 2009 Г   ...

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.

Основными 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.

До 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.

Окончательный 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, служитматериальным носителемнаследственной 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.

Успехи 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.

Позднее 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.

Трансмиссивность 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.

Особое 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.

 

Строение генома бактерий

Бактериальный геном состоит из генети­ческих элементов, способных к самостоятель­ной репликации (син. воспроизведение), т. е. репликонов. Репликонами являются бактери­альная хромосома и плазмиды.

Наследственная информация хранится у бактерий в форме последовательности нуклеотидов ДНК, которые определяют после­довательность аминокислот в белке. Каждому белку соответствует свой ген, т. е. дискретный участок на ДНК, отличаю­щийся числом и специфичностью последова­тельности нуклеотидов. ДНК является материальной основой наследственности, ко­торая определяет генетические свойства всех организмов, за ис­ключением РНК-содержащих вирусов, у которых вся генетиче­ская информация записана в РНК.

Кроме того, молекулы ДНК не только переносят информацию, но и воспроизводят себя. Таким образом, копии молекул ДНК передаются каждой новой клетке и последующим поколениям организмов. Это положение и составляет основу современного учения о наследственности.

Наследственный аппарат бактерий представлен одной хромо­сомой, которая представляет собой молекулу ДНК, она спирализована и свернута в кольцо. Это кольцо в одной точке прикрепле­но к цитоплазматической мембране. На бактериальной хромосоме располагаются отдельные гены.

Ген – фрагмент молекулы ДНК, контролирующий синтез одного белка или пептида. Генетическая информация относительно всех признаков, присущих клетке или вириону, записана в генах. Гены, несущие информацию о синтезируемых микроорганизмами ферментах или структурных белках, называются структурными ге­нами, их транскрипции регулируются регуляторными генами.

Полный набор ДНК образует геном клетки. В то же время геном – это физическая структура, содержащая все гены. Наследственная, или генетическая, информация определяет, как производить структуры жизни, да и сам геном. Как только клетка накапливает достаточно новых веществ и структур, она делится, после чего процесс начинаются заново.

Поэтому можно сказать, что клетка, эта фундаментальная единица жизни, представляет собой не что иное, как механизм, запрограммированный на самовоспроизводство.

Функциональными единицами генома бактерий, кроме хро­мосомных генов, являются:

IS-последовательности (инсерционные);

транспозоны (Tn);

плазмиды (pla).

IS-последовательности – это короткие фрагменты ДНК. Они не несут структурных (кодирующих белок) генов, а содержат только гены, ответственные за транспозицию (способность пере­мещаться по хромосоме и встраиваться в различные ее участки).

Транспозоны – это более крупные молекулы ДНК. Помимо генов, ответственных за транспозицию, они содержат и структур­ный ген. Транспозоны способны перемещаться по хромосоме. Их положение сказывается на экспрессии генов. Транспозоны могут существовать и вне хромосомы (автономно), но неспособны к ав­тономной репликации.

Плазмиды – дополнительный внехромосомный генетиче­ский материал. Представляет собой кольцевую, двунитевую молекулуДНК, гены которой кодируют дополнительные свойства, придавая селективные преимущества клеткам.

Плазмиды способны к автономной репликации, т. е. независимо от хромосомы или под слабым ее контролем. За счет автономной репликации плазмиды могут давать явление амплификации: одна и та же плазмида может находиться в нескольких копиях, тем самым усиливая проявление данного признака.

Среди фенотипических признаков, сообщаемых бактериальной клетке плазмидами, можно выделить следующие:

1) устойчивость к антибиотикам;

2) образование колицинов;

3) продукция факторов патогенности;

4) способность к синтезу антибиотических веществ;

5) расщепление сложных органических веществ;

6) образование ферментов рестрикции и модификации.

Теперь охарактеризуем более подробно функциональные единицы генома бактерий.

Бактериальная хромосома

Бактериальная хромосома представлена одной двухцепочечной молекулой ДНК кольцевой фор­мы. Размеры бактериальной хромосомы у различ­ных представителей царства Procaryotae варьируют от 3 × 108 до 2,5 × 109 Da, что соответствует 3,2 × 106 нуклеотидных пар (н.п.). Например, у Е. coli бак­териальная хромосома содержит 5 × 106 н.п. Для сравнения: размеры ДНК вирусов составляют порядка 103 н.п., дрожжей – 107 н.п., а суммарная длина хромосомных ДНК человека составляет 3 × 109 н.п. Бактериальная хромосома формиру­ет компактный нуклеоид бактериальной клетки. Бактериальная хромосома имеет гаплоидный на­бор генов. Она кодирует жизненно важные для бактериальной клетки функции.

Плазмиды бактерий

Плазмиды представляют собой двухцепочечные молекулы ДНК размером от 103 до 106 н.п. Они кодируют не основные для жизнедеятельности бактериальной клетки функции, но придающие бактерии преиму­щества при попадании в неблагоприятные условия.

В зависимости от свойств признаков, которые кодируют плазмиды, различают:

R-плазмиды. Обеспечивают лекарственную устойчивость; мо­гут содержать гены, ответственные за синтез ферментов, раз­рушающих лекарственные вещества, могут менять проницае­мость мембран;

F-плазмиды. Кодируют пол бактерий. Мужские клетки (F+) содержат F-плазмиду, женские (F-) – не содержат. Мужские клетки выступают в роли донора генетического материала при конъюгации, а женские – реципиента. Они отличаются поверхностным электрическим зарядом и поэтому притяги­ваются. От донора переходит сама F-плазмида, если она на­ходится в автономном состоянии в клетке. F-плазмиды способны интегрировать в хромосому клетки и выходить из интегрированного состояния в автономное. При этом захватываются хромосомные гены, которые клетка может отдавать при конъюгации;

Col-плазмиды. Кодируют синтез бактериоцинов. Это бактери­цидные вещества, действующие на близкородственные бак­терии;

Тох-плазмиды. Кодируют выработку экзотоксинов;

Плазмиды биодеградации. Кодируют ферменты, с помощью ко­торых бактерии могут утилизировать ксенобиотики.

Потеря клеткой плазмиды не приводит к ее гибели. В одной и той же клетке могут находиться разные плазмиды.

Плазмиды физически либо не связаны с хромосомой (автономное состояние), либо входят в её состав (интегрированное состояние). В автономном состоянии они самостоятельно реплицируются. (В отличие от плазмид транспозоны и Is-последовательности во всех случаях связаны только с хромосомой и не способны к самопроизвольной репликации).

Репликацию плазмидной ДНК осуществляет тот же набор ферментов, что и репликацию бактериальной хромосомы, однако репликация плазмиды ходит независимо от хромосомы.

Некоторые плазмиды находятся под строгим контролем. Это означает, что их репликация сопряжена с репликацией хромосомы так, что в каждой бактериальной клетке присутствует одна или, по крайней мере, несколько копий плазмид.

Число копий плазмид, находящихся под слабым контролем, может достигать 200 на бактериальную клетку.

Некоторые плазмиды могут обратимо встраиваться в бактериальную хромосому и функционировать в виде единого репликона. Такие плазмиды называются интегративными или эписомами.

Некоторые бактериальные плазмиды способны передаваться из одной клетки в другую, иногда даже принадлежащую иной таксоно­мической единице. Такие плазмиды назы­ваются трансмиссивными (конъюгативными, син.) Трансмиссивность присуща лишь крупным плазмидам, имеющим tra-оперон, в который объединены гены, ответственные за перенос плазмиды. Эти гены кодируют половые пили, которые образуют мостик с клеткой, не содержащей трансмиссивную плазмиду, по которой плазмидная ДНК передается в новую клетку. Этот процесс называется конъюгацией; подробно он будет рассмотрен далее.

Мелкие плазмиды, не несущие tra-гены, не могут передаваться сами по себе, но способны к передаче в присутствии трансмиссивных плазмид, используя их аппарат конъюгации. Такие плазмиды называются мобилизуемыми, а сам процесс – мобилизацией нетрансмис­сивной плазмиды.

Особое значение в медицинской микроби­ологии имеют плазмиды, обеспечивающие устойчивость бактерий к антибиотикам, ко­торые получили название R-плазмид, и плаз­миды, обеспечивающие продукцию факторов патогенности, способствующих развитию ин­фекционного процесса в макроорганизме.

R-плазмиды (resistance – противодействие, англ.) содержат гены, детерминирующие син­тез ферментов, разрушающих антибактери­альные препараты (например, антибиотики).

В результате наличия такой плазмиды бакте­риальная клетка становится устойчивой (резис­тентной) к действию целой группы лекарствен­ных веществ, а иногда и нескольким препаратам. Многие R-плазмиды являются трансмиссивными, распространяясь в популяции бактерий, делая ее недоступной к воздействию антибактериальных препаратов. Бактериальные штаммы, несущие R-плазмиды, очень часто являются этиологическими агентами внутрибольничных инфекций.

Плазмиды, детерминирующие синтез фак­торов патогенности, в настоящее время об­наружены у многих бактерий, являющихся возбудителями инфекционных заболеваний человека. Патогенность возбудителей шигел-лезов, иерсиниозов, чумы, сибирской язвы, иксодового боррелиоза, кишечных эшерихиозов связана с наличием у них и функциони­рованием плазмид патогенности. Первыми, из этой группы плазмид были определены Ent-плазмида, определяющая синтез энтеротоксина, и Нlу-плазмида, детерминирующая синтез гемолизина у Е. coli.

Некоторые бактериальные клетки содержат плазмиды, детерминирующие синтез бакте­рицидных по отношению к другим бактериям веществ. Например, некоторые Е. coli вла­деют Col-плазмидой, определяющей синтез колицинов, обладающих микробоцидной ак­тивностью по отношению к колиформным бактериям. Бактериальные клетки, несущие такие плазмиды, обладают преимуществами при заселении экологических ниш.

Плазмиды используются в практической деятельности человека, в частности в генной инженерии, при конструировании специаль­ных рекомбинантных бактериальных штам­мов, вырабатывающих в больших количествах биологически активные вещества.

Подвижные генетические элементы

В состав бактериального генома, как в бак­териальную хромосому, так и в плазмиды, входят подвижные генетические элементы. К подвижным генетическим элементам от­носятся вставочные последовательности и транспозоны.

Вставочные (инсерционные) последова­тельности, IS-элементы (insertion sequences, англ.) – это участки ДНК, способные как целое перемещаться из одного участка репликона в другой, а также между репликонами. IS-элементы имеют размеры ÷1000 н.п. и содержат лишь те гены, которые необходимы для их собственного перемещения – транс­позиции: ген, кодирующий фермент транспозазу, обеспечивающую процесс исключения IS-элемента из ДНК и его интеграцию в но­вый локус, и ген, детерминирующий синтез репрессора, который регулирует весь процесс перемещения.

Отличительной особенностью IS-элементов является наличие на концах вставочной последовательности инвертированных повто­ров. Эти инвертированные повторы узнает фермент транспозаза. Транспозаза осуществляет одноцепочечные разрывы це­пей ДНК, расположенных по обе стороны от подвижного элемента. Оригинальная копия IS-элемента остается на прежнем месте, а ее реплицированный дупликат перемещается на новый участок.

Перемещение подвижных генетических элементов принято называть репликативной или незаконной рекомбинацией. Однако в отличие от бактериальной хромосомы и плаз­мид подвижные генетические элементы не являются самостоятельными репликонами, так как их репликация – составной элемент репликации ДНК репликона, в составе кото­рого они находятся.

Известно несколько разновидностей IS-элементов, которые различаются по раз­мерам и по типам и количеству инвертиро­ванных повторов.

Транспозоны – это сегменты ДНК, облада­ющие теми же свойствами, что и IS-элемен­ты, но имеющие структурные гены, т. е. гены, обеспечивающие синтез молекул, обладаю­щих специфическим биологическим свойс­твом, например токсичностью, или обеспечи­вающих устойчивость к антибиотикам.

Перемещаясь по репликону или между реп­ликонами, подвижные генетические элемен­ты вызывают:

Инактивацию генов тех участков ДНК, куда они, переместившись, встраиваются.

Образование повреждений генетического материала.

Слияние репликонов, т. е. встраивание плазмиды в хромосому.

Распространение генов в популяции бак­терий, что может приводить к изменению биологических свойств популяции, смене возбудителей инфекционных заболеваний, а также способствует эволюционным процессам среди микробов.

Развернуть
Открыть в широком формате

– Конец работы –

Эта тема принадлежит разделу:

Лекции № 6 Генетика микроорганизмов-1

Кафедра микробиологии иммунологии и вирусологии... Лекции Генетика микроорганизмов... История...

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Лекция обсуждена на

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Изменчивость бактерий
Различают два вида изменчивости – фенотипическую и генотипическую. Фенотипическая изменчивость – модификации

Мутации у бактерий
Мутации– это изменения в последовательности отдельных нуклеотидов ДНК, которые ведут к таким проявлениям, как изменения морфологии бактериальной клетки, возникновение потребнос

Гомологичная рекомбинация
При гомологичной рекомбинации в процессе раз­рыва и воссоединения ДНК происходит обмен меж­ду участками ДНК, обладающими высокой степенью гомологии. Гомологичная рекомбинация происхо­дит через обра

Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • Популярное
  • Облако тегов
  • Здесь
  • Временно
  • Пусто
Теги