Генетика микроорганизмов

Лекция №15

Генетические аппарат бактерий представлен одной двухцепочечной молекулой ДНК, которая отождествляется одной замкнутой кольцевой хромосомой, и плазмидами.

Бактериальная хромосома:

· Находится в суперспирализованной форме;

· Не отграничена от цитоплазмы мембраной;

· Связана с определенными рецепторами на ЦПМ;

· Масса до 5·10⁶ пар нуклеотидов;

· Содержит до 4000 отдельных генов (структурных и регуляторных);

Ген – фрагмент молекулы ДНК, который контролирует синтез 1-го белка или пептида.

Генотип – совокупность всех генов присущих данному организму.

Фенотип – совокупность реализованных у организма генетически детерминированных признаков.

v Воспроизведение генетического материала осуществляется в процессе репликации.

v Репликация протекает по полуконсервативному механизму:

§ 2 цепочки ДНК расходятся и на каждой матрице формируется новая цепь ДНК.

§ В результате образуется 2 абсолютно идентичные молекулы ДНК.

Содержание ДНК и бактерий зависит от условий их роста. При благоприятных условиях оно возрастает до увеличения соответствующей массы нескольких хромосом. Одновременно увеличивается и количество рибосом. В результате создаются условия для одновременной транскрипции и трансляции нескольких копий à повышается суммарная скорость размножения микробов.

Возможность регулировать скорость собственного размножения – это уникальное свойство бактериального генома.

Транскрипция генетического материала

Хромосома бактерий состоит из особых функциональных единиц – оперонов.

Оперон – это единица транскрипции.

1 оперон кодирует синтез 1 молекулу иРНК в соответствии с потребностями клетки.

У некоторых бактерий в составе генома обнаружены подвижные элементы (транспозоны) IS – элементы.

Это молекула ДНК, которая входит в состав генома. Функционирует только вместе с хромосомой, способна перемещаться в различные ее участки. Переходить из хромосомы в плазмиду и обратно.

Генетическая информация содержится в них, не обязательна для жизнедеятельности бактерий.

Но важная роль этих элементов – они расширяют возможности существования бактериального вида, обеспечивают обмен генетического материала, тем самым играя определенную роль в эволюции бактерий.

IS-элементы – молекулы ДНК длиной до 1000 пар нуклеотидов, которые содержат информацию только для собственного перемещения.

Функции IS-элементов:

1. Координация взаимодействия транспозонов, бактериофагов, плазмид между собой и с бактерией.

2. Инициация транскрипции или «выключения» генов, в которых произошло встраивание этого элемента.

3. Индукция мутаций.

Транспозоны – молекулы ДНК длиной до 20000 пар нуклеотидов, содержащие информацию для собственного перемещения, а также структурные гены.

Транспозоны координируют:

1. Синтез токсинов;

2. Синтез ферментов, расщепление углеводов;

3. Синтез ферментов, разрушающих антибиотики, что приводит к формированию в условиях стационаров госпитальных штаммов микробов..

Плазмиды – дополнительные молекулы ДНК длиной до 40000 пар нуклеотидов.

Плазмиды бывают:

~ Интегрированные – находятся в составе хромосом. Самостоятельно не перемещаются из клетки в клетку и не реплицируются.

~ Конъюгантивные (трансмиссивные) – находятся отдельно от хромосом. Способны к автономной репликации и перемещению из одной клетки в другую.

Они используются в генной инженерии в качестве вектора (молекулы ДНК способные переносить из клетки в клетку любую чужеродную информацию и обеспечивать ее умножение).

Плазмиды распространяются среди бактерий 2-мя способами:

1. По вертикали – от материнской к дочерней в процессе клеточного деления.

2. По горизонтали – между взрослыми особями при трансформации, транскрипции и конъюгации.

Функции плазмид:

1) Регуляторная – компенсация метаболических дефектов бактерий.

2) Кодирующая – внесение в бактерию информации о новых признаках.

Категории плазмид

Совокупность плазмид, входящих в состав одной бактериальной клетки – плазмотип.

Установлено, что гены патогенности объединяются в группы сцепления – острова патогенности. Они кодируют синтез токсинов, факторов адгезии, инвазии и транспортной системы 3-его типа, которая отвечает за доставку факторов патогенности в эукариотическую клетку.

Предполагается, что острова патогенности играют ведущую роль в эволюции патогенов. Попадая в сапрофитную клетку, они наделяют ее целым комплексом свойств необходимых для паразитирования, а это прямой путь к возникновению новых типов возбудителей инфекционных заболеваний.

Виды изменчивости бактерий:

1. Фенотипическая:

~ Морфологическая;

~ Биохимическая;

~ Культуральная;

2. Генотипическая:

~ Мутации;

~ Генетические рекомбинации;

Фенотипическая изменчивость (модификация) – временные, наследственные, незакрепленные изменения, возникающие в овтет на изменения условий окружающей среды.

· Возникает на уровне фенотипа, не затрагивая клеточного генотипа.

· Проявляется в изменении морфологических, биохимических и культуральных свойств;

· Сохраняется временно и исчезает после устранения фактора, вызвавшего ее образование;

Генотипическая изменчивость бактерий возникает на уровне генотипа и передается из поколения в поколение.

Мутации – скачкообразные изменения в гене материнской клетки, приводящие к появлению новых признаков.

Классификация мутаций:

o Спонтанные, т.е возникающие самопроизвольно, без какого-либо воздействия;

o Индуцированные, возникающие под действием мутагенов;

Мутагены:

· Физические (УФ-лучи, ионизирующая радиация);

· Химические (аналоги пуриновых и пиримидиновых оснований);

· Биологические (транспозоны, IS-элементы, плазмиды);

o Точковые мутации – 1 ген;

o Хромосомные мутации – более 1 гена (инверсии);

o Прямые – потеря признаков;

o Обратные – восстановление признака;

Генетические рекомбинации – наследственная изменчивость, возникающая в результате переноса части генетического материала из клетки донора в клетку реципиента по горизонтали. В результате возникает неполная зигота – мерозигота.

При генетических рекомбинациях передается:

§ Способность к синтезу токсинов, капсульных полисахаридов, аминокислот;

§ Антибиотикорезистентность;

§ Способность ферментировать различные углеводы и белки;

Трансформация – перенос части генома донора в клетку реципиента без их непосредственного контакта.

Этапы:

1. Адсорбция ДНК-донора на клетки реципиента;

2. Ферментативное расщепление ДНК донора на мелкие фрагменты;

3. Проникновение в клетку;

4. Встраивание в геном реципиента;

5. Экспрессия – интенсивное размножение трансформированных клеток.

Трансдукция – передача бактериальной ДНК посредством бактериофага. В процессе репликации фага внутри бактерий фрагмент бактериальной ДНК проникает в фаговую частицу и переносится вместе с ней в бактерию – реципиент.

3 типа трансдукции:

· Общая (неспецифическая) трансдукция – перенос вирулентным фагам фрагмента любой части бактериальной хромосомы;

· Специфическая трансдукция – перенос умеренным фагам фрагмента хромосомы, находящегося рядом с ним;

· Абортивная трансдукция – внесенный фрагмент ДНК донора не встраивается в хромосому реципиента, а остается в цитоплазме и там самостоятельно функционирует, в конечном счете утрачивается в потомстве;

Конъюгация – перенос генетического материала путем прямого контакта между 2-мя клетками.

Необходимым условием конъюгации является наличие в клетке-доноре трансмиссивной плазмиды или F-плазмиды.

Трансмиссивные плазмиды кодируют половые пили, образующие кнъюгационный мостик между клеткой-донором и клеткой-реципиентом.

Этапы:

· Прикрепление конца половой ворсинки к реципиентной клетке;

· Образование между клетками цитоплазматического мостика;

· Передача плазмид, находящихся в автономном состоянии (F, R, Col, Tox и др.);

Если F-плазмиды, находящиеся в клетке в интегрированном состоянии, то при конъюгации она не передается, но определяет участок хромосомы для передачи в реципиентную клетку.

Практическое значение генетической изменчивости:

ü Индуцированный мутагенез применяется для создания высокопродуктивных, промышленных штаммов микроорганизмов: продуцентов антибиотиков, витаминов, ферментов, аминокислот, а также вакцинных штаммов.

ü Генетические рекомбинации используют в генной инженерии для создания объектов с заранее известными наследственными свойствами не характерными для этих органов.

Генетические основы микробной резистентности и пути ее преодоления.

Микробная резистентность (устойчивость) – это способность микроорганизмов переносить значительно большие концентрации препарата, чем другие микроорганизмы данного вида, или развивается при таких концентрациях, которые возникают в макроорганизме после введения антибиотиков, сульфаниламидов или нитрофуранов в терапевтических дозах.

Бактериальная устойчивость бывает природной и приобретенной. Природная устойчивость является видовым признаком. Такое нормальное поведение микробов в присутствии антибиотиков называется диким фенотипом и обусловлено генами.

Приобретенная устойчивость возникает в 2 случаях:

1. В результате мутаций в хромосоме под влиянием антибиотиков. В этом случае устойчивость является стабильной;

2. В результате приобретения бактериями R-плазмид и транспозонов, несущих гены резистентности;

Механизм устойчивости бактерий к антимикробным препаратам:

1) Перестройка мишеней (клеточная стенка, рибосомы). Этот тип устойчивости возникает к аминогликозидам, макролидам, β-лактамам. И обусловлен мутациями хромосом, плазмидами, или является природным.

2) Нарушение проникновения антибиотиков через мембрану в результате утраты белков поринов. Возникает к пенициллинам, макролидам, обусловлены мутациями в хромосомах, либо является природной.

3) Инактивация антибиотиков бактериальными ферментами. Возникает к макролидам, фениколам. Плазмидами, мутациями или является природными механизмами.

4) Активный выброс или вытеснение антибиотиков ферментными системами мембран бактерий. Возникает к фторциклинам, макролидам, сульфаниламидам. Обусловден плазмидами или транспозонами.

5) Альтернативные пути метаболизма. Этот механизм обусловлен развитием микроорганизмом ферментативных путей метаболизма, которые не блокируются антибиотиками.

Поиск по сайту: