Способы передачи наследственного материала у бактерий и вирусов

Обновлено: 22.04.2024

Молекулярная биология, изучающая фундаментальные основы жизни, является в значительной степени детищем микробиологии. В качестве основных объектов изучения в ней используют вирусы и бактерии, а основное направление- молекулярная генетика основана на генетике бактерий и фагов.

Бактерии- удобный материал для генетики. Их отличает:

- относительная простота генома (сопокупности нуклеотидов хромосом);

- гаплоидность (один набор генов), исключающая доминантность признаков;

- различные интегрированные в хромосомы и обособленные фрагменты ДНК;

- половая дифференциация в виде донорских и реципиентных клеток;

- легкость культивирования, быстрота накопления биомасс.

Общие представления о генетике.

Ген- уникальная структурная единица наследственности, носитель и хранитель жизни. Он имеет три фундаментальные функции.

1.Непрерывность наследственности- обеспечивается механизмом репликации ДНК.

2.Управление структурами и функциями организма - обеспечивается с помощью единого генетического кода из четырех оснований (А- аденин, Т- тимин, Г- гуанин, Ц- цитозин). Код триплетный, поскольку кодон- функциональная единица, кодирующая аминокислоту, состоит из трех оснований (букв).

3.Эволюция организмов- благодаря мутациям и генетическим рекомбинациям.

В узкоспециальном плане ген чаще всего представляет структурную единицу ДНК, расположение кодонов в которой детерминирует первичную структуру соответствующей полипептидной цепи (белка). Хромосома состоит из особых функциональных единиц- оперонов.

Основные этапы развития (усложнения) генетической системы можно представить в виде следующей схемы:

кодон à ген à оперон à геном вирусов и плазмид à хромосома прокариот (нуклеоид) à хромосомы эукариот (ядро).

Генетический материал бактерий.

1.Ядерные структуры бактерий- хроматиновые тельца или нуклеоиды (хромосомная ДНК). У бактерий одна замкнутая кольцевидная хромосома (до 4 тысяч отдельных генов). Бактериальная клетка гаплоидна, а удвоение хромосомы (репликация ДНК) сопровождается делением клетки. Вегетативная репликация хромосомной (и плазмидной) ДНК обусловливает передачу генетической информации по вертикали- от родительской клетки- к дочерней. Передача генетической информации по горизонтали осуществляется различными механизмами- в результате конъюгации, трансдукции, трансформации, сексдукции.

2.Внехромосомные молекулы ДНК представлены плазмидами, мигрирующими генетическими элементами- транспозонами и инсервационными (вставочными) или IS- последовательностями.

Плазмиды- экстрахромосомный генетический материал (ДНК), более просто устроенные по сравнению с вирусами организмы, наделяющие бактерии дополнительными полезными свойствами. По молекулярной массе плазмиды значительно меньше хромосомной ДНК, содержат от 40 до 50 генов.

Их объединение в одно царство жизни с вирусами связано с наличием ряда общих свойств- отсутствием собственных систем мобилизации энергии и синтеза белка, саморепликацией генома, абсолютным внутриклеточным паразитизмом.

Их выделение в отдельный класс определяется существенными отличиями от вирусов.

1.Среда их обитания- только бактерии (среди вирусов , кроме вирусов бактерий- бактериофагов имеются вирусы растений и животных).

2.Плазмиды сосуществуют с бактериями, наделяя их дополнительными свойствами. У вирусов эти свойства могут быть только у умеренных фагов при лизогении бактерий, чаще же всего вирусы вызывают отрицательный последствия, лизис клеток.

3.Геном представлен двунитевой ДНК.

4.Плазмиды представляют собой “голые” геномы, не имеющие никакой оболочки, их репликация не требует синтеза структурных белков и процессов самосборки.

Плазмиды могут распространяться по вертикали (при клеточном делении) и по горизонтали, прежде всего путем конъюгационного переноса. В зависимости от наличия или отсутствия механизма самопереноса (его контролируют гены tra- оперона) выделяют конъюгативные и неконъюгативные плазмиды. Плазмиды могут встраиваться в хромосому бактерий- интегративные плазмиды или находиться в виде отдельной структуры- автономные плазмиды ( эписомы).

Классификация и биологическая роль плазмид.

Функциональная классификация плазмид основана на свойствах, которыми они наделяют бактерии. Среди них- способность продуцировать экзотоксины и ферменты, устойчивость к лекарственным препаратам, синтез бактериоцинов.

Основные категории плазмид.

1.F- плазмиды - донорские функции, индуцируют деление (от fertility - плодовитость). Интегрированные F - плазмиды- Hfr- плазмиды (высокой частоты рекомбинаций).

2.R- плазмиды (resistance) - устойчивость к лекарственным препаратам.

3.Col- плазмиды- синтез колицинов (бактериоцинов)- факторов конкуренции близкородственных бактерий (антогонизм). На этом свойстве основано колицинотипирование штаммов.

4.Hly- плазмиды- синтез гемолизинов.

5.Ent- плазмиды- синтез энтеротоксинов.

6.Tox- плазмиды- токсинообразование.

Близкородственные плазмиды не способны стабильно сосуществовать, что позволило объединить их по степени родства в Inc- группы (incompatibility- несовместимость).

Биологическая роль плазмид многообразна, в том числе:

- контроль генетического обмена бактерий;

- контроль синтеза факторов патогенности;

- совершенствование защиты бактерий.

Бактерии для плазмид- среда обитания, плазмиды для них- переносимые между ними дополнительные геномы с наборами генов, благоприятствующих сохранению бактерий в природе.

Мигрирующие генетические элементы - отдельные участки ДНК, способные определять свой перенос между хромосомами или хромосомой и плазмидой с помощью фермента рекомбинации транспозазы. Простейшим их типом являются инсерционные последовательности (IS- элементы) или вставочные элементы, несущие только один ген транспозазы, с помощью которой IS- элементы могут встраиваться в различные участки хромосомы. Их функции- координация взаимодействия плазмид, умеренных фагов, транспозонов и генофора для обеспечения репродукции, регуляция активности генов, индукция мутаций. Величина IS- элементов не превышает 1500 пар оснований.

Транспозоны (Tn- элементы) включают до 25 тысяч пар нуклеотидов, содержат фрагмент ДНК, несущий специфические гены, и два Is- элемента. Каждый транспозон содержит гены, привносящие важные для бактерии характеристики, как и плазмиды (множественная устойчивость к антибиотикам, токсинообразование и т.д.). Транспозоны- самоинтегрирующиеся фрагменты ДНК, могут встраиваться и перемещаться среди хромосом, плазмид, умеренных фагов, т.е. обладают потенциальной способностью распространяться среди различных видов бактерий.

Понятие о генотипе и фенотипе.

Генотип- вся совокупность имеющихся у организма генов.

Фенотип- совокупность реализованных (т.е. внешних) генетически детерминированных признаков, т.е. индивидуальное (в определенных условиях внешней среды) проявление генотипа. При изменении условий существования фенотип бактерий изменяется при сохранении генотипа.

Изменчивость у бактерий может быть ненаследуемой (модификационной) и генотипической (мутации, рекомбинации).

Временные, наследственно не закрепленные изменения, возникающие как адаптивные реакции бактерий на изменения окружающей среды, называются модификациями (чаще - морфологические и биохимические модификации). После устранения причины бактерии реверсируют к исходному фенотипу.

Стандартное проявление модификации- распределение однородной популяции на две или более двух типов- диссоциация. Пример- характер роста на питательных средах: S- (гладкие) колонии, R- (шероховатые) колонии, M- (мукоидные, слизистые) колонии, D- (карликовые) колонии. Диссоциация протекает обычно в направлении Sà R. Диссоциация сопровождается изменениями биохимических, морфологических, антигенных и вирулентных свойств возбудителей.

Мутации- скачкообразные изменения наследственного признака. Могут быть спонтанные и индуцированные, генные (изменения одного гена) и хромосомные (изменения двух или более двух участков хромосомы).

Одновременно у бактерий имеются различные механизмы репарации мутаций, в том числе с использованием ферментов- эндонуклеаз, лигаз, ДНК- полимеразы.

Генетические рекомбинации- изменчивость, связанная с обменом генетической информации. Генетические рекомбинации могут осуществляться путем трансформации, трансдукции, конъюгации, слияния протопластов.

1.Трансформация- захват и поглощение фрагментов чужой ДНК и образование на этой основе рекомбинанта.

2.Трансдукция- перенос генетического материала фагами (умеренными фагами- специфическая трансдукция).

3.Конъюгация- при непосредственном контакте клеток. Контролируется tra (transfer) опероном. Главную роль играют конъюгативные F- плазмиды.

Геном вирусов содержит или РНК, или ДНК (РНК- и ДНК- вирусы соответственно). Выделяют позитивную (+) РНК, обладающую матричной активностью и соответственно- инфекционными свойствами, и негативную ( - ) РНК, не проявляющую инфекционные свойства, которая для воспроизводства толжна транскрибироваться (превращаться) в +РНК. Механизмы репродукции различных вирусов очень сложные и существенно отличаются. Основные их схематические варианты представлены ниже.

1. вирионная (матричная) +РНК à комплементарная -РНК (в рибосомах) à вирионная +РНК.

2. - РНК à вирусная (информационная) +РНК à - РНК (формируется на геноме зараженной клетки).

3. однонитевая ДНК: +ДНК à +ДНК -ДНК à +ДНК -ДНК +ДНК à +ДНК.

4. ретровирусная однонитевая РНК: РНК à ДНК (провирус) à РНК.

5. двунитевая ДНК: разделение нитей ДНК и формирование на каждой комплементарной нити ДНК.

Генофонд вирусов создается и пополняется из четырех основных источников:

двух внутренних (мутации, рекомбинации) и двух внешних (включение в геном генетического материала клетки хозяина, поток генов из других вирусных популяций).

Комплементация- функциональное взаимодействие двух дефектных вирусов, способствующее их репликации и горизонтальной передаче.

Фенотипическое смешивание- при заражении клетки близкородственными вирусами с образованием вирионов с гибридными капсидами, кодируемыми геномами двух вирусов.

Популяционная изменчивость вирусов связана с двумя разнонаправленными процессами - мутациями и селекцией, связанными с внешней средой как индуктором мутаций и фактором стабилизирующего отбора. Гетерогенность вирусных популяций- адаптационный генетический механизм, способствующий пластичности (устойчивости, приспособляемости) популяций, фактор эволюции и сохранения видов во внешней среде.

Генофонд вирусных популяций сохраняется за счет нескольких механизмов:

- восстановления изменчивости за счет мутаций;

- резервирующих механизмов (возможность перехода любых, даже негативных мутаций в следующую генерацию)- комплементация, рекомбинация;

- буферных механизмов (образование дефектных вирусных частиц, иммунных комплексов и др.), способствующие сохранению вируса в изменяющихся внешних условиях.

БАКТЕРИИ. Химический состав клеток бактерий в основном такой же, как и у клеток высокоорганизованных организмов. Они окружены оболочкой, внутри которой находится цитоплазма, ядерный аппарат, рибосомы, ферменты и другие включения. В отличие от клеток эукариот в клетках бактерий отсутствуют митохондрии, аппарат Гольджи, эндоплазматическая сеть. Цитоплазма бактерий представляет собой коллоидную часть клетки с гранулярной (зернистой) структурой. Основную массу гранул составляют рибосомы с константой седиментации 70S, участвующие в синтезе белка. В центральной части цитоплазмы бактерий расположен ядерный аппарат - нуклеотид и плазмиды. Ядро прокариот называется нуклеотидом по той причине, что оно в отличии от эукариот не изолировано от цитоплазмы мембраной и представлено одной очень длинной молекулой ДНК (хромосомой). Хромосома бактерии E. coli включает около 5*10 6 пар оснований, имеет имеет молекулярную массу 3*10 9 Д.В хромосоме кишечной палочки ДНК замкнута в кольцо и состоит из дискретно расположенных генов. Длина молекулы ДНК в расправленном состоянии достигает 1 мм, что значительно превышает среднюю длину самой бактерии.

ДНК бактерий не отличается по строению от ДНК высших организмов. Она содержит те же четыре нуклеотида, в состав каждого из которых входят дезоксирибоза, остаток фосфорной кислоты и пуриновое (аденин или гуанин) или пиримидиновое (тимин или цитозин) основание. Соединение мононуклеотидных остатков осуществляется сложноэфирными мостиками.

ВИРУСЫ. Вирусная частица содержит в своём составе одну из нуклеиновых кислот, которая окружена белковой оболочкой (капсидом). Геном вирусов может быть представлен двухцепочной или одноцепочной ДНК, одноцепочной или двухцепочной РНК. Типичная частица состоит из головки и хвостового отростка. В головке плотно упакована ДНК. Головку и хвостовой отросток покрывает белковый чехол. На конце хвостового отростка имеются специальные волоконца, облегчающие прикрепление фага к оболочке бактерий.

7. Внехромосомные факторы наследования.

Наследование признаков через цитоплазму называется внехромосомной. Цитоплазма влияет на активность проявления гена. Некоторые её органоиды, имеющие свою систему белкового синтеза (митохондрии, пластиды), могут влиять на развитие определённых признаков. В процессе развития наблюдается сложное взаимодействие ядра и цитоплазмы. Но определяющую роль всё-таки играет ядро.

8. Роль плазмид в определении у бактерий свойств устойчивости к антибиотическим лекарственным веществам.

У некоторых непатогенных и патогенных видов бактерий обнаружены факторы резистентности к лекарственным веществам – R-факторы. Это довольно крупные плазмиды. Они, присутствуя в цитоплазме бактерий и передаваясь их поколения в поколение, обуславливают устойчивость бактерий к действию одного или нескольких лекарственных веществ.

9. Способы передачи наследственной информации у микроорганизмов: трансформация, трансдукция и конъюгация.

В процессе трансформации принимают участие две бактериальные клетки – донор и реципиент. Трансформирующий агент представляет собой часть молекулы ДНК донора, которая внедряется в геном реципиента, изменяя его фенотип. В процессе трансформации клетки донора и реципиента не соприкасаются друг с другом. Механизм переноса генетического материала заключается в том, что из клеток донора выделяются в окружающую среду молекулы или фрагменты молекул ДНК. Сначала ДНК адсорбируется на оболочке клетки реципиента. Затем через определённые рецепторные участки её стенки при помощи специальных клеточных белков ДНК втягивается внутрь клетки. Проникающая донорская ДНК должна быть двухцепочной. В реципиентной клетке она становиться одноцепочной.

Трансдукция – это перенос генов из одной бактериальной клетки в другую при помощи умеренных фагов. При переносе генетического материала происходит замена участка молекулы ДНК фага. Фаг при это теряет свой собственный фрагмент и становиться дефектным. Различают три вида трансдукции: общую, или неспецифическую, специфическую и абортивную.

Конъюгация – это передача генетического материала от одних бактерий другими при их скрещивании.

результате поглощенной из среды свободного фрагмента ДНК клет-ки-донора.

В процессе трансформации различают пять стадий: 1— адсорбция трансформирующей ДНК

на поверхность микробной клетки; 2 — проникновение ДНК в клетку - реципиент; 3 —

спаривание внедрившейся ДНК с хромосомными структурами клетки; 4 — включение

участка ДНК клетки-донора в хромосомные структуры реципиента; 5— дальнейшее

изменение нуклеотида в ходе последующих делений.

Трансдукция. Трансдукцией называют передачу ДНК от клетки-донора клетке-реципиенту

при участии бактериофагов. Трансдуцирующими свойствами обладают в основном

Абортивная трансдукция — перенос фагом участка ДНК клетки-донора в клетку-реципиент,

которая не включается в ее геном, а следовательно, проявление нового признака не

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.

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.

15 Понятие о иммунитете и иммунной системе. Генетический контроль иммунного

Иммунитет – способность поддерживать генеостаз (постоянство внутренней среды). Все

средства защиты разделяются на специфические и неспецифические. Специфические -

появляется иммунитет через 48 часов после контакта с патогенном (латентный период) и

действует против строго определённого патогенна – адентивный иммунный ответ.

Неспецифические факторы защиты препятствуют размножению патогена в латентный

период; действуют против любого патогенна с разной эффективностью – воспалительная

реакция. К ним относят кожа и слизистая, клеточная защита, гуморальная защита. Кожа и

слизистая: явл-ся преградой на пути микробов; на поверхности кожи высокое осмотическое

давление, молочная кислота, ненасыщенные жирные кислоты; слизистая выделяет секреты с

бактерицидными свойствами, в том числе желудочный и кишечный сок. Всё это

неблагоприятно для развития микробов. Если микробы внедрились в подкожную клетчатку

или в подслизистую ткань, место внедрения – ворота инфекции. Сюда устремляется группа

фагоцитов. Клеточная защита – фагоцитоз. Гл роль в нем играют лейкоциты – при остром

воспалении; фагоциты – при хроническом воспалении. Микроб, захваченный фагоцитом,

может подвергнуться полному перевариванию – завершённый фагоцитоз. Микроб внутри

лейкоцита размножается – незавершённый фагоцитоз. В таком виде патоген не доступен

действию антител. Многие микробы имеют капсулы, выделяют токсины => полиинфекции

покрываются погибшими эритроцитами микробов и продуктами распада. Развиваетсявоспаление. В этот очаг поступает жидкая часть крови и лимфы, кот содерж гуморальные

факторы защиты – стволовые лимфоидные клетки превращаются в В – лимфоциты, кот

ответственны за реализацию гуморального иммунного ответа. В – система ответственна за

иммунитет при многих бактериальных инфекциях, антитоксический иммунитет, аллергию

немедленного типа. В – лимфоциты имеют рецепторы – макромолекулярные структуры

клеточной поверхности, с помощью кот клетки узнают антигены. Иммунный ответ, или

иммунологическая реактивность, - высокоспецифическая форма реакции организма на

чужеродные вещества (антигены). При иммунном ответе происходят распознавание

чужеродного агента. При введении антигена возникает первичный иммунный ответ - через 2

дня в крови образуются антитела, титр которых возрастает, достигает максимума, а затем

падает. Вторичный иммунный ответ возникает на повторное введение того же антигена и

характеризуется более высоким и быстрым нарастанием титра антител. Подобная реакция

более усиленного образования антител на повторное введение антигена – иммунологическая

память При вирусной инфекции ДНК или РНК вируса попадает в клетку, а вирусные белки

остаются на клеточной мембране. Цитотоксические Т-киллеры своими рецепторами узнают

вирусные антигены только в комбинации с белком главного комплекса гистосовместимости

МНС класса 1.В отличие от антител Т-рецепторы не узнают и не связывают антиген, если тот

не находится вместе с белком МНС. После узнавания антигенов цитотоксические Т-клетки

убивают зараженные вирусом клетки. Мутации любых локусов, обусловливающие разные

звенья иммунной системы организма, влияют на иммунный ответ. Гены иммунного ответа.

Гены, кодирующие иммунный ответ, наз-ся генами иммунного ответа Высота иммунного

ответа детерминирована многими генами иммунного ответа, обозначаемыми Iг-1, Iг-2 и т. д.

Контроль иммунного ответа осуществляется Iг-генами путем контроля синтеза Iа-белков. Во

многих случаях иммунный ответ против антигенов наследуется полигенно. Гены иммунного

ответа: 1) Ir-гены определяют количество синтезируемых антител против определенных

антигенов; 2) Ir-гены не сцеплены с локусами, кодирующими иммуноглобулины; 3) Ir-гены

высокоспецифичны. 4) между генами, контролирующими высокий или низкий иммунный

ответ против различных антигенов, в основном не существует никакой связи. Теории

иммунитета: 1) клонально-селекционная теория Ф. Бернета (1959). Она основана на четырех

основных принципах: а) в организме имеется большое число лимфоидных клеток; б)

популяция лимфоидных клеток гетерогенна, и в результате интенсивного деления клеток

образуется большое число клонов; в) небольшое количество антигена стимулирует клон

клеток к размножению; г) большое количество антигена элиминирует соответствующий

клон. 2) Сетевая теория. Согласно неё антитела не только узнают антиген, но и сами