Національний фармацевтичний університетКафедра мікробіології, вірусології та імунології

ГЕНЕТИКА БАКТЕРІЙ

План лекції

• Будова клітинного генетичного апарату. • Позахромосомні елементи спадковості.• Мутації.• Генетичнi рекомбінації.

Генетика мікроорганізмів вивчає закономірності їх спадковості і мінливості.Генотип - сукупність наявних у організму генів.

Фенотип - зовнішній прояв геному, сукупність реалізованих (тобто зовнішніх) генетично детермінованих ознак, тобто індивідуальний (у визначених умовах зовнішнього середовища) прояв генотипу. При зміні умов існування фенотип бактерій змінюється при збереженні генотипу.

Спадковість - це збереження специфічних властивостей, тобто постійність ознак у ряді поколінь.

F. Crick i J. Watson – відкривачі структури ДНК

Генетичний матеріал

у бактерій представлений:

1. хромосомою

2. позахромосомними елементами спадковості

У бактерійній клітині спадкова інформація зберігається в нуклеоїді, що утворює одну кільцеву хромосому. Бактерійна хромосома складається з однієї двониткової молекули ДНК кільцевої форми . Молекула ДНК побудована з двох полінуклеотидних ланцюжків. Кожен нуклеотид складається з азотистої основи, цукру дезоксирибози і фосфатної групи.

Азотисті основи представлені пуринами (аденин, гуанін) і піримідинами (тимін, цитозин). Кожен нуклеотид має полярність.

З'єднання між двома ланцюжками ДНК забезпечується водневими зв'язками комплементарних азотистих основ: аденін з тиміном, гуаніна з цитозином.

Послідовність нуклеотидів ДНК визначає послідовність амінокислотних залишків в молекулі білку.

Кожному білку відповідає свій ген, тобто, дискретна ділянка на ДНК, що відрізняється числом і специфічністю послідовності нуклеотидів.

Бактерійна хромосома містить до 4000 окремих генів.

Ген є функціональною і структурною одиницею спадковості.

Має три фундаментальні функції:1.Безперервність спадковості (забезпечується механізмом реплікації ДНК).

2. Управління структурами і функціями організму (забезпечується за допомогою єдиного генетичного коду з чотирьох основ (А- аденин, Т- тимін, Г- гуанін, Ц- цитозин). Код триплетний, оскільки кодон - функціональна одиниця, що кодує амінокислоту, складається з трьох основ).

3. Еволюція організмів (завдяки мутаціям і генетичним рекомбінаціям).

у бактерійній клітині міститься в позахромосомних генетичних молекулах ДНК, представлених :

1.плазмiдами і помірними фагами (профагами)

2. iнсерцiйними послідовностями (Is- елементами)

3. транспозонами

4. нереплікативними (з) Bacteroides одиницями (NBU)

Додаткова позахромосомна генетична інформація

Плазміди

є необов‘язковими компонентами мікробної клітини.

Є двонитковими молекулами ДНК від 40 до 50 генів.

Складають 1-3% від маси хромосоми.

Можуть мати лінійну або кільцеву структуру.

Здатні до автономного існування, самореплікації і інтеграції в хромосому.

Здатні передаватися стійким донором чутливому реципієнтові, забезпечуючи його стійкість до антибіотика, з яким не було прямого контакту.

Забезпечують нові властивості клітині.

Кількість плазмід у бактерійній клітині може бути від 1 до 200.

Класифікація плазмідЗа розміщенням в клітині: позахромосомні інтегровані

За типом передачі: кон’югативні (трансмісивні, мають tra-ген

(англ. transfer – перенос)) некон’югативні

За ознаками, що обумовлюють певні властивості мікроорганізмів

Функціональні властивості плазмідАнтибіотико

резистентністьпеніцилін

Загибель клітини

R-плазміда пеніцилін

Розмноження антибітикоcтійких бактерій

фертильність

реципієнтF-плазміда

F-пілі

вірулентність

Не продукує токсинплазміда

вірулентностітоксин

донор

метаболізм

плазміда метаболізму

R-плазміди (resistance) - стійкість до лікарських препаратів.Сol – продукція коліцинів (бактеріоцинів).HLy – продукція гемолізинівTol – розщеплення толуолу, ксилолу Ent – продукція ентеротоксинуNif – зв’язування азоту в K. pneumoniaeTi – утворення пухлин у рослин F - плазміди - донорські функції, індукують ділення (від fertility - плодючість).

Інтегровані F- плазміди - Hfr- плазміди (високої частоти рекомбінацій).Tox - плазміди- токсиноутворення.

Плазміди біодеградації:

Саm – розщеплення камфариOct – розщеплення октануSal – розщеплення саліцину

Види плазмід

Критерії плазмідної локалізації генів

• високий темп втрати ознаки• збільшення темпів втрати ознаки під впливом температури або хімічних

сполук• спільна втрата або набуття декількох ознак

Біологічна роль плазмід різноманітна, у тому числі:

1. контроль генетичного обміну бактерій;2. контроль синтезу чинників патогенності;3. вдосконалення захисту бактерій.

Помiрнi фаги

- чинники, що несуть додаткову генетичну інформацію для бактерійної клітини.

- За властивостями вони багато в чому схожі з плазмідами бактерій. Вбудовуючись в нуклеоїд у вигляді профагу, такі фаги викликають лізогенізацію бактерій з набуттям нових ознак. Це пов'язано або з придбанням генів, переносимих цими фагами від їх попередніх хазяїв (бактерій-донорів), або з початком експресії генів бактерій-реципієнтів, що "мовчать".

- В цьому випадку фагова ДНК виступає в ролі промотора. Такі мікроорганізми, набувають нові властивості, наприклад, здатність до токсиноутворення (дифтерійні бактерії, деякі клостридії).

Iнсерцiйнi (вставні) послідовності (Is-елементи)

(від англ. insertion - вставка, sequence - послідовність) це інтеграційні кінцеві послідовності деяких транспозонов, що повторюються. Є генетичними елементами, величина яких не перевищує 1500 пар нуклеотидів. Перед вставкою Is- елементу в ділянку генома відбувається його реплікація

(подвоєння), потім первинний екземпляр залишається на колишньому місці, а копія вбудовується в мішень.

Вставка Is- елементу призводить до внутрішньохромосомних перебудов, активації або пригніченні сусідніх генів.

Is- елементи можуть кодувати своє власне перенесення (транспозицію) по геному, від одного нуклеоїда до іншого або між нуклеоїдом і плазмідами.

Це обумовлено їх здатністю кодувати синтез ферментів транспозаз, що ініціюють процеси транспозиції і рекомбінації (перебудови генома).

IS- елементи поширені серед мікроорганізмів, наприклад, в хромосомі кишкової палички їх більше 40.

У вільному стані в клітині Is- елементи не виявлені.

Функції IS-елементів

1. Координуюча: взаємодія транспозонів, плазмід, помірних фагів між собою та хромосомою бактерії, забезпечуючи їх реплікацію.

2. Регуляторна: викликають інактивацію генів, або служать промоторами (ділянки ДНК, які регулюють експресію клітинних генів).

3. Індукують мутації за типом делеції або інверсії.

Транспозони

це інтегративні генетичні елементи із 2500-20000 і більше пар нуклеотидів. Вони можуть перебувати в клітині у вільному стані у вигляді кільцевої

молекули. Некон'югативні транспозони можуть переміщатися («стрибати») з плазміди

в хромосому і назад, забезпечуючи генетичну мінливість. Кон'югативні транспозони здатні передаватися від клітини до клітини як

плазміди в процесі кон'югації бактерій. Так як для інтеграції в геном транспозони не потребують класичної рекомбінації, а володіють власною системою вбудовування, то вони можуть широко горизонтально поширюватися між різними видами бактерій.

Транспозони можуть входити до складу різних плазмід. Також вони можуть проникати в хромосому клітин тварин або людини

подібно з провірусами. Відомі транспозони, містять детермінанти стійкості до антибіотиків, синтезу

токсинів та ін.

Функції транспозонів

1. Регуляторна.2. Кодуюча.3. Індукують генні мутації за типом делеції або інверсії.4. Включення їх в реплікон супроводжується абераціями

(структурними перебудовами) в ДНК цих репліконів; найчастіше проявляються інсерції, делеції, інверсії.

Нереплікативні (з) Bacteroides одиниці (NBU)

невеликого розміру інтегративні генетичні елементи. Вони вирізаються з хромосоми в присутності кон'югативних

транспозонів і мобілізуються ними, а, потрапляючи у клітину-реципієнт, інтегруються в його геном.

Здатні викликати мутації у плазмід.

Мігруючі генетичні елементиМігруючі генетичні елементи

TGATCTGATCACTAGACTAG

GCGTATCGCGTATCGG

CGCATAGCGCATAGCC

TGATCTGATCACTAGACTAG

GCGTATCGCGTATCGG

CGCATAGCGCATAGCC

Гени для Гени для транспозиціїтранспозиції

ISIS ISISГени лікарської Гени лікарської стійкості та ін.стійкості та ін.

5’5’

3’3’

3’3’

5’5’

3’3’

5’5’ 3’3’

5’5’Прямі послідовності, що Прямі послідовності, що повторюються таповторюються та

обмежують транспозонобмежують транспозон

Прямі послідовності, що Прямі послідовності, що повторюються таповторюються та

обмежують обмежують ISIS-елемент-елементТранспозоТранспозоннПовторні кінцеві Повторні кінцеві IS-IS-

елементиелементиСерцевинна областьСерцевинна область

ISIS (інсерційний, вставочний (інсерційний, вставочний елемент)елемент)Інвертовані повторні Інвертовані повторні

послідовностіпослідовності

Серцевинна областьСерцевинна область

Мінливість - це набуття нових ознак під впливом різних факторів.Мінливість у бактерій може бути фенотипова неспадкова і генотипова, що успадковується.Фенотипова мінливість (неспадкова, модифікаційна або модифікація) – це тимчасові, спадково не закріплені зміни, що виникають в результаті адаптивних реакцій бактерій на зміни зовнішнього середовища. Після усунення причини бактерії реверсують до вихідного фенотипу

Генотипова мінливість (що успадковується) виникає в результаті мутацій і генетичних (генотипових)

рекомбінацій.Мутації - це зміни в послідовності нуклеотидів ДНК, виявляються

спадково закріпленою втратою або зміною якої-небудь ознаки або групи ознак.

За походженням: спонтанні (тобто виникають довільно, без впливу ззовні, вони можуть створювати як сприятливі так і несприятливі генетичні зміни);

індуковані (що виникають під впливом зовнішніх факторів, які називають мутагенами)..

За локалізацією: нуклеоїдні; цитоплазматичні. За кількістю генів, що мутували: генні (обумовлені появою нової

ознаки при зміні гена); хромосомні (обумовлюють появу нової ознаки при зміні двох і

більше ділянок хромосоми). За величиною: великі (хромосомні); малі (точкові).

• інверсія• дуплікація• делеція• дислокація

Хромосомні мутації Точкові мутації

• делеція• інсерція (вставка)• заміна: • транзиція (пуринова основа на

пуринову, піримідинова – на піримідинову)

• трансверзія (пуринова основа на піримідинову та навпаки)

1. Пряма мутація2. Зворотна (обернена) мутація або реверсія3. Супресорна мутація (внутрішньогенна, позагенна). Веде до

відновлення фенотипу, а не генотипу. 4. Плейотропна мутація (зміна 2-ох і більше властивостей

клітини)5. Нонсенс-мутація (робить кодон нісенітним – не кодує жодної

амінокислоти)

Мутації

Мутагенні фактори• Фізичні:1. УФО (λ-260 НМ) – найсильніша мутагенна дія – утворюються димери

тиміну, заміна основ2. Іонізуюче опромінення (рентгенівське, гамма-промені) - руйнування ДНК,

летальний ефект

• Біологічні: транспозони

• Хімічні:1. Азотиста кислота - дезамінує нуклеотиди2. N-нітрозометилсечовина – супермутаген, канцероген3. Етилметансульфонат4. Акридини – комплекс з ДНК, інтеркаляція5. Нітрозогуанідин6. Аналоги основ (5-бромурацил, 2-амінопурин) – заміщення 7. Лікарські препарати (нітрофурани, деякі антибіотики)

Дія різних мутагенів на бактерії

Деякі фізичні й хімічні фактори підвищують частоту мутацій. Ультрафіолетове випромінювання та діоксин є мутагенами й викликають утворення мутантів (червоний колір).

Трансдукція

Кон’югація

Трансформація

Генетичні рекомбінаціїЦе мiнливiсть, що пов'язана з обміном генетичної інформації між мікроорганізмами.

Генетичні рекомбінації можуть здійснюватися шляхом трансформації, трансдукції, кон'югації.

Кон’югація (Ледерберг і Тейтум, 1946)

Це обмiн генетичним матерiалом при безпосередньому контактi двох клiтин. Головну роль вiдiграють кон’югативнi F-плазмiди.

Схематическое изображение конъюгации у бактерий.

1. Клетка-донор выпускает половой пиль.2. Пиль прикрепляется к клетке-реципиенту, соединяя две клетки.3. В мобильной плазмиде происходит однонитевой разрыв, и одна цепь ДНК переходит в клетку-реципиент.4. Обе клетки достраивают вторую цепь ДНК плазмиды, восстанавливая двуцепочечную кольцевую плазмиду, и образуют половые пили. Теперь обе клетки являются полноценными донорами.

ТРАНСДУКЦІЯЦе передача генетичної інформації з клітини в клітину за допомогою бактеріофагуВикликають помірні, дефектні фаги.

Види:• Загальна (генералізована, неспецифічна) – перенесення бактеріофагом

фрагменту будь-якої частини бактеріальної хромосоми.

• Специфічна – спостерігається в тому випадку, коли фагова ДНК інтегрує в бактерію з утворенням профагу.

• Абортивна – внесений фрагмент ДНК донора не вбудовується в хромосому рецiпiєнта, а залишається в цитоплазмі i там самостiйно функцiонує. В подальшому вiн передається однiй iз дочiрнiх клітин i потiм губиться в потомствi.

ТРАНСДУКЦІЯ (Ціндер і Ледерберг, 1952)

ДНК бактеріофагуХромосома клітини хазяїна

Клітина А (донор)

Частинки фагу

Лізис

Фаги з частинкою ДНК хазяїна

Частинки ДНК хазяїна

Клітина В (реципієнт)Вмонтована в ДНК

Донорська ДНК

Спеціалізована трансдукція

Трансформація (досліди Грифітса, 1928; Евері Мк Леода і Макарті, 1944)

Це захват i поглинання фрагментiв чужої ДНК i утворення на цiй основi рекомбiнанта.