Генетические рекомбинации: трансдукция, трансформация, конъюгация, транспозиция. Понятие о генной инженерии

Мы познакомились с процессом удвоения ДНК, когда на одной цепи, как на матрице, выстраивается другая цепь. Однако в природе существуют процессы, связанные с изменением структуры ДНК, но эти изменения идут в других направлениях.

Трансформация – внесение в клетку генетической информации при помощи изолированной дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Трансформация приводит к появлению у трансформированной клетки (трансформанта) и её потомства новых признаков, характерных для объекта - источника ДНК. Явление было открыто в 1928 английским учёным Ф. Гриффитом, наблюдавшим наследуемое восстановление синтеза капсульного полисахарида у пневмококков при заражении мышей смесью убитых нагреванием капсулированных бактерий и клеток, лишённых капсулы. Организм мыши в этих экспериментах играл роль своеобразного детектора, так как приобретение капсульного полисахарида сообщало клеткам, лишённым капсулы, способность вызывать смертельный для животного инфекционный процесс. В последующих экспериментах было установлено, что трансформация имеет место и в том случае, когда вместо убитых клеток к лишённым капсулы пневмококкам добавляли экстракт из разрушенных капсулированных бактерий. В 1944 О. Эйвери с сотрудниками (США) установил, что фактором, обеспечивающим трансформацию, являются молекулы ДНК. Эта работа - первое исследование, доказавшее роль ДНК как носителя наследственной информации.

Помимо пневмококков, трансформация обнаружена и изучена на некоторых других бактериях.

Трансформацию у бактерий рассматривают как сложный процесс, включающий следующие стадии:

Фиксация молекул ДНК клеткой-реципиентом;

Проникновение ДНК внутрь клетки;

Включение фрагментов трансформирующей ДНК в хромосому клетки-хозяина;

Формирование "чистых" трансформированных вариантов.

Фиксация ДНК происходит на особых участках клеточной поверхности (рецепторах), число которых ограничено. Связанная с рецепторами ДНК сохраняет чувствительность к действию добавленного в среду фермента дезоксирибонуклеазы, вызывающего её распад. Однако, спустя очень короткий срок (в пределах 1 мин) после фиксации, часть ДНК проникает в клетку. Бактериальные клетки одного и того же штамма резко различаются по проницаемости для ДНК. Клетки данной бактериальной популяции, способные включать чужеродную ДНК, называются компетентными . Число компетентных клеток в популяции незначительно и зависит от генетических особенностей бактерий и фазы роста бактериальной культуры. Развитие компетенции связывают с синтезом особого белка, обеспечивающего проникновение ДНК в клетку.

Средние размеры фрагментов ДНК, проникающих в клетку, составляют 5×106 дальтон. Поскольку в компетентную клетку может одновременно проникнуть ряд таких фрагментов, суммарная величина поглощённой ДНК может быть примерно равна размерам хромосомы клетки-хозяина. После проникновения в клетку двунитевой ДНК одна нить распадается до моно- и олигонуклеотидов, вторая - встраивается в хромосому клетки-хозяина путём её разрывов и воссоединений. Последующая репликация такой гибридной структуры приводит к выщеплению "чистых" клонов трансформантов, в потомстве которых закреплен признак, кодируемый включившейся ДНК.

Применение трансформации позволило провести генетический анализ бактерий, у которых не описано иных форм генетического обмена (конъюгации, трансдукции). Кроме того, трансформация – удобный метод для выяснения влияний на биологическую активность ДНК физических или химических изменений её структуры. Разработка метода у кишечной палочки позволила использовать для трансформации не только фрагменты бактериальной хромосомы, но и ДНК бактериальных плазмид и бактериофагов. Этот метод широко используется для внесения в клетку гибридной ДНК в исследованиях по генной инженерии.

Трансдукция (от лат. transductio - перемещение) – перенос генетического материала из одной клетки в другую с помощью вируса, что приводит к изменению наследственных свойств клеток-реципиентов. Явление трансдукции было открыто американскими учёными Д. Ледербергом и Н. Циндером в 1952. Особые бактериальные вирусы – умеренные фаги в процессе вегетативного размножения способны случайно захватывать и переносить в другие клетки любые участки ДНК лизируемых, то есть разрушаемых ими, бактерий (общая , или неспецифическая , трансдукция). Длина переносимого (трансдуцируемого) отрезка ДНК определяется размером белковой оболочки фаговой частицы и обычно не превышает 1-2% бактериального генома. Переносимый отрезок может содержать несколько генов. Поскольку вероятность такой сцепленной трансдукции зависит от расстояния между генами в молекуле ДНК, образующей хромосому бактерии, явление трансдукции широко используется при составлении генетических карт хромосом бактерий. Генетический материал фага в таких трансдуцирующих частицах отсутствует; поэтому, вводя ДНК в клетку, они не осуществляют все остальные функции фага: не размножаются, не лизогенизируют клетку и не наделяют её иммунитетом к фагу. Внесённый фрагмент может существовать в клетке в виде дополнительной генетического элемента, обладающего функциональной активностью. Поскольку такой фрагмент не способен воспроизводиться, при каждом клеточном делении он передаётся лишь в одну из дочерних клеток. За исключением этой клетки свойства всего остального потомства остаются без изменений (абортивная трансдукция). В дальнейшем фрагмент может быть либо разрушен, либо включен в хромосому бактерии, заменив в ней гомологичный участок ДНК. В последнем случае новые признаки, приобретённые клеткой-трансдуктантом, будут свойственны всему потомству этой клетки (полная трансдукция).

Существует группа бактериофагов, способных трансдуцировать лишь определённые гены, расположенные рядом с местом включения генома фага в хромосому бактерии при лизогенизации (ограниченная , или специфическая , трансдукция). Такие трансдуцирующие фаговые частицы, образующиеся в результате случайного нарушения точности процесса выхода профага из бактериальной хромосомы, содержат молекулу ДНК, состоящую из остатка фагового генома и фрагмента бактериального генома. В большинстве случаев они не могут самостоятельно размножаться или лизогенезировать бактерии из-за утраты части фагового генома (до 30%). Генетический материал трансдуцирующих частиц может сохраняться в клетке в автономном состоянии или в качестве профага включиться в ДНК бактерии. Однако в обоих случаях часть потомства восстанавливает исходные свойства из-за утраты профага. Стабильная трансдукция достигается только в случае включения бактериального фрагмента профага в геном бактерии в результате обмена на гомологичный участок хромосомы.

Эписомы (от эпи... и греч. sóma - тело) – генетические факторы, способные находиться в клетке либо в автономном (в цитоплазме) либо в интегрированном (включенными в хромосому) состоянии; представляют собой молекулы ДНК. К эписомам относятся геном умеренного фага лямбда, половой фактор F, некоторые R-факторы, сообщающие бактериям устойчивость к определённым лекарств, веществам, и некоторые др. Эписомы не являются обязательными компонентами клеток и могут переходить из одного состояния в другое, что зависит от вида клеток. Например, геном умеренного фага лямбда в клетках кишечной палочки может находиться в интегрированном либо в автономном состоянии, а в клетках возбудителя брюшного тифа – только в автономном состоянии. Находясь в автономном состоянии, большинство эписом ведут себя как типичные плазмиды. Ряд авторов видит в эписомах переходное звено между структурами, определяющими хромосомную и нехромосомную наследственность.

ДНК- диагностика

Организм человека является средой обитания для сотен видов бактерий и вирусов. С биологической точки зрения организм человека представляет собой целую систему сосуществующих организмов-симбионтов. Далеко не все из симбионтов патогенные. Без некоторых видов бактерий человек просто не способен существовать, их утрата или снижение количества является причиной развития ряда тяжелых заболеваний. Расшифровка геномов многих болезнетворных микроорганизмов с идентификацией всех белков поможет разработать методы предупреждения и лечения инфекционных болезней.

Для развития инфекционного процесса большое значение имеет генетический статус самого хозяина. Например, отдельные индивидуумы являются носителями вируса иммунодефицита, но СПИДом не болеют. У этих лиц имеется мутация в гене, кодирующем поверхностный белок, ответственный за попадание вируса внутрь лимфоидных клеток. Плотность белка на поверхности клеток снижена, вирус удерживается, но внутрь не попадает. Частота гомозигот по этой мутации среди жителей Европы составляет около 1%, они имеют выраженную устойчивость к ВИЧ-инфекциям. Более устойчивыми оказываются и гетерозиготные носители мутации, в российской популяции их частота достигает 13%.

Комбинативные изменения.

Появляются в результате трансформации и конъюгации. Трансформация - это процесс переноса участка генетического материала ДНК, содержащего одну пару нуклеотидов, отклетки-донорак клеткерецептору.

Впроцессе трансформации различают 5 стадий:

1)Адсорбция трансформирующей ДНК на поверхности микробной клетки;

2)Проникновение ДНК в клетку-реципиент;

3)Спаривание внедрившейся ДНК с хромосомными структурами клетки;

4)Включение участка ДНК клетки-донорав хромосомные структурыклетки-реципиента;

5)Дальнейшее изменение нуклеотида в ходе последующих делений. Оптимальная температура трансформации 29-32ͦС.

Трансдукция- это изменение, при котором генетический материал отклетки-доноракклетке-реципиентупереносит трансдуцирующий (умеренный) фаг, т.е. фаг, не вызывающий ее разрушения.

Различают три типа трансдукции:

1)Общая (неспецифическая), может происходить перенос различных или нескольких признаков одновременно.

2)Специфическая, характеризуется переносом только определѐнного признака.

3)Абортивная, участок ДНК клетки-донора,перенесенный фагом вклетку-реципиента,не включается в ее геном.

Конъюгация - форма полового процесса, при котором происходит соединение мужской и женской микробных клеток и обмен между ними ядерным веществом.

При этом генетический материал клетки-донорапереходит в клеткуреципиент. После рекомбинации и деления клетки образуются формы с признаками конъюгирующих клеток.

Таким образом, все три формы комбинативной изменчивости (трансформация, трансдукция, конъюгация) различны по форме, но одинаковы по существу. При трансформации участок ДНК клетки-доноравходит вклетку-реципиент,при трансдукции эту роль выполняет фаг, а при конъюгации перенос генетической информации осуществляется через цитоплазматический мостик (пили).

Риккетсии

Грамотрицательные микробы. По формекороткие палочки или кокки. Риккетсии имеют клеточную стенку, которая сходна с клеточной стенкой грамотрицательных бактерий.

Относят к истинным бактериям. Прокариоты.

Нитрификация.

Продукты гниения белков и разложения мочевиныаммиак и аммиачные соли – могут быть непосредственно усвоены растениями, но они обычно превращаются в нитратысоли азотной кислоты.

В первой фазе нитрификации аммиак окисляется до азотной кислоты по схеме

DG = -662кДж/моль.

Процесс нитрификации проходит в несколько стадий, при этом образуется ряд промежуточных продуктов: гидроксиламин, нитроксил и др.

Во второй фазе азотистая кислота окисляется до азотной:

DG= -201кДж/моль.

Первая и вторая фаза единого процесса нитрификации вызываются разными возбудителями. С.Н. Виноградский объединил их в три рода:

1)Nitrosomonas. Имеют форму палочек, грамотрицательные, подвижные, снабжены одним жгутиком, спор не образуют. Широко распространены в почве и отличаются друг от друга формой и размерами.

2)Nitrosocystis. Способен образовывать зооглеи (кокковые формы микробов, окружающей капсулой)

3)Nitrosospira. Они разделяется на два вида. Бактерии обоих видов имеют правильную спиральную форму. Наряду со спирально закрученными нитями у старых культур встречаются короткие палочки и кокки.

Впоследнее время выделено еще два рода микробов, вызывающих первую фазу нитрификации.

Нитрифицирующие бактерии отрицательно относятся к органическим веществам. Сильная чувствительность нитрифицирующих микробов к органическим веществам отмечается в растворах; в почве этого не наблюдается, т.к. в ней водорастворимых веществ в значительных количествах никогда не бывает.

На процессы окисления аммиака влияют не только микробы, но и их ферменты. Кроме органического вещества на нитрификацию оказывает влияние концентрация аммиака. Его действие на культуру резко проявляется в условиях жидких сред. В почве же аммиак находится адсорбированном состоянии и не может оказывать угнетающего действия. Поэтому нитробактер сразу же окисляет азотистую кислоту в азотную.

На процесс нитрификации положительно сказывается присутствие кислорода. В обрабатываемых почвах процесс нитрификации протекает более интенсивно.

Рекомбинация – совокупность процессов, связанных с замещением участка исходной нуклеиновой кислоты на гомологичный (сходный) участок.

При этом степень гомологии может быть различной: от полной идентичности исходной и новой нуклеотидных последовательностей до заметных расхождений, приводящих к изменению фенотипа. В результате рекомбинации образуются новые сочетания аллелей, например: AB + ab → Ab + aB.

У прокариот существует три способа включения в геном чужеродной ДНК: трансформация, конъюгация и трансдукция.

Трансформация

Трансформацией называется перенос чистой ДНК из одних клеток в другие. Трансформация была открыта бактериологом Ф. Гриффитсом в 1928 г. в опытах с пневмококками. У пневмококков известно два типа штаммов: S– и R–формы.

S–форма характеризуется наличием полисахаридной капсулы, благодаря чему при искусственном культивировании она образует гладкие блестящие колонии; эта форма патогенна для мышей. R–форма не имеет капсулы, при искусственном культивировании она образует шероховатые колонии; эта форма непатогенна для мышей. Но если мышам одновременно ввести убитые S-клетки и живые R-клетки, то мыши погибают. Следовательно, генетические свойства одного штамма влияют на генетические свойства другого штамма.

В 1944 г. О. Эвери, К. МакЛеод и М. МакКарти доказали, что изменение наследственных свойств клеток связано с переносом ДНК.

Способность клетки к трансформации возможна при особом ее состоянии, которое называется компетентностью. У компетентных клеток изменяется состав клеточной стенки и плазмалеммы: стенка становится пористой, плазмалемма образует многочисленные впячивания, а на внешней поверхности появляются особые антигены – факторы компетентности (в частности, специфические белки с низкой молекулярной массой).

В природных условиях внеклеточная чистая ДНК образуется при гибели (лизисе) прокариот.

Как правило, трансформация происходит в пределах одного вида прокариот, но при наличии гомологичных генов наблюдается и межвидовая трансформация.

Процесс трансформации включает следующие стадии:

1. Присоединение трансформирующей двунитевой ДНК к рецепторам на поверхности клетки–реципиента.

2. Превращение двунитевой ДНК в однонитевую.

3. Проникновение однонитевой ДНК в клетку.

4. Интеграция трансформирующей ДНК в хромосому реципиента и рекомбинация генетического материала.

Длина трансформирующей ДНК должна быть от 500 до 200 тысяч пн. Энергия, выделяющаяся при деградации одной из нитей ДНК, используется для активного транспорта оставшейся нити вовнутрь клетки.

Первые три стадии трансформации не зависят от нуклеотидного состава ДНК. Однако процесс интеграции трансформирующей ДНК в хромосому реципиента более вероятен при высокой гомологичности этой ДНК по отношению к ДНК реципиента.

Процесс трансформации изображен на схеме. Каждый отрезок прямой соответствует одной цепи ДНК. Трансформирующая ДНК обозначена черным цветом, а ДНК клетки–реципиента – серым цветом.

На первой стадии трансформирующая ДНК присоединяется к рецепторным сайтам на поверхности клетки–реципиента.

На втором этапе двунитевая ДНК на поверхности клетки превращается в однонитевую за счет расщепления одной из нитей бактериальными нуклеазами.

На третьем этапе оставшаяся нить ДНК транспортируется через мембрану в цитоплазму. При этом используется энергия, выделившаяся при деградации комплементарной цепи.

При репликации бактериальной хромосомы трансформирующая нить ДНК присоединяется к гомологичному (частично комплементарному) участку ДНК клетки–реципиента. При этом из-за отсутствия полной комплементарности образуется гетеродуплекс («молекулярная гетерозигота») – участок двунитевой ДНК, на котором не во всех нуклеотидных парах азотистые основания связаны водородными связями. Остальная часть ДНК реплицируется нормальным образом.

После окончания репликации ДНК клетка–реципиент делится с образованием двух клеток: частично трансформированной клетки с хромосомой, включающей гетеродуплексный участок ДНК, и нетрансформированной клетки. При репликации ДНК в частично трансформированной клетке на обеих цепях ДНК происходит достраивание комплементарных цепей. Одна цепь сохраняет исходные последовательности нуклеотидов, а другая становится полностью трансформированной. После деления частично трансформированной клетки образуется одна нетрансформированная клетка и одна полностью трансформированная, у которой исходная последовательность нуклеотидов замещена на последовательность нуклеотидов трансформирующей ДНК.

Таким образом, при трансформации происходит замещение генов реципиента на гомологичные нуклеотидные последовательности. Чем выше степень гомологии, тем успешнее протекает трансформация.

Частота трансформации у прокариот зависит от свойств трансформирующей ДНК, от ее концентрации, от состояния клетки–реципиента, от вида бактерий. Максимальная частота трансформированных клеток не превышает 1 на 100 клеток.

Трансформация известна и для эукариот. Однако на поверхности эукариотических клеток отсутствуют рецепторные сайты, и трансформирующую ДНК вводят в клетки искусственно. Например, в яйцеклетки животных ДНК вводят путем прямой микроинъекции, а в яйцеклетки растений – путем микроинъекции в пыльцевую трубку. Широко используются методы биобаллистики (биолистики), позволяющие вводить любые фрагменты ДНК в культуры тканей растении.

Конъюгация

Конъюгацией у прокариот называется прямой контакт двух разнокачественных клеток, сопровождаемый хотя бы частичным переносом генетического материала от клетки-донора к клетке-реципиенту. (Процесс конъюгации был открыт в 1946 г. Дж. Ледербергом и Э. Татумом).

У кишечной палочки клетка-донор («мужская») имеет продолговатую форму, клетка-реципиент («женская») – изодиаметрическую. Клетка-донор образует половые ворсинки (пили), которые притягивают ее к клетке-реципиенту и образуют цитоплазматические каналы. По этим каналам ДНК из клетки-донора переходит в клетку-реципиент. Существует три типа клеток-доноров: F + (эф–плюс), Hfr (эйч–эф–а) и F ′ (эф–прим).

F + -доноры содержат в цитоплазме половой фактор – специфическую F–плазмиду.

F–плазмида – это автономный репликон длиной около 100 тпн. В составе F–плазмиды изучено более 20 генов. Примерно половина из них образует гигантский оперон tra (длиной около 30 тпн); продукты этого оперона контролируют образование контакта между донором и реципиентом и собственно перенос ДНК. Остальные гены регулируют работу tra–оперона.

Клетка-реципиент не содержит F–плазмиды и обозначается как F – –клетка.

При образовании цитоплазматического мостика одна из цепей F–плазмиды надрезается в определенной точке (точка О), а на комплементарной цепи начинается репликация ДНК по принципу «катящегося кольца». Копия комплементарной цепи по цитоплазматическому мостику переходит в цитоплазму клетки–реципиента, и на ней достраивается недостающая цепь. После окончания репликации двунитевая плазмидная ДНК замыкается в кольцо, и F – –клетка превращается в F + –клетку. Полное время переноса копии F–плазмиды в клетку–реципиент составляет примерно 5 минут.

Однако при скрещивании F + × F – в клетку–реципиент попадают только гены, содержащиеся в F –плазмиде; гены домашнего хозяйства, локализованные в бактериальной хромосоме, в клетку–реципиент не переносятся.

В то же время F–плазмида может встраиваться в бактериальную хромосому, то есть переходить в интегрированное состояние. В бактериальной хромосоме имеется около 20 сайтов интеграции F–плазмиды. Тогда при переносе копии одной из цепей F–плазмиды в клетку–реципиент за ней увлекается и копия одной из цепей бактериальной хромосомы. Клетки с интегрированной F–плазмидой называются Hfr–доноры (от англ. «высокая частота рекомбинаций»). В зависимости от условий возможен полный или частичный перенос копии бактериальной хромосомы Hfr–донора в цитоплазму реципиента. В результате образуется клетка с одной исходной двунитевой бактериальной хромосомой и одной полной или неполной гомологичной однонитевой молекулой ДНК. Такая клетка называется мерозигота («частичная зигота»). Далее при репликации ДНК протекает рекомбинация. Этот процесс принципиально не отличается от рекомбинации при трансформации.

Перенос копии ДНК начинается примерно с середины F–плазмидной ДНК (с точки О, в которой одна из цепей ДНК надрезается, и начинается репликация F–плазмидной ДНК). Таким образом, половина F–плазмидной ДНК проникает в клетку–реципиент в начале конъюгации, а вторая половина – только после полного переноса копии хромосомной ДНК. Для полного завершения этого процесса при t = 37 0 С требуется более 100 минут. Однако в природных условиях конъюгация прерывается значительно раньше, в клетку–реципиент переходит только часть копии хромосомы донора и только первая половина F–плазмидной ДНК. Таким образом, клетка-реципиент не принимает свойства Hfr–донора.

Однако существуют штаммы бактерий, у которых копия бактериальной хромосомы вместе с копией F–плазмидной ДНК переносится полностью. Такие клетки называются vHfr–доноры (от англ. «очень высокая частота рекомбинаций»).

Вероятность переноса определенного гена в клетку–реципиент зависит от его удаления от F–плазмидной ДНК, а точнее, от точки О, в которой начинается репликация F–плазмидной ДНК. Чем больше время конъюгации, тем выше вероятность переноса данного гена. Это дает возможность составить генетическую карту бактерий в минутах конъюгации. Например, у кишечной палочки ген thr (оперон из трех генов, контролирующих биосинтез треонина) находится в нулевой точке (то есть непосредственно рядом с F–плазмидной ДНК), ген lac переносится через 8 мин, ген recE – через 30 мин, ген argR – через 70 мин и т.д.

F–плазмида может переходить из интегрированного состояния в автономное путем самовырезания из бактериальной хромосомы. В этом случае возможен захват и части хромосомной ДНК (до 50 % хромосомных генов). F–плазмида, включающая хромосомные гены, называется F ′ –фактором. Перенос генетического материала при скрещиваниях F ′ × F – называется сексдукция.

Кроме F–плазмиды у прокариот известны и другие типы половых факторов (R, Ent, Hly, Col), обеспечивающих перенос генетического материала от бактерии к бактерии. На основе природных плазмид (в том числе ДНК хлоропластов и митохондрий) получены полусинтетические молекулы ДНК, обеспечивающие перенос генетического материала из одной клетки в другую, называются векторы. Векторы должны обеспечивать не только устойчивый перенос генов, но и регуляцию их транскрипции.

Прокариотические плазмиды могут реплицироваться только в прокариотических клетках. В то же время, существует необходимость переноса генов от эукариот к прокариотам и наоборот. Для этого используются челночные плазмиды, которые содержат два репликатора (прокариотический и эукариотический) и способны реплицироваться и в прокариотических, и в эукариотических клетках, например, Ti– и Ri–плазмиды, способные к репликации в прокариотических и растительных клетках, и полусинтетические векторы, созданные на их основе. Для защиты векторов от разрушения нуклеазами их заключают в фосфолипидные пузырьки – липосомы.

Трансдукция

Трансдукцией называется перенос генетического материала с помощью вирусов из клетки-донора в клетку-реципиент. (Явление трансдукции открыл в 1951 г. Н. Зиндер (ученик Дж. Ледерберга)).

При трансдукции в вирионы попадает ДНК клетки-хозяина. Вирионы заражают другие клетки, и ДНК исходной бактериальной клетки проникает в другую бактериальную клетку. Вирусная ДНК интегрируется в бактериальную хромосому, а привнесенная бактериальная ДНК рекомбинирует с ДНК бактериальной хромосомы. В результате 50% клеток оказываются трансформированными.

Различают общую (неспецифическую), ограниченную (специфическую) и абортивную трансдукцию.

Общая трансдукция

При общей трансдукции фрагменты бактериальной ДНК донора случайно включаются в созревающую фаговую частицу вместе с фаговой ДНК или вместо фаговой ДНК. Фрагменты бактериальной ДНК образуются при ее разрезании ферментом, контролируемым фагом. В состав фаговой частицы может включаться до 100 бактериальных генов.

Ограниченная трансдукция

При ограниченной трансдукции происходит рекомбинация – бактериальная ДНК замещает часть фаговой ДНК. В состав рекомбинантной ДНК входит небольшое количество бактериальных генов, прилежащих к фаговой ДНК, интегрированной в бактериальную хромосому.

При общей и ограниченной трансдукции донорская ДНК замещает гомологичные участки ДНК реципиента. Этот процесс сходен с трансформацией.

Абортивная трансдукция может быть и неспецифической, и специфической. Ее сущность заключается в том, что трансдуцируемый фагом фрагмент ДНК не включается в хромосому реципиента, а существует как цитоплазматический репликон. Рано или поздно этот репликон утрачивается.

Явление трансдукции вирусами широко используется при переносе генов у эукариот. Если применяется вирус, неспособный формировать капсид (то есть существующий только в форме ДНК), то трансдукция принципиально не отличается от трансформации или от конъюгативного переноса генетического материала с помощью плазмид–векторов. Созданы системы векторов на основе модифицированных вирусов SV40 (они образуют в клетке до 100 тысяч копий), герпеса, осповакцины, вирус мозаики цветной капусты.

Следует еще раз подчеркнуть, что все описанные типы рекомбинации связаны не с добавлением новых участков ДНК, а с замещением уже имеющихся нуклеотидных последовательностей. Чем выше степень гомологии трансформирующей и исходной ДНК, тем выше вероятность успешной рекомбинации. Легче всего удается рекомбинация ферментов, имеющихся у всех организмов. Труднее ввести в геном новые регуляторы, отличающиеся высокой специфичностью. Поэтому для внедрения в геном новых генов используются более сложные методы, связанные с биохимическими модификациями ДНК.

Тема 7: Цитоплазматическое наследование. Генетика соматических клеток и тканей.

1. Цитоплазматическое наследование. Генетический материал полуавтономных органоидов. Пластидное наследование. Наследование через митохондрии. Цитоплазматическая мужская стерильность

2. Особые типы наследования. Предетерминация цитоплазмы. Наследование через инфекцию и эндосимбионтов

3. Генетика соматических клеток. Соматические мутации. Химеры. Генетика онкологических заболеваний.

Тема: Генетика микроорганизмов 1. Конъюгация, трансдукция, трансформация. 2. Изменчивость микроорганизмов. 3. Использование достижений генетики бактерий.

Наследственный аппарат бактерий имеет ряд особенностей: бактерии - гаплоидные организмы, т. е. они имеют 1 хромосому. В связи с этим при наследовании признаков отсутствует явление доминантности; бактерии обладают высокой скоростью размножения, в связи с чем за короткий промежуток времени (сутки) сменяется несколько десятков поколений бактерий. Это дает возможность изучать огромные по численности популяции и достаточно легко выявлять даже редкие по частоте мутации. Наследственный аппарат бактерий представлен хромосомой. У бактерий она одна. Хромосома бактерий - это молекула ДНК. Длина этой молекулы достигает 1, 0 мм и, чтобы "уместиться" в бактериальной клетке, она не линейная, как у эукариотов, а суперспирализована в петли и свернута в кольцо. Это кольцо в одной точке прикреплено к цитоплазматической мембране. На бактериальной хромосоме располагаются отдельные гены. У кишечной палочки, например, их более 2 тыс.

2. Функциональными единицами генома бактерий, кроме хромосомных генов, являются: IS-последовательности; транспозоны; плазмиды. IS-последовательности (англ. insertion - вставка, sequence - последовательность)- короткие фрагменты ДНК. Они не несут структурных (кодирующих тот или иной белок) генов, а содержат только гены, ответственные за транспозицию (способность IS-последовательностей перемещаться по хромосоме и встраиваться в различные ее участки). ISпоследовательности одинаковы у разных видов бактерий. Транспозоны - это молекулы ДНК, более крупные, чем IS последовательности. Помимо генов, ответственных за транспозицию, они содержат и структурный ген, кодирующий тот или иной признак. Транспозоны (Tn-элементы) состоят из 2000 -25 000 пар нуклеотидов, содержат фрагмент ДНК, несущий специфические гены, и два концевых ISэлемента. Каждый транспозон обычно содержит гены, привносящие важные для бактерии характеристики типа множественной устойчивости к антибактериальным агентам. В общем, для транспозонов характерны те же гены, что и для плазмид (гены устойчивости к антибиотикам, токсинообразования, дополнительных ферментов метаболизма). Транспозоны легко перемещаются по хромосоме. Их положение сказывается на экспрессии как их собственных структурных генов, так и соседних хромосомных. Транспозоны могут существовать и вне хромосомы,

Плазмиды - кольцевые суперспиралевидные молекулы ДНК. Их молекулярная масса колеблется в широких пределах и может быть в сотни раз больше, чем у транспозонов. Плазмиды содержат структурные гены, наделяющие бактериальную клетку разными, весьма важными для нее свойствами: R-плазмиды - лекарственной устойчивостью; Col-плазмиды - способностью синтезировать колицины; F-плазмиды - передавать генетическую информацию; Тох-плазмиды - синтезировать токсин; Плазмиды биодеградации - разрушать тот или иной субстрат и т. д. Плазмиды могут быть интегрированы в хромосому (в отличие от ISпоследовательностей и транспозонов, встраиваются в строго определенные участки), а могут существовать автономно. В этом случае они обладают способностью к автономной репликации, и именно поэтому в клетке может быть 2, 4, 8 копий такой плазмиды. Многие плазмиды имеют в своем составе гены трансмиссивности и способны передаваться от одной клетки к другой при конъюгации (обмене генетической информацией). Такие плазмиды называются трансмиссивными.

У бактерий различают 2 вида изменчивости - фенотипическую и генотипическую. Фенотипическая изменчивость - модификация - не затрагивает генотип, но затрагивает большинство особей популяции. Модификации не передаются по наследству и с течением времени затухают, т. е. возвращаются к исходному фенотипу через большее (длительные модификации) или меньшее (кратковре менные модификации) исло поколений. ч Генотипическая изменчивость затрагивает генотип. В ее основе лежат мутации и рекомбинации. Мутации бактерий принципиально не отличаются от мутаций эукариотических клеток. Особенностью мутаций у бактерий является относительная легкость их выявления, так как имеется возможность работать с большими по численности популяциями бактерий. По происхождению мутации могут быть: спонтанными; индуцированными. По протяженности: точечными; генными; хромосомными. По направленности: прямыми; - обратными.

Рекомбинации (обмен генетическим материалом) у бактерий отличаются от рекомбинаций у эукариот: у бактерий имеется несколько механизмов рекомбинаций; при рекомбинациях у бактерий образуется не зигота, как у эукариот, а мерозигота (несет полностью генетическую информацию реципиента и часть генетической информации донора в виде дополнения); у бактериальной клетки-рекомбината изменяется не только качество, но и количество генетической информации.

Конъюгация У бактерий - способ переноса генетического материала от одной бактериальной клетки к другой. При этом две бактерии соединяются тонким мостиком, через который из одной клетки (донора) в другую (реципиент) переходит отрезок нити дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Наследственные свойства реципиента изменяются в соответствии с количеством генетической информации, заключённой в переданном кусочке ДНК.

Конъюгация Конъюгация (от лат. conjugatio - соединение), парасексуальный процесс - однонаправленный перенос части генетического материала (плазмид, бактериальной хромосомы) при непосредственном контакте двух бактериальных клеток. Открыт в 1946 году Дж. Ледербергом и Э. Тайтемом. Имеет большое значение в природе, поскольку способствует обмену полезными признаками при отсутствии истинного полового процесса. Из всех процессов горизонтального переноса генов конъюгация позволяет передавать наибольшее количество генетической информации.

Конъюгация - обмен генетической информацией у бактерий путем передачи ее от донора к реципиенту при их прямом контакте. После образования между донором и реципиентом конъюгационного мостика одна нить ДНК-донора поступает по нему в клетку-реципиент. Чем дольше контакт, тем большая часть донорской ДНК может быть передана реципиенту. Основываясь на прерывании конъюгации через определенные промежутки времени, можно определить порядок расположения генов на хромосоме бактерий - построить хромосомные карты бактерий (произвести картирование бактерий). Донорской функцией обладают F+-клетки.

Трансдукция Эстер Ледерберг удалось выделить бактериофаг лямбда, ДНК вирус, из Escherichia coli K 12 в 1950 году. Собственно открытие трансдукции связано с именем Джошуа Ледерберга. В 1952 году они совместно с Нортоном Циндером обнаружили общую трансдукцию. В 1953 Ледербергом и др. было показано существование абортивной трансдукции, в 1956 - специфической.

Трансдукция- обмен генетической информацией у бактерий путем передачи ее от донора к реципиенту с помощью умеренных (трансдуцирующих) бактериофагов. Трансдуцирующие фаги могут переносить 1 или более генов (признаков). Трансдукиия бывает: специфической - переносится всегда один и тот же ген; неспецифической - передаются разные гены. Это связано с локализацией трансдуиируюших фагов в геноме донора: в случае специфической трансдукции они располагаются всегда в одном месте хромосомы; при неспецифической их локализация непостоянна.

Рис. 2. Трансдукция 1 - бактерия - донор (В+), 2 - фаг, 3 - размножение, 4 - адсорбция, 5 - бактерия - реципиент (В-), 6 - бактерия – реципиент с новым свойством.

Трансформация - это обмен генетической информацией у бактерий путем введения в бактериальную клетку реципиент готового препарата ДНК (специально приготовленного или непосредственно выделенного из клетки-донора). Чаще всего передача генетической информации происходит при культивировании реципиента на питательной среде, содержащей ДНК донора. Для восприятия донорской ДНК при трансформации клеткареципиент должна находиться в определенном физиологическом состоянии (компетентности), которое достигается специальными методами обработки бактериальной популяции или возникает спонтанно. При трансформации передаются единичные (чаще 1) признаки. Трансформация является самым объективным свидетельством связи ДНК или ее фрагментов с тем или иным фенотипическим признаком, поскольку в реципиентную клетку вводится чистый препарат ДНК.

Рис. 3. Трансформация капсульный штамм бактерии (1) при посеве дает рост (6). После кипячения этой культуры рост отсутствует (7). Аналогичен результат такого опыта с бескапсульным штаммом (4 -рост +, 8 -рост -). Объединение в одну емкость экстракта касульного (1) и живой культуры бескапсульного (3) штаммов с последующим высевом дает рост капсульного штамма (5).

Свойства клеток колоний S – и R- форм S-форма R-форма Колонии шероховатые, непрозрачные с неровными краями, часто морщинистые Жгутики часто отсутствуют Капсулы или слизистый слой отсутствует Биохимически менее активны Слабовирулентные или авирулентные Неполноценны в антигенном отношении Слабочувствительны к фагу Взвесь быстро оседает, осадок крошковидный, клетки полиморфные Колонии прозрачные, с гладкой блестящей поверхностью, круглые, с ровными краями, выпуклые Подвижные виды имеют жгутики У капсульных видов хорошо видна капсула или слизистый слой Биохимически более активны У патогенных видов выражены вирулентные свойства Полноценны в антигенном отношении Чувствительны к фагу Взвесь клеток в физиологическом растворе гомогенная, стойкая, клетки нормальных размеров

Генетические рекомбинации – перераспределение генетического материала родителей в потомстве, обусловливающее комбинативную изменчивость организмов. Они происходят при участии ферментов в пределах отдельных генов.

Конъюгация – перенос генетического материала из клетки-донора в клетку реципиента при тесном контакте. Донорами генетического материала являются клетки, несущие F-плазмиду. Бактериальные клетки, не имеющие F-плазмиды, являются реципиентами.

Первым этапом конъюгации является прикрепление клетки донора к реципиенту с помощью половых ворсинок. Между клетками образуется конъюгационный мостик, через который из клетки-донора в клетку-реципиент передается F-плазмида.

Если F-плазмида встроена в хромосому бактерии, происходит разрыв одной нити ДНК при участии эндонуклеазы. Проксимальный конец ДНК через конъюгационный мостик проникает в клетку-реципиент и сразу же достраивается до двунитевой структуры. Оставшаяся в клетке донора нить является матрицей для синтеза второй нити.

Трансформация – непосредственная передача генетического материала донора реципиентной клетке. Трансформация эффективно происходит только между бактериями одного вида, имеющими разный генотип.

Клетки, способные принимать донорскую ДНК, называются компетентными. Состояние компетентности возникает в период роста клетки и совпадает с концом логарифмической фазы.

Трансформирующей активностью обладают двунитевые фрагменты ДНК с молекулярной массой не менее 0,5-1х10 6

Процесс трансформации состоит из фаз:

1) адсорбция ДНК донора на клетке-реципиенте,

2) проникновение ДНК внутрь клетки-реципиента с последующей деспирализацией,

3) соединение одной нити ДНК с гомологичным участком хромосомы реципиента.

Трансдукция – передача генетического материала от одной бактерии к другой при помощи фагов. Различают:

1) неспецифическую трансдукцию – когда в клетку–реципиент вместе с фаговой ДНК переносится любой ген донора. Перенесенный фагом фрагмент ДНК бактерии-донора способен включаться в гомологичную область ДНК клетки-реципиента путем рекомбинации. Трансдуцирующий фаг является только переносчиком генетического материала от одних бактерий к другим, а сама фаговая ДНК не участвует в образовании рекомбинантов,

2) специфическую трансдукцию – фаг переносит специфические гены от бактерии-донора к бактерии-реципиенту. При взаимодействии трансдуцирующих фагов с клетками реципиентного штамма происходит включение гена бактерии-донора вместе с ДНК дефектного фага в хромосому бактерии-реципиента.

3) абортивную – когда принесенный фагом фрагмент ДНК бактерии-донора не включается в хромосому бактерии-реципиента, а располагается в ее цитоплазме и может в таком виде функционировать. Во время деления бактериальной клетки-рекомбинанта принесенный фрагмент ДНК донора передается только одной из дочерних клеток и со временем исчезает.

Тема 6: Учение об инфекции. Химиотерапевтические препараты. Антибиотики.

Вопросы для самоподготовки :

1. Инфекция. Условия возникновения и пути передачи возбудителя.

2. Формы инфекции и их характеристика.

3. Периоды инфекционной болезни.

4. Характеристика бактериальных токсинов.

5. Антибиотики: классификация, применение, осложнения при приеме антибиотиков.

6. Методы определения чувствительности микроорганизмов к антибиотикам.

7. Важнейшие группы химиотерапевтических препаратов и механизмы их действия.

Теоретический материал для самоподготовки :

Дата добавления: 2015-09-03 | Просмотры: 888 | Нарушение авторских прав