Тема: «Генетика бактерий»

Цель:   

          – ознакомить с особенностями генетического аппарата бактерий,

              механизмами рекомбинации, ролью генной инженерии в

             современной медицине и биотехнологии.

Знать:

         – механизмы изменчивости бактерий, виды рекомбина­ций;

    – значение конъюгативных плазмид в распростра­нении

       антибиотикорезистентности и биологии бакте­рий.

Уметь:

          – отличить модификационную изменчивость от мутаци­онной;

          – оценить бактериоциногенность культур;

          – дока­зать плазмидную природу антибиотикорезистент­ности.

 

Генетический аппарат бактерий имеет ряд особенностей ор­ганизации.

Особенности генетического аппарата бактерий:

1) цитологические:

- наследственный аппарат бактерий представлен нуклеоидом;

- в отличие от ядра нуклеоид не имеет ядерной мембраны;

- в нуклеоиде нет ядрышек;

- в нуклеоиде одна хромосома;

- в бактериальной клетке может быть дополнительное на­следственное вещество – плазмида;

- молекула ДНК хромосомы и плазмиды прикрепляются к ЦПМ.

2) молекулярные:

- хромосома бактерий имеет кольцевую структуру;

- хромосома бактерий — чистая двунитчатая ДНК, не со­держит гистонов;

- в ДНК бактерий повышенное содержание метиллированных (минорных) азотистых оснований, они выполняют защит­ную функцию гистонов;

- ДНК бактерий содержит Is-последовательности, строение которых аналогично таким же участкам ДНК у высших орга­низмов;

- отмечается выраженная изменчивость нуклеотидного со­става: соотношение гуанина и цитозина (Г/Ц-индекс) у бактерий имеет видовые отличия.

Важное место в генетике бактерий занимают плазмиды – дополнительные, внехромосомные элементы наследственности. Плазмида, как и хромосома, представлена кольцевой молекулой двунитчатой ДНК, но ее размеры значительно меньше хромосо­мы. Плазмида содержит структурные гены, кодирующие тот или иной признак, гены автономной репликации, Is-последователь­ности. У некоторых плазмид есть гены, ответственные за ее трансмиссивность (перенос, передачу). Такие плазмиды назы­ваются трансмиссивными (конъюгативными).

Основные свойства плазмид:

1. гены плазмид несут не обязательную для клетки инфор­мацию, а лишь сообщают ей селективные преимущества; без плазмид клетка существовать может, а без хромосомы нет;

2. плазмидная ДНК имеет значительно меньшую молеку­лярную массу, чем хромосомная;

3. плазмиды способны к автономной репликации, или их репликация находится под ослабленным контролем хромосомы;

4. для плазмид с низкой молекулярной массой характерно явление амплификации (многокопийности);

5. некоторые плазмиды (F-, R-факторы) способны нахо­диться как в автономном, так и интегрированном с хромосомой состоянии; штаммы, у которых F-фактор интегрирован с хромо­сомой, – Hfr-штаммы;

6. молекула ДНК плазмид более подвержена воздействию физических и химических агентов, чем хромосомы; частота плазмидных мутаций выше, чем хромосомных;

7. некоторые физические (УФ, СВЧ и др.) и химические (акридиловые красители) агенты вызывают элиминацию (удаление, потерю) плазмид;

8. плазмиды могут содержать tra-гены и самостоятельно пе­редаваться в процессе конъюгации, это конъюгативные плазми­ды; частота передачи плазмидных генов выше, чем хромо­сомных; трансмиссивность (передача, перенос) плазмид может быть связана и с переносом их в клетки умеренными трансдуцирующими фагами;

9. в клетке могут находиться несколько разных плазмид, но некоторые плазмиды несовместимы между собой; по этому приз­наку различают группы несовместимости плазмид.

Плазмиды могут детерминировать разные свойства бакте­рий.

Различают:

1. R-плазмиды – кодируют лекарственную устойчивость.

2. F-плазмида – определяет пол бактерий.

3. Col-плазмиды – детерминируют синтез бактериоцинов.

4. Hly-плазмиды – кодируют синтез гемолизинов.

5. Ent-плазмида – детерминирует синтез энтеротоксина.

6. Плазмиды биодеградации – обусловливают расщепление сложных ароматических и других соединений, например, нефти, парафина, ПАВ и др.

Плазмиды играют важную роль в процессах рекомбинации (обмена генетической информацией) у бактерий.

У бактерий, как и у всех живых организмов, есть 2 типа из­менчивости: фенотипическая и генотипическая. Фенотипическая изменчивость – это изменение только каких-либо внешних признаков, она не затрагивает генотип. Генотипическая измен­чивость затрагивает не только фенотип, но и генотип. Она связа­на с изменениями генетического аппарата.

Проявлениями фенотипической изменчивости у бактерий являются модификации: кратковременные (в пределах одного поколения) и длительные (сохраняются в поколениях).

Отличия длительной модификации от мутации:

1. отсутствие изменений в структурных генах генотипа;

2. приобретение новых свойств большим числом особей в популяции;

3. «затухание» (исчезновение) признака в ряду поколений.

Примером фенотипической изменчивости бактерий являет­ся диссоциация – расщепление признака – при изменении усло­вий культивирования: переход S-форм с гладкими колониями в R-формы с шероховатыми колониями, потеря пигмента, появле­ние неподвижных вариантов у подвижных бактерий и т. д.

Генотипическая изменчивость бактерий связана с мутациями и рекомбинациями.

Мутации у бактерий могут быть спонтанные и индуциро­ванные известным мутагеном. По локализации различают:

1. генные – затрагивают один ген;

2. хромосомные – затрагивают группу генов;

3. плазмидные – затрагивают гены плазмид.

Механизм мутаций Вам известен. Это: а) деления – потеря гена или участка ДНК; б) дупликация – удвоение генетического фрагмента;             в) транспозиция – изменение положения гена; г) инверсия – переворот участка ДНК на 180°; д) вставка нового гена.

Фенотипическое проявление мутаций чаще ведет к потере признака – прямая мутация или к его восстановлению – обрат­ная мутация. Так как у бактерий одна хромосома, то частота фенотипических проявлений мутаций высока, а делеция большого участка хромосомы летальна для бактерий.

Вторым механизмом генотипической изменчивости у бакте­рий являются рекомбинации.

Особенности рекомбинаций у бактерий:

1. однонаправленность переноса генетической информации (от донора к реципиенту);

2. неодинаковое долевое участие генома донора и реципи­ента в образовании рекомбинанта (реципиентный геном полнос­тью переходит к рекомбинанту, а от донора – только отдельные гены, плазмиды);

3. в результате рекомбинации образуется мерозигота (частичная зигота);

4. наличие нескольких механизмов рекомбинаций: конъ­югация, трансформация, трансдукция, слияние протопластов.

 

Механизмы рекомбинаций

 

I. Конъюгация – перенос генетической информации при непосредственном контакте донора и реципиента. Это аналог полового процесса у бактерий. Пол у бактерий определяет F-плазмида: в «мужских» клетках (F⁺) она есть, в «женских» (F^-) — отсутствует.

Отличия F ⁺ и F ^- клеток:

- у F⁺ клеток есть дополнительная генетическая информа­ция (F-фактор);

- F⁺ клетки имеют на поверхности специальные f-пили, обеспечивающие контакт клеток при конъюгации;

- F⁺, клетки имеют дополнительный fi-антиген (белок f-пилей);

- F⁺ и F^- клетки отличаются поверхностным зарядом;

- F⁺ клетки чувствительны к «мужским» фагам, которые не адсорбируются на F^- клетках;

- F⁺ клетки обладают свойствами донора (отдают генетическую информацию), a F^- клетки – свойствами реципиента (воспринимают генетическую информацию). Как уже указывалось, реципиентные клетки участвуют в образовании рекомбинанта реем своим геномом, а донор передает свою генетическую инфор­мацию лишь частично. Чаще это конъюгативные плазмиды, но Hfr-штаммы передают с высокой частотой хромосомные гены при конъюгации.

II. Трансдукция – перенос генетической информации от до­нора к реципиенту с помощью трансдуцирующего фага. Трансдуцирующий фаг – это умеренный фаг, который при индукции лизогенной культуры захватывает соседние бактериальные гены и при инфицировании новых клеток вносит в них эти гены. При строгой специфичности локуса интеграции умеренного фага с хромосомой лизогенной клетки (например, для фага α, – рядом с 1ас-опероном, для фага Р – рядом с trp-опероном и т. д.) при индукции захваты­ваются и переносятся всегда строго определенные гены – это спе­цифическая трансдукция. Перенос случайных бактериальных генов умеренным фагом – общая трансдукция. Захват случайных бакте­риальных генов может происходить при сборке фагов или в том случае, когда профаг не имеет строго определенного локуса в геноме бактерий.

Как Вы знаете, изменение свойств бактерий, инфицирован­ных умеренным фагом, может происходить и под действием ге­нов самого фага –явление фаговой, или лизогенной конверсии.