5132

Генетика микроорганизмов. Генотипическая изменчивость

Реферат

Биология и генетика

Генетика микроорганизмов До 40-х гг. 20 в. считалось, что, поскольку у микроорганизмов нет ядерного аппарата и мейоза, на них не распространяются законы Менделя и хромосомная теория наследственности. С начала 40-х гг. микроорганизмы становятся объек...

Русский

2012-12-03

474.5 KB

74 чел.

Генетика микроорганизмов

До 40-х гг. 20 в. считалось, что, поскольку у микроорганизмов нет ядерного аппарата и мейоза, на них не распространяются законы Менделя и хромосомная теория наследственности. С начала 40-х гг. микроорганизмы становятся объектом интенсивных генетических исследований. Именно на них были решены многие кардинальные вопросы современной генетики. Так, первое указание на то, что материальным носителем наследственности служит дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), было получено в опытах на пневмококках (американские генетики О. Т. Эйвери, К. Мак-Леод и М. Маккарти). Примерно в то же время были начаты интенсивные генетические исследования на хлебной плесени - нейроспоре. Изучение многочисленных биохимических мутантов нейроспоры (Дж. У. Бидл и Э. Л. Тейтем, США) привело к установлению очень важного положения: один ген - один фермент (ныне это положение более точно формулируется так: один ген - одна полипептидная цепь). Генетические исследования микроорганизмов особенно интенсивно стали развиваться после того, как американские генетики С. Лурия и М. Дельбрюк показали на кишечной палочке (Escherichia coli), что и бактерии подчиняются мутационным закономерностям. Ранее существовавшее представление об адекватной, адаптивной изменчивости у бактерий возникло вследствие методической ошибки, заключавшейся в изучении культуры как единицы изменчивости. Был предложен новый принцип изучения изменчивости у бактерий - клональный анализ, т. е. изучение потомства одной клетки - родоначальницы клона. Важной вехой в развитии генетики микроорганизмов явился разработанный американскими генетиками Дж. и Э. Ледербергами метод реплик, или отпечатков, позволивший доказать, что мутации возникают у бактерий независимо от условий культивирования, и, кроме того, значительно упростивший приёмы отбора вариантов микроорганизмов с желаемыми свойствами. Оказалось, что в больших популяциях бактериальных клеток мутации возникают спонтанно. В 1946 был открыт половой процесс у бактерий (конъюгация), что позволило применить для их исследования генетический анализ. В рсзультате установлены наличие у бактерий рекомбинации, существование у них генетических групп сцепления и построены генетические карты их хромосом.

Важнейшими признаками живых организмов являются изменчивость и наследственность.

Основу наследственного аппарата бактерий, как и всех других организмов, составляет ДНК (у РНК-содержащих вирусов — РНК).

Наряду с этим наследственный аппарат бактерий и возможности его изучения имеют 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.
  •  Высокая разрешающая способность методов генетического анализа бактерий и вирусов, позволяющая обнаружить их мутантов с частотой
    10
    -9 и ниже.
  •  Половая дифференциация, заключающаяся в существовании донорных  и реципиентных бактериальных клеток, соответственно отдающих или воспринимающих генетическую информацию.
  •  Наличие у бактерий обособленных фрагментов ДНК – плазмид, транспозонов и Is-последовательностей.

Генетическая система бактерий состоит из ядерных и внеядерных структур. Аналог ядра прокариотов значительно отличается от ядра эукариотических клеток. Он представлен нуклеоидом, лишенным оболочки и включающем в себя почти всю ДНК бактерии.

Хотя бактерии являются гаплоидными организмами, т.е. имеют один набор генов, содержание ДНК у них непостоянно, оно может при благоприятных условиях достигать значений, эквивалентных по массе 2, 4, 6 и даже 8 хромосомам.

Бактериальная хромосома состоит из одной двунитевой молекулы ДНК кольцевой формы. Молекула ДНК построена из двух полинуклеотидных цепочек. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара дезоксирибозы и фосфатной группы. Азотистые основания представлены пуринами (аденин, гуанин) и пиримидинами (тимин, цитозин). Каждый нуклеотид обладает полярностью. У него имеются дезоксирибозный 3' -конец и фосфатный 5' -конец. Нуклеотиды соединяются в полинуклеотидную цепочку фосфодиэфирными связями между 5' -концом одного нуклеотида и 3' -концом другого. Соединение между двумя цепочками обеспечивается водородными связями комплементарных азотистых оснований: аденина с тимином, гуанина с цитозином.

Нуклеотидные цепи антипараллельны: на каждом конце линейной молекулы ДНК расположены 5' -конец одной цепи и 3' -конец другой цепи. Наследственная информация у бактерий хранится в форме последовательности нуклеотидов ДНК, которая определяет последовательность аминокислотных остатков в молекуле белка. Каждому белку соответствует свой ген, т.е., дискретный участок на ДНК, отличающийся числом и специфичностью последовательности нуклеотидов. Бактериальная хромосома содержит до 4000 отдельных генов. Совокупность всех генов называется геномом. Внешнее проявление генома называется фенотипом . Размеры бактериальной хромосомы у различных представителей царства Procaryotae варьируют от 3 х 10 8 до 2,5 х 10 9  Д. Бактериальная клетка гаплоидна, а удвоение хромосомы всегда сопровождается ее делением.

У бактерий в естественных условиях передача генетической информации происходит не только по вертикали, т.е. от родительской клетки к дочерним, но и по горизонтали с помощью различных механизмов: конъюгации, сексдукции, трансдукции,трансформации.  

У бактерий очень часто помимо хромосомного генома имеется дополнительный плазмидный геном, наделяющий их важными биологическими свойствами, специфическим (приобретенным) иммунитетом к различным антибиотикам и другим химиопрепаратам.

Большая роль в изменчивости бактерий и других организмов принадлежит так называемым транспонируемым генетическим элементам, т.е. генетическим структурам, способным в интактной форме перемещаться внутри данного генома или переходить от одного генома к другому, например от плазмидного генома к бактериальному и наоборот. Различают четыре класса транспонируемых элементов:

1) IS-последовательности;

2) транспозоны;

3) эписомы

4) плазмиды.

IS-(инсерционные) последовательности(англ. insertion-вставка) – это короткие фрагменты ДНК, мигрирующие от одной хромосомы к другой, или между хромосомой и плазмидой. IS-элементы имеют обычно размеры, не превышающие 2 тысяч пар оснований, или 2 кб( килобаза-тысяча пар оснований). IS-элементы несут только один ген, кодирующий белок транспозазу, с помощью которой IS-элементы встраиваются в различные участки хромосомы. Их обозначают цифрами: IS1, IS2, IS3 и т.д. Содержат только гены, необходимые для собственной миграции. Фенотипических признаков не кодируют, самостоятельно не реплицируются.

Функции IS-элементов:

  1.  Координировать взаимодействие транспозонов, плазмид и умеренных фагов как между собой, так и с хромосомой бактериальной клетки и обеспечивать их рекомбинацию.
  2.  Вызывать инактивацию гена, в котором произошла интеграция IS-последовательности («выключение гена»), либо, будучи встроенными в определенном положении в бактериальную хромосому, служить промотором (участками ДНК, регулирующих экспрессию подлежащих структурных генов бактерий – реципиентов), который включает транскрипцию соответствующих генов, выполняя регуляторную функцию.
  3.  Индуцировать мутации типа делеций или инверсий при перемещении и дупликации в 5-9 парах нуклеотидов при включении в бактериальную хромосому.

 

Транспозоны – это более крупные молекулы ДНК. Так же как IS-последовательности являются мигрирующими генетическими элементами. Представляют собой нуклеотидные последовательности, включающие от 2000 до 20500 пар нуклеотидов, которые несут генетическую информацию, необходимую для транспозиции. При включении в бактериальную ДНК они вызывают в ней дупликации, а при перемещении – делеции и инверсии.  Они реплицируются только в составе бактериальной хромосомы. При этом новые копии транспозонов могут мигрировать в некоторые плазмиды и ДНК фагов, которые, проникая в бактериальные клетки, способствуют их распространению в популяции. Т.о. важнейшим свойством транспозонов является их способность к перемещению с одного репликона (хромосомная ДНК)  на другой (плазмида) и наоборот. Помимо генов,  ответственных за транспозицию, они содержат и структурный ген, кодирующий тот или иной признак.

Кроме того некоторые транспозоны, так же как плазмиды, выполняют регуляторную и кодирующую функцию. В частности, они могут нести информацию для синтеза бактериальных токсинов, а также ферментов разрушающих или модифицирующих  антибиотики. Транспозоны имеют особые концевые структуры нескольких  типов, которые являются маркерами, позволяющими отличать их от других фрагментов ДНК. При интеграции транспозонов в хромосому клетки животных или человека они приобретают удивительное сходство с провирусами, находящимися в составе их хромосом. Транспозоны, как и IS-последовательности обозначают порядковым номером:Tn1, Tn2, Tn3 и т.д. Транспозоны могут существовать и вне хромосомы (автономно), но неспособны к автономной репликации.

Эписомы (умеренные лизогенные и дефектные фаги). Встраиваясь в хромосому, эти фаги вызывают лизогению бактерий, которые могут приобретать новые признаки. Собственно эписомы – это вирусы, обладающие, подобно другим транспонируемым элементам, способностью в интактной форме переходить из одного генома в другой. Изменчивость лизогенных бактерий связана либо с приобретением генов, переносимых данными фагами от их предыдущих хозяев (бактерий-доноров), либо с экспрессией «молчащих» генов бактерий-реципиентов. В последнем случае фаговая ДНК, встраиваясь вблизи поврежденного промотора, заменяет его. При этом синтезируются  определенные продукты, например протоксины дифтерийных бактерий, ряда клостридий и др.

 Плазмиды – дополнительный внехромосомный генетический материал. Представляет собой кольцевую, двунитевую молекулу ДНК, гены которой кодируют дополнительные свойства, придавая селективные преимущества клеткам. Плазмиды способны к автономной репликации, т. е. независимо от хромосомы или под слабым ее контролем. За счет автономной репликации плазмиды могут давать явление амплификации: одна и та же плазмида может находиться в нескольких копиях, тем самым усиливая проявление данного признака.

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 или  конъюгативными, которые имеют более крупные размеры и наряду с генетической областью, контролирующей их репликацию, содержат также так называемую tra-область или tra-оперон(англ. transfer перенос). который определяет способность клетки, содержащей плазмиду, быть генетическим донором, т.е. вступать в конъюгацию с другой клеткой (реципиентом) и передавать ей свой генетический материал (плазмидную либо хромосомную ДНК). Под контролем tra-генов синтезируются поверхностные «половые» ворсинки (F-пили) клетки-донора, необходимые для ее конъюгации с клеткой-реципиентом, а также ферменты, обеспечивающие метаболизм ДНК в процессе конъюгации. Неконъюгативные плазмиды. обычно не содержат tra-оперона и поэтому не могут самостоятельно передаваться из одной клетки в другую. Однако передача неконъюгативной плазмиды возможна за счет продуктов (белков) tra-генов конъюгативной плазмиды, находящейся вместе с неконъюгативной плазмидой  в одной и той же клетке. Конъюгативные плазмиды переносятся от бактерии к бактерии внутри вида или между представителями близкородственных видов в процессе конъюгации. Чаще всего конъюгативными плазмидами являются F - или R -плазмиды. Подобные плазмиды относительно крупные (25-150 млн Д) и часто выявляются у грамотрицательных палочек. Большие плазмиды обычно присутствуют в количестве 1-2 копий на клетку и их репликация тесно связана с репликацией бактериальной хромосомы.

Неконъюгативные плазмиды обычно имеют небольшие размеры и характерны для грамположительных кокков, но встречаются также у некоторых грамотрицательных микроорганизмов (например, у Haemophilus influenzae, Neisseria gonorrhoeae ). Мелкие плазмиды могут присутствовать в больших количествах (более 30 на клетку), так как только наличие такого количества обеспечивает их распределение в потомстве во время клеточного деления. При наличии в бактерии одновременно конъюгативных и неконъюгативных плазмид донор может передавать и неконъюгативные плазмиды за счет связывания генетического материала последних с факторами, обеспечивающими их перенос в процессе конъюгации.

Самостоятельная репликация плазмидной ДНК способствует ее сохранению и распространению в потомстве. Встраивание плазмид, так же как и профагов, происходит только в гомологичные участки бактериальной хромосомы, в то время как IS-последовательностей и транспозонов – в любой ее участок.

В зависимости от свойств признаков, которые кодируют плазмиды, различают:

1) R-плазмиды. Известно большое количество R-плазмид, определяющих устойчивость бактерий-хозяев к разнообразным лекарственным препаратам. Передача R-плазмид от одних бактерий к другим привела к их широкому распространению среди патогенных и условно-патогенных бактерий, что чрезвычайно осложнило химиотерапию вызываемых ими заболеваний.

R-плазмиды имеют сложное молекулярное строение. В их состав входят: r-ген, который может содержать более мелкие мигрирующие элементы – IS-последовательности, транспозоны и tra-опероны. R-ген, ответственнен за устойчивость бактерий к какому-либо антибиотику или модификацию. Значительное число r-генов является транспозонами, которые могут перемещаться от плазмиды- носителя в другие репликоны. В одном r-гене может содержаться несколько транспозонов, контролирующих устойчивость к разным антибиотикам. Этим объясняется множественная лекарственная резистентность.

Tra-оперон, обеспечивающий конъюгативность плазмиды, входит в состав –плазмид грамотрицательных бактерий. Грамположительные бактерии содержат в основном неконъюгативные плазмиды, которые могут передаваться от одной бактерии к другой путем трансдукции.

2) F-плазмиды.  Представляет собой циркулярно замкнутую нить ДНК. Она контролирует синтез половых ворсинок (sex или F-pili), которые способствуют эффективному спариванию бактерий-доноров с реципиентными клетками при конъюгации. Данная плазмида реплицируется в независимом от хромосомы состоянии и передается при конъюгации в клетки бактерий-реципиентов. Перенос генетического материала (ДНК) детерминируется tra-опероном F-плазмиды (англ. transfer перенос), обеспечивающим ее конъюгативность. F-плазмиду можно удалить (элиминировать) из клетки, обработав последнюю некоторыми веществами, например акриловым оранжевым, в результате чего клетки теряют свойства донора. Сравнительно легкая элиминация и очень быстрая и эффективная передача F-плазмиды реципиентным клеткам дали основание считать, что она располагается в цитоплазме бактерий вне хромосомы. Однако F-плазмида может встраиваться в бактериальную хромосому и находиться с ней в интегрированном состоянии

3) Col-плазмиды. Кодируют синтез бактериоцинов. Это бактерицидные вещества, действующие на близкородственные бактерии;

Бактериоцины обнаружены у кишечных бактерий (колицины), бактерий чумы (пестицины), холерных вибрионов (вибриоцины), стафилококков (стафилоцины).  

Колицины энтеробактерий (продуцируемые под контролем колициногенных плазмид) представляют собой вещества белковой природы. Известно более 25 типов колицинов, различающихся по своим физико-химическим свойствам и по способности адсорбироваться на определенных участках поверхности бактериальных клеток. Они обозначаются латинскими буквами A, B, C, D, E1, E2, K и т.д. При обычных условиях культивирования в большинстве клеток бактериальной популяции, содержащей колициногенные особи, синтеза колицина не происходит. Примерно в одной из 1000 клеток отмечается так называемая спонтанная продукция колицина. Однако количество колицинпродуцирующих клеток может быть резко увеличено при обработке бактерий УФ-лучами и некоторыми другими агентами. Механизм бактерицидного действия колицинов неодинаков. Показано, что после адсорбции на рецепторах наружной мембраны бактерий один из колицинов (Е3) нарушает функцию рибосом, другой (Е) является ферментом – эндодезоксирибонуклеазой. Имеются колицины, действующие на цитоплазматическую мембрану бактерий. Колициногенные (Col) плазмиды находятся в клетках энтеробактерий в автономном состоянии и передаются при конъюгацииибез сцепления с хромосомой. Однако некоторые из них (ColV, ColB) могут встраиваться в бактериальную хромосому и находиться в ней в интегрированном состоянии. Они так же как F-плазмиды, передаются путем конъюгации в реципиентные клетки, благодаря имеющемуся у них tra-оперону.

Широкое распространение бактериоциногении среди микрофлоры организма человека имеет экологическое значение как один из факторов, влиляющих на формирование микробных биоценозов. Вместе с тем колицины, продуцируемые кишечной палочкой – нормальным обитателем кишечника, могут губительно действовать на патогенные энтеробактерии, попавшие в кишечник, способствуя нормализации его естественного микробиоценоза.

Способность продуцировать различные типы колицинов используется для эпидемиологического маркирования. Такое типирование осуществляется путем определения типа Col-плазмиды (колициногенотипирование) или типа колицина, образуемого патогенными бактериями (колицинотипирование).

4) Плазмиды патогенности:  

  •  Tox-плазмиды. Кодируют выработку экзотоксинов;
  •  Hly-плазмиды. Кодирует синтез гемолизинов

5) Плазмиды биодеградации. Кодируют ферменты деградации (утилизации) природных (мочевина, углеводы) и неприродных (толуол, камфора, нафталин) соединений, необходимых для использования в качестве источников углерода или энергии, что обеспечивает им селективные преимущества перед другими бактериями данного вида. Патогенным бактериям подобные плазмиды придают преимущества перед представителями аутомикрофлоры.

Например, урологические штаммы кишечных палочек содержат плазмиду гидролизации мочевины. Плазмиды биодеградации несут информацию об утилизации ряда сахаров ( лактоза, сахароза, раффиноза и др.) и образовании протеолитических ферментов.

Криптические (скрытые) плазмиды не содержат генов, которые можно было бы обнаружить по их фенотипическому проявлению.

Потеря клеткой плазмиды не приводит к ее гибели. В одной и той же клетке могут находиться разные плазмиды.

Изменчивость у бактерий

Различают два вида изменчивостифенотипическую и генотипическую.

Ненаследственная, фенотипическая изменчивость, или модификация, микроорганизмов возникает как ответ клетки на неблагоприятные условия ее существования. Эта адаптивная реакция на внешние раздражители не сопровождается изменением генотипа и поэтому не передается по наследству

Модификации затрагивают большинство особей в популяции. С течением времени наблюдается  реверсия, т. е. возвращение к исходному фенотипу после устранения действия фактора, вызвавшего их образование, поскольку исчезает потребность в сохранении данной модификации.

Могут измениться морфология (удлиняется), культуральные свойства (стафилококки без пигмента при недостатке кислорода) биохимические или ферментативные свойства, вырабатываются адаптивные ферменты Е. coli, фермент лактаза на среде — с лактозой.

К модификациям можно отнести включение «молчащих» генов (без их перестройки) некоторых микроорганизмов, в результате чего происходит смена их антигенов в ходе инфекционного заболевания.

К модификациям можно  отнести также запрограммированные изменения генетической информации, в основе которых лежат миграции гена на хромосоме и встраивание его с разной частотой в определенные локусы, в результате чего происходит изменение признака. Существует и механизм возврата гена к исходной локализации, что приводит к восстановлению этого признака. К модификациям такого рода относятся изменения антигенной структуры гонококка, трепонемы сифилиса, боррелий возвратного тифа, холерного вибриона.

Модификации могут возникать под непосредственным действием антибиотиков, например пенициллина. Образующиеся при этом L-формы бактерий, лишенные клеточной стенки, могут сохраняться и даже размножаться внутри клеток хозяина и вновь реверсировать к исходной форме после прекращения действия пенициллина. При выращивании многих бактерий на питательной среде с суббактериостатическими концентрациями антисептиков также можно получить их модификации, характеризующиеся изменением морфологических и других признаков

Генотипическая изменчивость затрагивает генотип. В основе ее лежат мутации и рекомбинации.

Мутации (от лат. mutatio — изменять) — это передаваемые по наследству структурные изменения генов. При мутациях изменяются участки геномов (т.е. наследственного аппарата).

По происхождению бактериальные мутации могут быть:

  1.  спонтанными (самопроизвольными)
  2.  индуцированными (направленными)

Спонтанные мутации возникают самопроизвольно на протяжении всей жизни организма в нормальных для него условиях окружающей среды с частотой около 10 − 9 — 10 − 12 на нуклеотид за клеточную генерацию. Составляют естественный, или спонтанный, фон, величина которого колеблется в зависимости от типа мутации и вида микробной популяции. Они появляются в микробных популяциях in vitro и  in vivo (в естественных биотопах организма человека) под влиянием самых разнообразных причин и событий, например ошибок в работе репарирующих ферментов, или ДНК-полимеразы во время репликации ДНК. Мутации происходят в результате ошибочного включения в синтезируемую дочернюю цепь вместо одного азотистого основания другого, некомплементарного имеющемуся в родительской цепи, например  вместо аденина, комплементарного тимину, гуанина или цитозина.

Причиной изменения естественного фона могут быть инсертационные мутации, которые возникают при встраивании в хромосому микробной клетки Is-последовательностей, транспозонов и плазмид. При этом фенотип мутации зависит от места их интеграции: если она происходит вблизи промотора, то нарушается функция регуляторного гена, а вблизи структурного гена – синтез закодированного в нем продукта. При наличии у бактерий генов-мутаторов частота мутаций увеличивается в 100 и более раз.

Индуцированными  мутациями называют наследуемые изменения генома, возникающие в результате тех или иных мутагенных воздействий в искусственных (экспериментальных) условиях  в результате обработки микроорганизмов специальными мутагенами (хим. веществами, температурой, излучением и т.д.)  или при неблагоприятных воздействиях окружающей среды.

По локализации различают мутации:

1) генные (точечные);

2) хромосомные;

При хромосомных мутациях происходят крупные перестройки структуры отдельных хромосом. В этом случае наблюдаются потеря (делеция) или удвоение части (дупликация) генетического материала одной или нескольких хромосом, изменение ориентации (поворота участка ДНК на 1800) сегментов хромосом в отдельных хромосомах (инверсия), а также перенос части генетического материала с одной хромосомы на другую (транслокация) (крайний случай — объединение целых хромосом, т. н. Робертсоновская транслокация, которая является переходным вариантом от хромосомной мутации к геномной).

Делеция.

Различают терминальные (утрата концевого участка хромосомы) и интеркалярные (утрата участка на внутреннем участке хромосомы) делеции.

Исследованные делеции редко захватывают протяженные участки хромосом, обычно такие аберрации летальны.

Дупликация.                                                               

                                                   

Дупликации появляются в результате неравного кроссинговера (в этом случае второй гомолог несет делецию) или в результате ошибки в ходе репликации.

Хромосомная инверсия

 

Инверсия. a — нормальная хромосома, b — парацентрическая инверсия, c — перицентрическая инверсия.

Различают парацентрические (инвертированный фрагмент лежит по одну сторону от центромеры) и перицентрические (инвертированный фрагмент лежит по разные стороны от центромеры) инверсии. При инверсиях не происходит потери генетического материала, поэтому  инверсии как правило не влияют на фенотип.

Транслокации

Реципрокная транслокация 4 и 20 хромосом человека.

Помимо переносов участков с одной негомологичной хромосомы на другую, классифицируют также реципрокные транслокации (когда две негомологичные хромосомы обмениваются участками), Робертсоновские транслокации (при этом две негомологичные хромосомы объединяются в одну), а также транспозиции (перенос участка хромосомы на другое место на той же хромосоме).

Транслокация, реципрокная транслокация и транспозиция, которые не сопровождаются утратой генетического материала (сбалансированные транслокации), часто не проявляются фенотипически.

На генном уровне изменения первичной структуры ДНК генов под действием мутаций менее значительны, чем при хромосомных мутациях, однако генные мутации встречаются более часто. В результате генных мутаций происходят замены, делеции и вставки одного или нескольких нуклеотидов, транслокации, дупликации и инверсии различных частей гена. В том случае, когда под действием мутации изменяется лишь один нуклеотид, говорят о точковых мутациях. Поскольку в состав ДНК входят азотистые основания только двух типов — пурины и пиримидины, все точковые мутации с заменой оснований разделяют на два класса:

  1.  транзиции (замена пурина на пурин или пиримидина на пиримидин) и
  2.  трансверсии (замена пурина на пиримидин или наоборот).

Возможны четыре генетических последствия точковых мутаций:

  1.  сохранение смысла кодона из-за выроженности генетического кода (синонимическая замена нуклеотида),
  2.  изменение смысла кодона, приводящее к замене аминокислоты в соответствующем месте полипептидной цепи (миссенс-мутация),
  3.  образование бессмысленного кодона с преждевременной терминацией (нонсенс-мутация). В генетическом коде имеются три бессмысленных кодона: амбер — UAG, охр — UAA и опал — UGA (в соответствии с этим получают название и мутации, приводящие к образованию бессмысленных триплетов — например амбер-мутация),
  4.  обратная замена (стоп-кодона на смысловой кодон).

По влиянию на экспрессию генов мутации разделяют на две категории:

  1.  мутации типа замен пар оснований
  2.  типа сдвига рамки считывания (frameshift). Последние представляют собой делеции или вставки нуклеотидов, число которых не кратно трем, что связано с триплетностью генетического кода.

Первичную мутацию иногда называют прямой мутацией, а мутацию, восстанавливающую исходную структуру гена, — обратной мутацией, или реверсией. Возврат к исходному фенотипу у мутантного организма вследствие восстановления функции мутантного гена нередко происходит не за счет истинной реверсии, а вследствие мутации в другой части того же самого гена или даже другого гена. В этом случае возвратную мутацию называют супрессорной. Генетические механизмы, благодаря которым происходит супрессия мутантного фенотипа, весьма разнообразны.

При истинной реверсии восстанавливается не только фенотип, но и генотип. Восстановление одного фенотипа может произойти и в результате супрессии, т.е. подавления мутантного фенотипа, которое выражается в исправлении мутационного изменения. Так, например, если при первой мутации произошла вставка или выпадение пары нуклеотидов в одном из участков ДНК одного и того же гена, а в другом мутация противоположного рода (выпадение или вставка), то правильность считывания информации восстанавливается. Такая супрессия называется внутригенной.

При внегенной супрессии вторичные мутации, подавляющие выражение первичного мутационного изменения, локализованы в так называемых генах-супрессорах, кодирующих синтез транспортных РНК (тРНК). Мутации в таком виде могут привести к изменению тРНК, в результате чего в синтезируемый полипептид доставляется нужная аминокислота. При этом происходит восстановление фенотипа, но не генотипа.

По фенотипическим последствиям мутации подразделяют на:

  1.  нейтральные, фенотипически не проявляются какими-либо изменениями признаков, поскольку они заметно не отражаются на функциональной активности синтезируемого фермента.
  2.  Условно-летальные, которые приводят к изменению, но не к утрате функциональной активности фермента. В зависимости от условий окружающей среды микроорганизмы могут сохранять свою жизнеспособность или, наоборот утрачивать ее. Так, например, ts-мутанты (температурочувствительные) бактерии сохраняют способность к синтезу ферментов функционирующих при 370, но утрачивают этот признак при 420. В то же время у бактерий дикого типа соответствующие ферменты активны при обеих температурах.
  3.  Летальные мутации характеризуются полной утратой способности синтезировать жизненно важный для бактериальной клетки фермент или ферменты. Чаще всего эти мутации возникают при обширных делециях, захватывающих группу генов, или при других видах хромосомных мутаций. К ним относятся также мутации в генах, несущих информацию о синтезе ДНК-полимераз.

Мутации проявляются в фенотипе в виде утраты или изменения морфологических и биохимическихпризнаков, например жгутиков, пилей, капсулы, клеточной стенки; способности ферментировать какие-либо углеводы, синтезировать определенные аминокислоты, витамины и другие соединения, возникновении устойчивости к лекарственным или дезинфицирующим веществам и т.д.

Последствия мутаций для клетки и организма

Мутации, которые ухудшают деятельность клетки в многоклеточном организме, часто приводят к уничтожению клетки (в частности, к программируемой смерти клетки, — апоптозу). Если внутри- и внеклеточные защитные механизмы не распознали мутацию и клетка прошла деление, то мутантный ген передастся всем потомкам клетки и, чаще всего, приводит к тому, что все эти клетки начинают функционировать иначе.

Мутация в соматической клетке сложного многоклеточного организма может привести к злокачественным или доброкачественным новообразованиям, мутация в половой клетке — к изменению свойств всего организма-потомка.

В стабильных (неизменных или слабо изменяющихся) условиях существования большинство особей имеют близкий к оптимальному генотип, а мутации вызывают нарушение функций организма, снижают его приспособленность и могут привести к смерти особи. Однако в очень редких случаях мутация может привести к появлению у организма новых полезных признаков, и тогда последствия мутации оказываются положительными; в этом случае они являются средством адаптации организма к окружающей среде и, соответственно, называются адаптационными.

Мутагены

Классификация

Мутагенами могут быть различные факторы, вызывающие изменения в структуре генов, структуре и количестве хромосом. По происхождению мутагены классифицируют на эндогенные, образующиеся в процессе жизнедеятельности организма и экзогенные — все прочие факторы, в том числе и условия окружающей среды.

По природе возникновения мутагены классифицируют на физические, химические и биологические:

Физические мутагены

ионизирующее излучение;

радиоактивный распад;

ультрафиолетовое излучение;

чрезмерно высокая или низкая температура.

Химические мутагены

окислители и восстановители (нитраты, нитриты, активные формы кислорода);

алкилирующие агенты (например, иодацетамид);

пестициды (например гербициды, фунгициды);

некоторые пищевые добавки (например, ароматические углеводороды, цикламаты);

продукты переработки нефти;

органические растворители;

лекарственные препараты (например, цитостатики, препараты ртути, иммунодепрессанты).

Главный мутаген табачного дыма — бензопирен — связанный с одним из нуклеотидов молекулы ДНК.

Биологические мутагены

специфические последовательности ДНК  — транспозоны;

некоторые вирусы (вирус кори, краснухи, гриппа);

продукты обмена веществ (продукты окисления липидов);

антигены некоторых микроорганизмов.

Генетические рекомбинации

Микроорганизмам, как и клеткам высших организмов свойственны генетические рекомбинации, которые имеют свои особенности. Они определяются прежде всего способом размножения и закономерностями передачи генетического материала. Известно, что генетические рекомбинации у клеток эукариот совершаются в ходе процессов, сопровождающих половое размножение путем реципрокного (взаимного) обмена фрагментами хромосом. При таком обмене генетическим материалом из двух рекомбинирующих родительских хромосом образуются две рекомбинантные хромосомы. Применительно к данным клеткам это означает, что в результате рекомбинаций возникают две рекомбинантные особи.

Прокариотам не свойственно половое размножение. Рекомбинация у них происходит в результате внутригеномных перестроек, заключающихся в изменении локализации генов в пределах хромосомы, или при проникновении в клетку реципиента части ДНК донора. Последнее приводит к формированию неполной зиготы - мерозиготы. В результате рекомбинаций в мерозиготе образуется только один рекомбинат, генотип которого представлен в основном генотипом реципиента с включенным в него фрагментом ДНК донора. Вследствие этого реципрокность генетических рекомбинаций у бактерий не может быть выявлена.

Рекомбинации подразделяют на законные и незаконные.

Законная рекомбинация требует наличия протяженных, комплементарных участков ДНК в рекомбинируемых молекулах. Она происходит только между близкородственными видами микроорганизмов. Незаконная рекомбинация не требует наличия протяженных комплементарных участков ДНК. Впервые она была описана Л.Б. Борисовым в 1965 г. между неродственными коли-фагами, лизирующими энтеропатогенные эшерихии серогрупп 0111 и 026. Незаконная рекомбинация происходит при участии Is-элементов, которые имеют «липкие концы», обеспечивающие их быстрое встраивание в бактериальную хромосому.

Существенное практическое значение имеют запрограммированные внутригеномные рекомбинации, при которых происходит только изменение локализации имеющихся генов. Они играют важную роль в изменении антигенной структуры микроорганизмов и тем самым эффективно противостоят факторам иммунной защиты. Это относится к боррелиям, трипаносомам, малярийному плазмодию и другим микробам. Для бактерий предложены специальные методы генетического анализа, позволяющие установить относительное расположение генов на хромосоме и их тонкую структуру. Однако в некоторых случаях, когда анализу могут подвергнуться оба рекомбинирующих генома, реципрокность генетического обмена характерна и для бактерий, например при рекомбинациях между плазмидной и хромосомной ДНК.

Генетические рекомбинации происходят при участии ряда ферментов в пределах отдельных генов или групп сцеплений генов. Существуют специальные rec-гены, детермирующие рекомбинационную способность бактерий.

Передача генетического материала (хромосомных генов) от одних бактерий к другим происходит путем:

  •  трансформации,
  •  трансдукции и
  •  конъюгации,

а плазмидных генов- путем:

  •  трансдукции
  •   конъюгации.

Рекомбинации – это обмен генетическим материалом между двумя особями с появлением рекомбинантных особей с измененным генотипом.

Конъюгация – обмен генетической информацией при непосредственном контакте донора и реципиента. Наиболее высокая частота передачи у плазмид, при этом плазмиды могут иметь разных хозяев. После образования между донором и реципиентом конъюгационного мостика одна нить ДНК-донора поступает по нему в клетку-реципиент. Чем дольше этот контакт, тем большая часть донорской ДНК может быть передана реципиенту.

Процесс конъюгации у бактерий был впервые обнаружен Д. Ледербергом и Э. Тейтумом в 1946 г. Позднее было показано, что донорами генетического материала являлись клетки, несущие F-плазмиду (половой фактор). Бактериальные клетки, не имеющие F-плазмиды, не способны быть генетическими донорами. Они являются реципиентами генетического материала и обозначаются как F(-)клетки. При скрещивании F(+) с F(-)клеткой половой фактор передается независимо от хромосомы донора с высокой частотой, близкой к 100%. При этом почти все реципиентные клетки получают половой фактор и становятся F(+)клетками.  Хромосомная ДНК реплицируется, одна цепь копии хромосомы переносится в реципиентную F(-) клетку, тогда как другая остается в клетке-доноре, т.е. донор сохраняет свое генетическое постоянство.

Важнейшим свойством F-плазмиды является способность включаться (интегрировать) в определенные участки бактериальной хромосомы и становиться ее частью, так же как это имело место в случае умеренного фага λ. В некоторых случаях F-плазмида, аналогично профагу λ, освобождается из хромосомы, захватывая при этом сцепленные с ней бактериальные гены. Такие F-плазмиды обозначают с указанием названия включенного в ее состав гена. Например Flac, которая при передаче реципиенту наделяет его способностью ферментировать лактозу.

Этапы конъюгации:

  1.  Первым этапом конъюгации является прикрепление клетки-донора к реципиентной клетке с помощью половых ворсинок (sex pili).
  2.  Затем между обеими клетками образуется конъюгационный мостик, через который из клетки-донора в клетку-реципиент могут передаваться F-фактор и другие плазмиды, находящиеся в цитоплазме бактерии-донора в автономном состоянии.

Для переноса бактериальной хромосомы необходим разрыв одной из цепей ДНК, который происходит в месте включения F-плазмиды при участии эндонуклеазы.

  1.  Проксимальный конец ДНК через конъюгационный мостик проникает в клетку-реципиент и сразу же достраивается до двунитевой структуры. Оставшаяся в клетке донора нить ДНК является матрицей для синтеза второй нити. Следовательно, при конъюгации передается только одна нить ДНК-донора, а вторая, оставшаяся комплементарная, цепь достраивается в реципиентной клетке.

Слияние протопластов – механизм обмена генетической информацией при непосредственном контакте участков цитоплазматической мембраны у бактерий, лишенных клеточной стенки.

Трансформация – передача генетической информации в виде изолированных фрагментов ДНК при нахождении реципиентной клетки в среде, содержащей ДНК-донора. Для трансформации необходимо особое физиологическое состояние клетки-реципиента – компетентность. Это состояние присуще активно делящимся клеткам, в которых идут процессы репликации собственных нуклеиновых кислот. В таких клетках действует фактор компетенции – это белок, который вызывает повышение проницаемости клеточной стенки и цитоплазматической мембраны, поэтому фрагмент ДНК может проникать в такую клетку.

Трансдукция – это передача генетической информации между бактериальными клетками с помощью умеренных трансдуцирующих фагов. Трансдуцирующие фаги могут переносить один ген или более.

Этот вид генетического обмена открыт Н. Циндером и Дж. Ледербергом в 1951 г. Различают три типа трансдукции:

  1.  неспецифическую, или общую,
  2.  специфическую
  3.  абортивную.

Неспецифическая трансдукция. В процессе репродукции фага в момент сборки фаговых частиц в их головку вместе с фаговой ДНК может проникнуть какой-либо фрагмент ДНК бактерии-донора. При этом фаг может утратить часть своего генома и стать дефектным. Такие дефектные трансдуцирующие фаги составляют примерно 0,3% всего потомства. При неспецифической трансдукции в клетки реципиентного штамма вместе с фаговой ДНК могут быть перенесены любые гены донора, например гены, контролирующие способность синтезировать аминокислоты, пурины, пиримидины, гены резистентности к антибиотикам или др.

Принесенный фагом фрагмент ДНК бактерии-донора способен включаться в гомологическую область ДНК клетки-реципиента путем рекомбинации. Таким образом, при неспецифической трансдукции трансдуцирующие фаги являются только переносчиком генетического материала от одних бактерий к другим, поскольку сама фаговая ДНК не участвует в образовании рекомбинантов (трансдуктантов).

Специфическая трансдукция характеризуется способностью фага переносить определенные гены от бактерии-донора к бактерии-реципиенту. Это связано с тем, что образование трансдуцирующего фага происходит путем выщепления профага из бактериальной хромосомы вместе с генами, расположенными на хромосоме клетки-донора рядом с профагом. Например, трансдуцирующий фаг лямбда (λ) переносит ген gal, контролирующий ферментацию галактозы, или ген bio, ответственный за синтез биотина.

При взаимодействии трансдуцирующих фагов с клетками реципиентного штамма происходит включение гена бактерии-донора вместе с ДНК дефектного фага в хромосому бактерии-реципиента.

Абортивная трансдукция. При абортивной трансдукции 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 трансдуцированный фрагмент ДНК-донора может передаваться только одной из двух дочерних клеток, т.е. наследоваться однолинейно и в конечном итоге утрачиваться в потомстве.

Трансформация - непосредственная передача генетического материала (фрагмента ДНК) донора реципиентной клетке. Впервые воспроизведена Ф. Гриффитсом в 1928 г. в опытах с авирулентным бескапсульным штаммом пневмококка, который приобрел вирулентные свойства при одновременном введении в брюшную полость белых мышей с убитыми капсульными вариантами этих же бактерий. В дальнейшем было показано, что вирулентные свойства передаются in vitro при обработке авирулентных бескапсульных пневмококков экстрактом убитых капсульных пневмококков.

В 1944 г. О. Эвери, К. Мак-Леод и К. Мак-Карти установили, что активным началом, содержащимся в экстракте убитых пневмококков, является ДНК, которая определяет его генетические свойства и является носителем генетической информации. Феномен трансформации воспроизводится в опытах с разными патогенными и непатогенными бактериями: стрептококками, менингококками и др. С донорной ДНК в реципиентную клетку обычно передается только один ген. Это связано с протяженностью трансформирующего фрагмента ДНК, который может проникнуть в реципиентную клетку. Обычно он не превышает 1/100 длины бактериальной хромосомы, т.е. включает один или несколько сцепленных генов. Эффективно трансформация происходит в опытах с бактериями одного и того же вида, имеющих разный генотип.

Так, например, в опытах трансформации можно заместить гены «дикого» на мутировавшие или произвести замену обратного порядка. Трансформирующему воздействию ДНК поддаются не все, а только часть клеток бактериальной популяции. Клетки, способные воспринимать донорскую ДНК, называются компетентными. Состояние компетентности непродолжительно. Оно возникает в определенный период роста бактериальной культуры, чаще всего совпадающий с концом логарифмической фазы. В состоянии компетентности клеточная стенка бактерий становится проницаемой для высокополимерных фрагментов ДНК. По-видимому, это связано с тем, что трансформируемый фрагмент ДНК связывается с белком, образуя трансформасому, в которой он переносится в бактериальную клетку. Вместе с тем в трансформосоме он защищен от клеточных нуклеаз.

Процесс трансформации бактерий можно подразделить на несколько фаз:

  1.  адсорбция ДНК-донора на клетке-реципиенте;
  2.  проникновение ДНК внутрь клетки-реципиента;
  3.  соединение ДНК с гомологичным участком хромосомы реципиента с последующей рекомбинацией.

После проникновения внутрь клетки трансформирующая ДНК деспирализуется. Затем происходит физическое включение любой из двух нитей ДНК донора в геном реципиента.

Эффективность спаривания трансформирующей ДНК с соответствующим участком хромосомы реципиента зависит от степени гомологичности ДНК донора и реципиента. Чем выше гомологичность, тем эффективнее спаривание, что определяет конечный результат трансформации, т.е. количество формирующихся рекомбинантов (трансформантов). Отсюда ясно, почему межвидовая трансформация происходит гораздо реже, чем внутривидовая

Репарация — клеточный механизм коррекции повреждённой последовательности ДНК (точечные мутации, делеции, структурные нарушения и др.). Клеточный геном (ДНК) не является пассивной мишенью, подвергаемой действию мутагенных факторов. В исследованиях с бактериями было установлено, что они обладают специальными системами, восстанавливающими повреждения генетического материала. Эти системы получили название репарационных, а сам процесс восстановления клеточного генома (ДНК) - репараций.

Одна из систем, восстанавливающая повреждения ДНК, вызванные УФ-лучами, названа системой фотореактивации. Ферменты, обеспечивающие фотореактивацию, действуют в присутствии видимого света и осуществляют расщепление тиминовых димеров, превращая их в мономерные формы. Активность другой системы, выполняющей эти же функции, обеспечивается ферментами действующими в отсутствии видимого света. Она названа системой темновой репарации, которую условно подразделяют на дорепликативную и пострепликативную.

Состоит из 5 этапов, контролируемых множеством генов, кодирующих участвующие в репарации ферменты (эндонуклеазы, экзонуклеазы, ДНК-полимераза, ДНК-лигаза):

  1.  распознавание дефекта,
  2.  рассечение повреждённого участка,
  3.   удаление «ошибочного» олигонуклеотида,
  4.  синтез ДНК с использованием комплементарной цепи как матрицы,
  5.  лигирование.

Репликационная вилка цепи ДНК похожа на застежку разъединенной «молнии». Молекулы ДНК-полимеразы, присоединенные к двум родительским цепям ДНК, работают в противоположных направлениях, синтезируя на каждой из них дочерние нити. На одной цепи ДНК фермент сдвигается к репликационной вилке, на другой новые молекулы полимеразы должны связываться вблизи вилки, чтобы синтезировать вторую нить ДНК между точкой раздвоения и участком связывания предыдущей молекулы фермента.

Отбор нуклеотидов осуществляется ДНК-полимеразой, ведущей синтез ДНК в 2 стадии: 1 - расщепление нуклеотидтрифосфата до монофосфата; 2 - присоединение монофосфата к растущей нуклеотидной цепи. Если полимераза связала некомплементарный нуклеотид, он может быть отвергнут до образования ковалентных связей. Этот процесс называют «редакторской правкой».

«Редакторская правка» осуществляется ферментом экзонуклеазой, ассоциированной с ДНК-полимеразой. Экзонуклеаза удаляет нуклеотиды, только что ошибочно присоединенные к синтезируемой ДНК. При образовании некомплементарной ошибочной пары замедляется включение следующего нуклеотида, и у экзонуклеазы появляется время для исправления ошибки, после чего полимераза делает новую попытку присоединить к цепи ДНК комплементарный нуклеотид.

Процесс дореплиттивной репарации схематически представляя следующим образом:

обнаружение и надрезание поврежденного фрагмента ДНК I эндонуклеазой;

удаление вырезанного фрагмента ДНК-полимеразой I;

синтез нуклеотидов по матрице второй сохранившейся нити либо ДНК-полимеразой I, либо ДНК-полимеразой III;

«сшивание» восстановительного фрагмента ДНК с основной нитью, осуществляемое лигазой.

Мутанты, утратившие способность к темновой репарации, обладает резко повышенной чувствительностью не только к летальному, но и к мутагенному действию УФ-лучей. Они репарируются системой пострепликативной репарации путем рекомбинаций. При этом дефекты ДНК застраиваются фрагментами неповрежденных нуклеотидов. Повреждения ДНК, вызванные химическими мутагенами, также парируются ферментами бактериальной клетки. SOS-репарация является индуцибельным процессом, который Происходит при множественных изменениях в ДНК. В данном процессе участвует около 20 новых белков. SOS-репарация имеет несколько систем активации. Низкая и средняя системы активации происходит быстро. Однако в этих случаях происходят ошибки. При высокой степени активации наблюдается разрушение хромосомы, амплификация плазмид и переход интегративной фаговой инфекции в продуктивную. В этом случае происходит гибель клетки, но осуществляется спасение маркеров для бактериальной популяции в целом.

Репарирующие системы присущи клеткам млекопитающих и человека. Они способны восстанавливать повреждения клеточного генома, вызванного радиацией. Дефекты этих систем являются причиной ряда заболеваний человека. Так, например, наследственное заболевание человека с летальным исходом Xeroderma pigmentosum связано с отсутствием системы, восстанавливающей повреждение ДНК, вызванное УФ-лучами. В результате этого при УФ-облучении у таких людей возникает рак кожи.

R-S-диссоциации

Своеобразной формой изменчивости является R-S-диссоциация бактерий. Она возникает спонтанно вследствие образования двух форм бактериальных клеток, которые отличаются друг от друга по характеру образуемых ими колоний на твердой питательной среде. Один тип - R-колонии (англ. rough - неровный) - характеризуется неровными краями и шероховатой поверхностью, второй тип - S-колоний (англ. smooth- гладкий)- имеет круглую форму, гладкую поверхность. Процесс диссоциации, т.е. расщепления бактериальных клеток, формирующих оба типа колоний, обычно протекает в одном направлении: от S- к R-форме, иногда через промежуточные стадии образования слизистых колоний. Обратный переход R- в S-форму наблюдается реже. Для большинства вирулентных бактерий характерен рост в виде S-формы колоний. Исключение составляют микобактерии туберкулеза, иерсинии чумы, сибиреязвенные бактерии и некоторые другие, которые растут в R-форме.

В процессе диссоциации одновременно с изменением морфологии колоний меняются биохимические, антигенные, патогенные свойства бактерий, их устойчивость к физическим и химическим факторам внешней среды.

Мутации, которые приводят к S-R-диссоциации, относятся к инсертационным, поскольку они возникают после встраивания внехромосомных факторов наследственности, в том числе и умеренных фагов в бактериальную хромосому. Если эта мутация приводит к утрате генов, контролирующих образование детерминантных полисахаридных звеньев ЛПС у грамотрицательных бактерий, то образуются R-мутанты. Они формируют шероховатые колонии, изменяют свои антигенные свойства и резко ослабляют патогенность. У дифтерийных бактерий S-R-диссоциация связана с их лизогенизацией соответствующими бактериофагами. При этом R-формы образуют токсин. У других бактерий R-формы возникают после интеграции в их хромосому R-плазмиды, транспозонов или Is-последовательностей. R-формы пиогенных стрептококков и ряда других бактерий образуются в результате рекомбинаций.

Биологическое значение S-R-диссоциации состоит в приобретении бактериями определенных селективных преимуществ, обеспечивающих их существование в организме человека или во внешней среде. К ним относится более высокая устойчивость S-форм к фагоцитозу макрофагами, бактерицидному действию сыворотки крови. R-формы обладают большей устойчивостью к факторам окружающей среды. Они более длительное время сохраняются в воде, молоке.

Вместе с тем S-R-диссоциация во многих случаях усложняет бактериологическую диагностику ряда инфекционных заболеваний, например дизентерии Зонне, эшерихиоза, вызванного Е. coli О124 и др.

Генетика вирусов

Модификации

Модификационные ненаследуемые (фенотипические) изменения у вирусов обусловлены особенностями клетки хозяина, в которой происходит их репродукция. У многих вирусов животных и человека модификации проявляются изменением химического состава внешней оболочки (суперкапсида) вириона, связанного с включением в ее состав липидов и углеводов тех клеток хозяев, в которых происходит их репродукция.

Мутации

Спонтанные мутации у вирусов возникают во время кепликации их нуклеиновых кислот. Они затрагивают различные свойства вирусов. Индуцированные мутации возникают под действием тех же химических и физических мутагенов, которые вызывают мутации у бактерий. Одни из них (азотистая кислота, гидроксиламин, нитрозо-гуанидин) действуют на внеклеточный вирус, другие (акридин, аналоги азотистых оснований) - на внутриклеточный вирус во время репликации его нуклеиновой кислоты. Мутанты вирусов фенотипически различаются по строению бляшек, которые они образуют на тканевых культурах с агаровым покрытием, по чувствительности к температуре (ts-мутанты), по антигенным свойствам белков капсида.

Рекомбинации и другие феномены

Свойства вирусов могут изменяться при одновременном заражении двумя вирусами чувствительной к ним клетки хозяина. Эти изменения можно классифицировать как генетическую рекомбинацию, генетическую реактивацию, комплементацию, фенотипическое смешивание.

При генетической рекомбинации происходит обмен отдельными генами между двумя или более вирусами в фонде реплицирующейся ДНК, в результате чего образуются рекомбинанты, содержащие гены двух или более родителей. Рекомбинации между РНК-вирусами происходят реже. Они встречаются у вируса гриппа, имеющего фрагментированный геном.

Генетическая реактивация - особый случай рекомбинации, или перераспределения, генов, когда у двух родственных вирусов инактивированы разные гены. При скрещивании таких вирусов могут образовываться полноценные вирусные частицы, т.е. происходит множественная реактивация вирусных геномов. Данный процесс наблюдается у рео-, поксвирусов и др.

К негенетическим процессам относятся комплементация и фенотипическое смешивание. Комплементации происходит в том случае, когда белки, кодируемые геномом одного вируса, способствуют репродукции другого вируса. При этом один из вирусов доставляет генный продукт, который дефектен у другого вируса. В отличие от рекомбинации комплементация не сопровождается обменом нуклеиновых кислот между молекулами данных вирусов.

Комплементация описана у многих вирусов. Так, аденовирусы человека в течение многих лет выделяли и культивировали в почечных клетках обезьян макак резусов. Оказалось, что аденовирусы могли репродуцироваться в этих клетках только благодаря присутствию в них онкогенного вируса SV40.

Фенотипическое смешивание наблюдается при смешанном заражении клеток в том случае, если часть потомства одного вируса приобретает фенотипические признаки обоих родителей, хотя их генотип остается неизменным. Например, при заражении клеток вирусами полиомиелита и Коксаки в потомстве происходит образование вирионов, содержащих РНК одного партнера, заключенную в капсид другого. Данный феномен получил название «транскапсидация».

Практическое значение учения о генетике микроорганизмов и генная инженерия в медицинской микробиологии

Развитие молекулярной генетики явилось мощным стимулом для исследований, посвященных изучению молекулярно-генетических основ патогенности и иммуногенности микроорганизмов, механизмов образования новых биологических вариантов патогенных и условно-патогенных микроорганизмов, распространением антибиотико-резистентных штаммов на фоне расширяющегося арсенала химиотерапевтических средств. Последние, являясь мощными селективными факторами, способствуют накоплению предшествующих в популяции резистентных форм бактерий и формированию лекарственно-устойчивых популяций с измененными патогенными и другими свойствами.

Вместе с тем изменения иммунологической реактивности макроорганизма в результате разнообразных воздействий факторов окружающей среды, а также всевозможных лекарственных препаратов оказывают существенное влияние на фенотипическое выражение патогенных генотипов. Все это отражается на наблюдаемых в настоящее время изменениях в патогенетических и клинических особенно инфекционных заболеваний и распространении внутрибольничных инфекций.

Достижения генной инженерии позволяют создать новые генетические элементы из нуклеотидных последовательностей, несущие заданную информацию, способы их переноса в клетки про- и эукариотов. Новые генетические элементы представляют собой рекомбинантные молекулы ДНК, которые включают два компонента: вектор-переносчик и клонированную «чужеродную» ДНК. Вектор должен обладать свойствами репликации, обеспечить репликацию вновь созданной рекомбинантной молекулы. Поэтому в качестве вектора используют такие репликоны, как плазмиды, умеренные фаги, вирусы животных, имеющие циркулярную замкнутую структуру ДНК. Клонируемая ДНК - это фрагмент ДНК, несущий необходимый ген, контролирующий синтез нужного продукта. В настоящее время разработаны различные технологические приемы создания рекомбинантных молекул. Наиболее простой принцип сводится к обработке выделенных молекул ДНК вектора и ДНК, несущей нужный ген, ферментами рестриктазами (эндонуклеазы рестрикции), атакующими взятые молекулы ДНК в строго определеном участке. Некоторые рестриктазы расщепляют молекулы ДНК с образованием однонитевых комплементарных друг другу концов, так называемых «липких» концов.

Таким образом, первым этапом является «разрезание» молекул ДНК с помощью эндонуклеаз рестрикции.

Второй этап состоит в обработке полученных линейных молекул ферментом полинуклеотидлигазой, которая «сшивает» две разные молекулы в одну рекомбинантную,

третий - во введении рекомбинантных молекул методом трансформации в клетки Е. coli или других микроорганизмов, например дрожжей.

Основы биотехнологии. Задачи биотехнологии. Структура современной биотехнологии

Биотехнология – это область человеческой деятельности, которая характеризуется широким использованием биологических систем всех уровней в самых разнообразных отраслях науки, промышленного производства, медицины, сельского хозяйства и других сферах. Биотехнология отличается от технологий сельского хозяйства, в первую очередь, широким использованием микроорганизмов: прокариот (бактерий, актиномицетов), грибов и водорослей. Это связано с тем, что микроорганизмы способны осуществлять самые разнообразные биохимические реакции.

Традиционные биотехнологии, существующие уже тысячи лет, используют существующие в природе микроорганизмы

  •  для производства продуктов питания (хлебопечение, производство         молочнокислых продуктов);

  •  для производства алкогольных напитков (пивоварение, виноделие);

  •  для производства промышленных товаров (кожевенное, текстильное производство);

  •  для повышения плодородия почв (использование органических и зеленых удобрений).

Традиционные биотехнологии сложились на основании эмпирического опыта многих поколений людей, они характеризуются консерватизмом и сравнительно низкой эффективностью. Однако в течение XIX–XX столетий на основе традиционных биотехнологий начали формироваться технологии более высокого уровня: технологии повышения плодородия почв, технологии биологической очистки сточных вод, технологии производства биотоплива.

Структура современной биотехнологии

Современная биотехнология включает ряд высоких технологий, которые базируются на последних достижениях экологии, генетики, микробиологии, цитологии, молекулярной биологии. В современной биотехнологии используются биологические системы всех уровней: от молекулярно-генетического до биогеоценотического (биосферного); при этом создаются принципиально новые биологические системы, не встречающиеся в природе. Биологические системы, используемые в биотехнологии, вместе с небиологическими компонентами (технологическое оборудование, материалы, системы энергоснабжения, контроля и управления) удобно называть рабочими системами.

К основным разделам современной биотехнологии относятся: микробиологический синтез, клеточная инженерия и генная инженерия. Современная биотехнология призвана решить следующие задачи:

  •  Промышленное производство продуктов питания, в первую очередь, белков и незаменимых аминокислот.

  •  Повышение плодородия почв, производство биологически активных веществ для нужд сельского хозяйства.

  •  Производство лекарственных препаратов и биологически активных веществ, повышающих качество жизни людей.

  •  Использование биологических систем для производства и обработки промышленного сырья.

  •  Производство дешевых и эффективных энергоносителей (биотоплива).

  •  Использование биологических систем для утилизации отходов различного характера, биологической очистки сточных вод.

  •  Создание организмов с заданными свойствами.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

31300. Системи числення, кодування інформації 287.5 KB
  Можна вигадати незлічену кількість способів запису числа цифровими знаками але практично застосована система числення повинна давати змогу: зображувати будьяке число в розглядуваному діапазоні величин; одержувати єдине зображення кожної величини; просто виконувати операції з числами. Розрізняють позиційні і непозиційні системи числення. Непозиційною системою числення називають спосіб зображення чисел коли значення цифри не залежить від її позиції в числі наприклад римський запис числа.
31301. Методичні вказівки щодо виконання контрольних робіт з дисципліни “Теорія автоматичного керування” 4.7 MB
  Диференціальні рівняння і передавальні функції елементів САК 5 Задача 2. Часові та частотні характеристики динамічних ланок САК 6 Задача 3 Дослідження стійкості лінійних САК 10 Задача 4 Синтез коректувальних пристроїв за логарифмічними частотними характеристиками 14 Додаток. Метою її вивчення є освоєння принципів побудови різних типів систем автоматичного керування САК; вивчення властивостей і особливостей лінійних нелінійних і дискретних САК; вивчення методів аналізу стійкості та якості...
31302. Методичні вказівки щодо виконання курсової роботи з дисципліни “Теорія автоматичного управління” 2.74 MB
  Методичні вказівки щодо виконання курсової роботи з дисципліни “Теорія автоматичного управління” для студентів денної та заочної форм навчання зі спеціальностей: 7.092203 - "Електромеханічні системи автоматизації та електропривод”, 7.092204 - “Електромеханічне обладнання енергоємних виробництв”
31303. ТЕОРІЯ АВТОМАТИЧНОГО УПРАВЛІННЯ 1.61 MB
  Лабораторні роботи проводяться на ПЕОМ у компютерному класі кафедри. Знаходячись у класі, кожен студент зобовязаний дотримувати правил техніки безпеки, які викладені в спеціальній Інструкції з техніки безпеки в компютерному класі, і правил пожежної безпеки, що також викладені в спеціальній інструкції.
31304. Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з курсу Теорія автоматичного керування 1.49 MB
  Лінійні системи автоматичного керування (САК) описують лінійними диференціальними рівняннями. У цих рівняннях змінні та їх похідні зустрічаються лише у першому ступені й відсутні взаємні добутки змінних та їх добутки з похідними.
31305. Методичні вказівки до виконання контольних і розрахункових завданнь з курсу “Теорія електропривода” 725.5 KB
  Сумісна робота двигуна і робочої машини. Вираз характеристик двигуна у відносних одиницях. Гальмівні режими роботи двигуна: а з віддачею енергії в мережу рекуперативне гальмування; б режим противмикання; в режим електродинамічного гальмування. Механічні характеристики і регулювання швидкості двигуна при шунтуванні якоря.
31306. ТЕОРІЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДА 397.5 KB
  Незважаючи на різноманітність систем електропривода в завданні на проект а також у методичних вказівках здійснюється загальний підхід до розв’язання задач вибору потужності двигуна дослідження статичних і неусталених режимів. Розрахувати відсутні параметри тахограми орієнтовно визначити потужність двигуна вибрати за каталогом двигун і редуктор. Виконати уточнений розрахунок потужності електродвигуна використовуючи формули приведення моментів і мас що обертаються. Розрахувати й побудувати статичні характеристики двигуна в розімкненій і...
31307. Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної дисципліни «Теорiя електропривода» (частина I) 2.27 MB
  Гальмівний режим Залежно від того як використовується перетворена електрична енергія існує декілька гальмівних режимів: режим рекуперативного гальмування або генераторний режим із віддачею енергії у мережу; при цьому активна механічна потужність із вала двигуна перетворюється в електричну і за відрахуванням втрат віддається в мережу тобто. Перехід із рушійного режиму в режим рекуперативного гальмування здійснюється при кутовій швидкості двигуна вище кутової швидкості ідеального холостого ходу; режим противмикання; при цьому двигун...
31308. «ТЕОРIЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДA» (ЧАСТИНА IІ) 4.07 MB
  1 На відміну від каскаду сталої потужності додаткова ЕРС вводиться в ротор АД від машини постійного струму механічно не зв’язаної з валом робочого двигуна рис. Очевидно що і потужність приводного двигуна ПД МПС повинна бути в цьому випадку однаковою з потужністю АД. машини постійного струму і випрямленої напруги ротора асинхронного двигуна. ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №2 ДОСЛІДЖЕННЯ МЕХАНІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДВИГУНА ПОСТІЙНОГО СТРУМУ В СИСТЕМІ КВ – Д МЕТА РОБОТИ Одержати експериментально швидкісні і за допомогою розрахунку –...