Лекция 4. Генетика микроорганизмов

Бактериофаги.

Бактериофагами называют вирусы бактерий. Бактериофаг способен инфицировать бактериальную клетку, репродуцироваться в ней, образуя многочисленное потомство, и вызывать ее лизис, сопровождающийся выходом фаговых частиц в среду обитания бактерий.

Бактериофаги широко распространены в почве, воде, экскре­ментах больных и здоровых животных, человека и обнаружены более чем у 100 видов бактерий (С. Я. Гайдамович, 1982). Хозяевами бактериофагов являются эшерихии и сальмонеллы, стафилококки и стрептококки, микобактерии, листерии, Корине-бактерии и другие микроорганизмы.

Фаг состоит из головки и отростка — это основные части его. Белковая оболочка головки называется капси-дом. Капсид содержит молекулу ДНК или РНК.

По степени специфичности фаги раз­деляют на три группы: полифаги — лизируют родственные бактерии, моно­фаги — бактерии одного вида, а фаго- ) вары — только определенные варианты данного вида бактерий.

Процесс взаимодействия фага с клет­кой состоит из последовательной смены отдельных стадий.

Первая стадия — адсорбция фага и закрепление его на бактериальной клет­ке, клеточной стенке, в которой имеются специфические рецепторные участки (белковые и липидные). Фаг узнает их концевыми нитями своих отростков и прочно прикрепляется.

Вторая стадия — проникновение. По­сле адсорбции ДНК-фага через дисталь-ный конец отростка продвигается сквозь рыхлые слои клеточной стенки, которые разрушаются под дейст­вием фагового лизоцима.

Третья стадия — биосинтез фаговой нуклеиновой кислоты РНК и белков капсида, которые участвуют в биосинтезе фаговой ДНК. Латентный (скрытый) период продолжается в пределах 15 мин.

Четвертая стадия — морфогенез фага. Этот процесс заключается в заполнении фаговой нуклеиновой кислоты пустотелых фаговых капсид и формированием зрелых вирионов (частиц фага).

Пятая стадия — выход вирусных (фаговых) частиц из клетки. Он происходит путем лизиса зараженных бактерий, за счет фагового лизоцима, накапливающегося в процессе репродукции фага. Количество зрелых вирионов у разных клеток различно — от единиц до нескольких тысяч. Вирионы высвобождаются и вновь внедряются в еще не зараженные бактерии.

Таким образом, на жизнедеятельность микроорганизмов оказывают влияние физические, химические и биологические факторы внешней среды.

1. Материальные основы наследственности
2. Формы изменчивости
3. Генная инженерия

1. Материальные основы наследственности

Генетика — наука о наследственности и изменчивости организ­мов. Целью генетики является изучение и анализ законов передачи наследственных признаков от поколения к поколению, а также выяснение механизмов, обеспечивающих наследование на всех уровнях организации живых существ (особь, клетка).

Наследственность - это свойство живых организ­мов воспроизводить одни и те же или сходные морфологические свойства в ряду поколений благодаря передаче материальных задатков (генов) от родителей потомкам.

Основной генетической структурой прокариотной клетки является хромосома. Хромосома - это молекула ДНК, представленная в виде двойной спирали, замкнутой в кольцо. Она является носите­лем генетической информации. Состоит из генов.

Ген – участок хромосомы, представляет собой определенную последовательность нуклеотидов, определяет возможность развития того или иного отдельного признака. ген — функциональная единица наследственно­сти. Все свойства организма однозначно определяются его гена­ми. Гены определяют особенности клеточных компо­нентов, их структуру и функцию. Бактерии, как и все прокариоты, гаплоидны, т. е. генетический материал у них представ­лен одним набором генов. Схема, отражающая расположение генов на хромосоме, называется генетической картой. Гены, отвечающие за развитие одного признака, называют аллельными.

Совокупность всех генов называют генотипом. Возможность проявления гена определяется внешними условиями. Результат проявления гена – это формирование какого-либо свойства или признака организма. Совокупность всех внешних и внутренних признаков организма называют фенотипом. Сюда относят форму, строение микроорганизма, все его свойства.

Механизм сохранения наследственной информации

Перед делением клетки, происходит идентичная репликация генов. На каждой цепи ДНК синтезируется новая цепь; при этом с каждым из оснований спаривается комплементарное ему основание, так что каждая из двух новых цепей опять-таки будет комплементарна родительской цепи. Эта точная репликация ДНК гарантирует сохранение генетической информа­ции.

Кроме хромосомы, у некоторых бактерий, имеются дополнительные внехромосомные генетические детерминанты, получившие на звание плазмиды. Плазмиды расположены в цитоплазме, и способны к саморепликации. Плазмида несет в себе генетический материал. Общим для всех плазмид свойством является то, что они придают клетке дополнительные, не обяза­тельные для нее функции, но чаще всего выгодные. Например, фактор множественной лекарственной устойчивосп (R), фактор контролирующий синтез энтеротоксина (Н1у). Потеря плазмиды не влияет на основные свойства клетки. Плазмиды передаются при обычном делении клетки и при конъюгации.

2. Формы изменчивости

У бактерий различают фенотипическую и генотипическую изменчи­вости.

Фенотипическая изменчивость или модификационная (ненаследственная). Сходные по генотипу, микроорганизмы могут существенно различаться по фенотипу, т. е. по способу проявления наследст­венных признаков. Фенотипические различия между микроорганиз­мами, одинаковыми по генотипу, называются модификациями (фенотипическими адаптациями). Модификации, как правило, су­ществуют до тех пор, пока действует вызвавший их специфический фактор внешней среды; они не передаются потомкам и не наследуются ими. Это адаптивная реакция на внешние раздражи­тели. Следовательно, роль фенотипических изменений сводится к обеспечению выживаемости микробных популяций в изменившихся условиях среды. Фенотипические изменения выражаются в изме­нении формы и размера бактерий, биохимической активности и ряда других свойств.

Генотипическая изменчивость(наследственная). Генотипическая изменчивость играет большую роль в эволюции организмов: если бы клетки не обладали способностью к изменению генотипа, то любое неблагоприятное изменение условий среды привело бы к вымиранию вида. Главное отличие от фенотипической изменчивости – это передача изменений по наследству. Они происходят в структуре ДНК — генетическом аппарате клетки — и проявляются в стабильности изменений каких-либо свойств.

В основе генотипической изменчивости лежат мутации и ре­комбинации.

1. Мутации. Под мутацией (от mutatio — изменение) понимают внезапные, скачкообразные изменения наследственных свойств. Основу этого явления составляют качественные или количественные изменения последовательности нуклеотидов в ДНК, которые могут возникать при жизнедеятельности бактерий под влиянием внешних и внутренних факторов. Бактерии с измененными признаками называются мутанта­ми.

В результате бактериальных мутаций могут отмечаться:

а) изменение морфологических свойств;

б) возникновение устойчиво­сти к лекарственным препаратам;

в) потеря способности синтези­ровать аминокислоты, утилизировать углеводы и другие питатель­ные вещества;

г) ослабление патогенных свойств и т. д.

Различают спонтанные и индуцированные мутации.

А. Спонтанные (самопроизвольные) мутации возникают под влиянием неизвестных причин. Частота спонтанных мутаций мала. Спонтанные мутации служат основным источником естественной изменчивости микроорганизмов и лежат в основе эволюции.

Б. Индуцированные (направленные) мутации проявляются в результате обработки микроорганизмов специальными мутагенами (физическими факторами и химическими веществами) . В основе механизма лежит прямое или косвенной влияние на ДНК бактерий.

2. Генетические рекомбинации, т.е. обмен генами. Бактерия, которая передает генетическую информацию, называется донором. Бактерия, которая принимает информацию, называется рецепиентом. В результате генетического обмена между бактериями образуются бактерии-рекомбинанты. Клетки-рекомбинанты в основном сохраняют генотип бактерии-реципиента, приобретая отдельные свойства бактерии-донора. Это связано с тем, что рекомбинант несет целую хромосому реципиента, в которую включаются только отдельные фрагменты ДНК донора.

У бактерий известны три способа передача генетической информации. Это трансформация, трансдукция и конъюгация.

1. Трансформация (преобразование, перест­ройка) — изменение генома бактерии-реципиента в результате поглощенной из среды свободного фрагмента ДНК клетки-донора.

В процессе трансформации различают пять стадий: первая — адсорбция трансформирующей ДНК на поверхность микробной клетки; вторая — проникновение ДНК в клетку-реципиент; третья — спаривание внедрившейся ДНК с хромосомными струк­турами клетки; четвертая — включение участка ДНК клетки-до­нора в хромосомные структуры реципиента; пятая — дальнейшее изменение нуклеотида в ходе последующих делений.

2. Трансдукция. Трансдукцией называют передачу ДНК от клетки-донора клетке-реципиенту при участии бактериофагов. Трансдуцирующими свойствами обладают умеренные фаги. Размножаясь в бактериальной клетке, фаги включают в состав своей ДНК часть бактериальной ДНК и передают ее после проникновения клетке-реципиенту.

3. Конъюгация (спаривание) — это передача генети­ческого материала донорской клеткой клетке-реципиенту при непосредственном контакте. Способность бактериальной клетки конъюгировать связана с наличием в ней полового фактора F (от fertility — плодовитость) — внехромосомной автономной де­терминанты. Конъюгирующие клетки соединяются через конъюгационный мостик, образованный половой ворсинкой F-пили донорской клетки. Перенос генетического материала происходит в одном направлении — от донорской (мужской F⁺) клетки к реципиентной (женской F").

Таким образом, все три процесса генетической рекомбинации у бактерий — трансформация, трансдукция и конъюгация — различны по форме, но одинаковы по существу; в результате каждого процесса происходит перенос фрагмента ДНК от одной клетки к другой. Таким образом, могут быть перенесены различные признаки: синтез капсулы, устойчивость к антибиотикам, синтез ферментов, вирулентность и т. п.

3. Генная инженерия

Возможность введения генетической информации от одного вида бактерий другому различными методами привела к созданию нового направления в генетике — генной инженерии. Генная инженерия разрабатывает методы получения новых рекомбинантных молекул ДНК с заданной генетической информацией, способов их переноса в клетки прокариотов и эукариотов и изучает поведение их в реципиентной клетке. Основной целью геннолй инженерии является создание новых штаммов и видов в целях микробного синтеза ферментов, гормонов, антибиотиков, витаминов, аминокислот, спиртов и других продук­тов и веществ на основе мутаций, межвидовой и межродовой рекомбинации микроорганизмов. В настоящее время из организма человека выделены гены, синтезирующие инсулин и интерферон, и перенесены в геном Е. coli. Эти штаммы стали вырабатывать белковые вещества инсулин и интерферон.

Проводятся большие работы в воссоздании молекул участков ДНК, включающих гены, которые кодируют соответствующие антигенные детерминанты, с последующей встройкой этих генов в векторные молекулы ДНК. В результате осуществляется синтез необходимого антигена, на основе которого может быть изготовлена вакцина.