6562

Генетика мікроорганізмів як вчення про спадковість і мінливість

Доклад

Биология и генетика

Генетика мікроорганізмів. Генетика мікроорганізмів як вчення про спадковість і мінливості має характерні риси, що відповідають їхній будові й біології. Найбільш вивчена генетика бактерій, характерними рисами яких є малі розміри й більша швидкість ро...

Украинкский

2013-01-06

28.36 KB

76 чел.

Генетика мікроорганізмів.

Генетика мікроорганізмів як вчення про спадковість і мінливості має характерні риси, що відповідають їхній будові й біології. Найбільш вивчена генетика бактерій, характерними рисами яких є малі розміри й більша швидкість розмноження бактеріальної клітини, що дозволяє простежити генетичні зміни протягом невеликого проміжку часу на великій кількості популяцій. Бактеріальна клітина має одинарний набір генів (немає алелей). Хромосома бактерій є полінуклеотидом (два полінуклеотидних ланцюжка ДНК) довжиною 1000 мкм. Вона суперспіралізована й замкнена в кільце: містить від 3000 до 5000 генів. Аналогічно хромосомі в цитоплазмі бактерій розташовуються ковалентно замкнені кільця ДНК, називані плазмідами (нехромосомні фактори спадковості). Маса плазмід значно менше маси хромосом. Хромосома й плазміда здатні до автономного самокопіювання – реплікації, тому їх називають репліконами. Властивості мікроорганізмів, як і будь-яких інших організмів, визначаються їхнім генотипом, тобто сукупністю генів даної особини. Термін «геном» відносно мікроорганізмів – майже синонім поняття «генотип».

Фенотип являє собою результат взаємодії між генотипом і навколишнім середовищем, тобто прояв генотипу в конкретних умовах проживання. Фенотип мікроорганізмів хоча й залежить від навколишнього середовища, але контролюється генотипом, тому що характер і ступінь можливих для даної клітини фенотипових змін визначаються набором генів, кожний з яких представлений певною ділянкою молекули ДНК.

В основі мінливості лежить або зміна реакції генотипу на фактори навколишнього середовища, або зміна самого генотипу в результаті мутації генів або їх рекомбінації. У зв'язку із цим фенотипову мінливість підрозділяють на спадкову й неспадкову.

Неспадкоємна (середовищна, модифікаційна) мінливість обумовлена впливом в- та позаклітинних факторів на прояв генотипу. При усуненні фактора, що викликав модифікацію, дані зміни зникають.

Спадкоємна (генотипова) мінливість, пов'язана з мутаціями, – мутаційна мінливість. Основу мутації становлять зміни послідовності нуклеотидів у ДНК, повна або часткова їхня втрата, тобто відбувається структурна перебудова генів, що проявляється фенотипово у вигляді зміненого ознаки. Спадкоємна мінливість, пов'язана з рекомбінаціями, називається рекомбінаційною мінливістю.

Рекомбінації у бактерій

Рекомбінація (ре + лат. combinatio – з'єднання) – виникнення нових послідовностей ДНК у результаті розривів і наступних відновлень її молекул. У підсумку таких змін ДНК бактерій з'являються так звані рекомбінантні штами, або рекомбінанти. Процес рекомбінації в бактерій має деякі відмінності, пов'язані з особливостями їх генетичного апарата, форм генетичного обміну. Саме на мікробних об'єктах були відкриті форми переносу генетичного матеріалу – трансформація, трансдукція, кон'югація, невідомі класичної генетиці, за допомогою яких вивчаються молекулярні механізми генетичних рекомбінацій.

У процесі генетичного переносу беруть участь бактерія-реципієнт і бактерія-донор. Ступінь участі їх нерівномірна: у реципієнтну клітину попадає лише фрагмент екзогенної ДНК бактерії-донора, який взаємодіє із цільною хромосомою реципієнта, у результаті чого відбувається частковий перерозподіл (рекомбінація) генетичного матеріалу з утворенням рекомбінанту. Усі етапи рекомбінації в бактерій забезпечуються відповідними ферментами: рестриктазами, лігазами й ін. У бактерій розрізняють три типи рекомбінацій: загальну, «незаконну» і сайт-специфічну. Загальна, або гомологічна, класична, рекомбінація відбувається, якщо в структурі взаємодіючої ДНК є гомологічні ділянки ( від грецьк. homologia – відповідність). Так звана «незаконна» рекомбінація для свого здійснення не вимагає значної гомології ДНК взаємодіючих структур для інтеграції з негомологічними ділянками репліконів. Транспозони – більш складні генетичні структури ДНК, І які містять у своєму складі Is-елементи й додаткові гени (наприклад, гени лікарської стійкості й ін). Рухливі генетичні елементи викликають ушкодження або інактивацію генів, злиття репліконів, поширення генів серед бактерій. Загальна рекомбінація найбільш ефективна при внутрішньовидовому генетичному обміні, «незаконна» рекомбінація відіграє важливу роль не тільки в межах окремих видів, але й між бактеріями різних видів і пологів. Третім різновидом рекомбінації є так звана сайтеспецифічна рекомбінація ( від англ, site – місце розташування, ділянка), для здійснення якої необхідні строго певні послідовності ДНК і спеціальні ферменти. СайтеСпецифічна рекомбінація відбувається в I менш протяжних ділянках генома ( у межах 10-20 пар нуклеотидів), наприклад при включенні профага в строго обмежені ділянки (сайти) хромосоми.

Найбільш вивчено три типи передачі ДНК, що відрізняються друг від друга способом її транспортування: трансформація, трансдукція, кон'югація.

Трансформація

Трансформація ( від лат. transformatio – перетворення) полягає в тому, що ДНК, виділена з бактерій у вільній розчинній формі, передається бактерії-реципієнтові. При трансформації рекомбінація відбувається, якщо ДНК бактерій родинні один одному. У цьому випадку можливий обмін гомологічних ділянок власної й потрапившої ззовні ДНК.

Уперше явище трансформації описав Ф. Гриффіт (1928). Він уводив мишам живий невірулентний безкапсульний R-штам пневмокока й одночасно вбитий вірулентний капсульний S-штам пневмокока. Із крові загиблих мишей був виділений вірулентний пневмокок, що має капсулу вбитого S-штаму пневмокока. Таким чином, убитий S-штам пневмокока передав спадкову здатність капсулоутворення R-штаму пневмокока. О. Звір, К. Маклеод і М. Маккарті (1944) довели, що, що трансформує агентом у цьому випадку є ДНК. Шляхом трансформації можуть бути перенесені різні ознаки: капсулоутворення, стійкість до антибіотиків, синтез ферментів. Вивчення бактеріальної трансформації дозволило встановити роль ДНК як матеріального субстрату спадковості. При вивченні генетичної трансформації в бактерій були розроблені методи екстракції й очищення ДНК, біохімічні й біофізичні методи її аналізу.

Трансдукція

Трансдукція ( від лат. transductio – перенос, переміщення) – передача ДНК від бактеріїидонора до бактерії-реципієнта при участі бактеріофага. Розрізняють неспецифічну (загальну) трансдукцію, при якій можливий перенос будь-якого фрагмента ДНК донора, і специфічну – перенос певного фрагмента ДНК донора тільки в певні ділянки ДНК реципієнта.

Неспецифічна трансдукція обумовлена включенням ДНК донора в голівку фага додатково до генома фага або замість генома фага (дефектні фаги). Специфічна трансдукція обумовлена заміщенням деяких генів фага генами хромосоми клітину-донора. Фагова ДНК, що несе фрагменти хромосоми клітини-донора, включається в строго певні ділянки хромосоми клітину-реципієнта. Таким чином, привносяться нові гени й ДНК фага у вигляді профага репродукується разом із хромосомою, тобто цей процес супроводжується лізогенією. Якщо фрагмент ДНК, стерпний фагом, не вступає в рекомбінацію із хромосомою реципієнта й не реплікується, але з нього зчитується інформація про синтез відповідного продукту, така трансдукція називається абортивної.

Кон'югація

Кон'югація ( від лат. conjugatio – з'єднання) описана Дж. Ледербергом і Є. Татумом (1946), що працювали з мутантами кишкової палички. Кон'югація бактерій полягає в переході генетичного матеріалу (ДНК) із клітини-донора («чоловічий») у клітину-реципієнт («жіночу») при контакті клітин між собою. Чоловіча клітина містить F-фактор, або статевий фактор ( від англ, fertility –плідність), який контролює синтез так званих статевих пілей, або F-пілей.

Клітини, що не містять F-фактора, є жіночими; при одержанні F-фактора не перетворюються в «чоловічі» і самі стають донорами. F-фактор розташовується в цитоплазмі у вигляді кільцьової двониткової молекули ДНК, тобто є плазмідою. Молекула F-фактора значно менше хромосоми й містить гени, що контролюють процес кон'югації, у тому числі синтез F-пілей. При кон'югації F-пілі з'єднують «чоловічу» і «жіночу» клітини, забезпечуючи перехід ДНК через коньюгаційний місток або F-пілі. Клітини, що містять F-фактор у цитоплазмі, позначаються F+; вони передають F-фактор клітинам, позначуваним F («жіночим»), не втрачаючи донорської здатності, тому що залишають копії F-фактора. Якщо F-фактор включається у хромосому, то бактерії здобувають здатність передавати фрагменти хромосомної ДНК і називаються Hfr-клітинами ( від англ, high frequency of recombination – висока частота рекомбінацій), тобто бактеріями з високою частотою рекомбінацій. При кон'югації клітин Hfr і клітин F-хромосома розривається й передається з певного ділянки ( початкової точки) у клітину F", продовжуючи реплікуватись. Перенос усієї хромосоми може тривати до 100 хв. Стерпна ДНК взаємодіє із ДНК реципієнта -відбувається гомологічна рекомбінація. Перериваючи процес кон'югації бактерій, можна визначати послідовність розташування генів у хромосомі. Іноді F-фактор може при виході із хромосоми захоплювати невелику її частину, утворюючи так 1 називаний заміщений фактор – F'.

При кон'югації відбувається тільки частковий перенос генетичного матеріалу, тому її не слід ототожнювати повністю з статевим процесом в інших організмів. Важливими факторами генетичної мінливості є 1 плазміди.

Плазміди

Плазміди – нехромосомні мобільні генетичні структури бактерій, що представляють собою замкнені кільця двониткової ДНК. По розмірах становлять 0,1 - 5 % ДНК хромосоми. Плазміди здатні автономно копіюватися (реплікуватись) і існувати в цитоплазмі клітини, тому в клітині може бути кілька копій плазмід. Плазміди можуть включатися (інтегрувати) у хромосому й реплікуватись разом з нею. Розрізняють трансмісивні й нетрансмісивні плазміди. Трансмісивні (конъюгативні) плазміди можуть передаватися з однієї бактерії в іншу.

Термін «плазміди» уперше введений американським ученим Дж. Ледербергом (1952) для позначення статевого фактора бактерій. Плазміди несуть гени, не обов'язкові для клітини-хазяїна, надають бактеріям додаткові властивості, які в певних умовах навколишнього середовища забезпечують їхні тимчасові переваги в порівнянні з безплазмідними бактеріями.

У бактерій різних видів виявлені R-плазміди гени, що несуть, відповідальні за множинну стійкість до лікарських препаратів – антибіотикам, сульфаніламідам і ін., F-плазміди, або підлоговий фактор бактерій, що визначає їхня здатність до кон'югації й утвору статевих пілей, Ent-плазміди, що детермінують продукцію ентеротоксина.

Плазміди можуть визначати вірулентність бактерій, наприклад збудників чуми, правця, здатність ґрунтових бактерій використовувати незвичайні джерела вуглецю, контролювати синтез білкових антибіотикоподібних речовин – бактеріоцинів, які детермінуються плазмідами бактеріоциногенії, і т.д. Існування безлічі інших плазмід у мікроорганізмів дозволяє починати, що аналогічні структури широко поширені в найрізноманітніших мікроорганізмів.

Плазміди піддані рекомбінаціям, мутаціям, можуть бути еліміновані (вилучені) з бактерій, що, однак, не впливає на їхні основні властивості. Плазміди є зручною моделлю для експериментів по штучній реконструкції генетичного матеріалу, широко використовуються в генетичній інженерії для одержання рекомбінантних штамів. Завдяки швидкому самокопіюванню й можливості коньюгаційної передачі плазмід усередині виду, між видами або навіть родами плазміди відіграють важливу роль в еволюції бактерій.

Мутації

Мутації (від лат. mutatio – зміна) – наслідувані зміни в генотипі, не пов'язані з явищами рекомбінацій. Мутації визначаються змінами послідовності нуклеотидів у ДНК. Зміни послідовності нуклеотидів у ДНК можуть бути наслідком різних процесів: помилка при реплікації, випадання ділянок (делеція), переміщення окремої ділянки щодо іншого (транслокація) і ін.

Мутації в бактерій виявляються по зміні будь-якої відомої ознаки мікроорганізму (наприклад, здатність синтезувати амінокислоту, чутливість до антимікробних препаратів і ін.). Існують різні типи мутацій. По походженню мутації можуть бути спонтанними або індукованими. Перші виникають без втручання експериментатора, другі – у результаті впливу мутагенів на бактеріальну популяцію, тобто фізичних, хімічних або біологічних факторів, здатних викликати мутацію. До мутагенів ставляться різні види радіації, температура, ряд хімічних сполук (нітрати, нітрити, бромурацил, 2-амінопурин, нітрозогуанідин і ін.).

Мутації підрозділяють на прямі й зворотні, якщо мова йде про напрямок мутаційної зміни. Мутації, що виникають у геномі «дикого типу» у бактерій у природніх умовах проживання, називаються прямими. особини, що утворювалися, є мутантами. Мутації, що завершуються поверненням від мутантного типу до дикого, називаються зворотними, або реверсією. Особини, що виникли в результаті зворотних мутацій, називаються ревертантами. У цей час окремі реверсії й лежачі в їхній основі механізми вивчені лише в бактерій і вірусів. Передбачається досить універсальний характер цих процесів. Реверсії виникають під дією тих же факторів навколишнього середовища, які викликають поява прямих мутацій. Реверсія може бути «дійсної» у результаті відновлення первісного стану мутантного гена; якщо вона відбувається за рахунок додаткової мутації, то називається супресивною мутацією.

Більшість змін, що відбуваються в ДНК, приведуть до шкідливих мутацій або викликає загибель мікроорганізмів. Тому всі клітини мають особливі механізми реконструкції, виправлення ушкоджень, називані репараційними.

Однієї з форм мутацій є дисоціація ( від лат. dissociatio – розщеплення) – виникнення в популяції мікроорганізмів особин, що відрізняються від вихідних мікроорганізмів зовнішнім виглядом і структурою колоній, так званих S-І R-форм ( від англ, smooth – гладкий, rough – шорсткуватий). S-форми колоній – круглі, вологі, із блискучою гладкою поверхнею, рівними краями; R-форми утворюють колонії неправильної форми, непрозорі, сухі із зазубреними краями й нерівною шорсткуватою поверхнею. Різному зовнішньому вигляду колоній відповідає ряд властивостей. Частіше S-форми більш вірулентні, клітини мають нормальну морфологію, біохімічно більш активні, звичайно виділяються в гострому періоді захворювання; у капсульних видів добре розвинені капсули, у рухливих видів є джгутики. Гладкі (S) і шорсткуваті (R) колонії є крайніми формами дисоціації, між якими можуть зустрічатися перехідні форми. Дисоціація розглядається як явище генетичної природи, пов'язане із хромосомними мутаціями генів, що контролюють синтез ліпополісахаридів клітинної стінки бактерій. Дисоціація відома в багатьох видів. Звичайно вона виявляється в старіючих культурах. Дисоціація виникає й у природних умовах (у патогенних мікроорганізмів у живому організмі). Більшість мікроорганізмів має повноцінні властивості, перебуваючи в S-формі, однак існують виключення: для мікобактерій туберкульозу, бацил сибірської виразки й збудника чуми нормальної є R-форма колоній.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

13712. Some people say that advertising encourages us to buy things we really do not need. Others say that advertisements tell us about new products that may improve our lives. Which viewpoint do you agree with? Use specific reasons and examples to support your 5.76 KB
  Some people say that advertising encourages us to buy things we really do not need. Others say that advertisements tell us about new products that may improve our lives. Which viewpoint do you agree with Use specific reasons and examples to support your answer. I think that everyone can divide all advertising products and services into useless ones and useful ones. It is like looking through an information desk when you pay attention to those messages that interest you. Take me for examp...
13713. Do you agree or disagree with the following statement? Advertising can tell you a lot about a country. Use specific reasons and examples to support your answer 1.84 KB
  Do you agree or disagree with the following statement Advertising can tell you a lot about a country. Use specific reasons and examples to support your answer. Every country has its own culture and traditions. There is no doubt that an advertising campaign conducted in Russia will not have the same affect here in the United States. Let us take for example advertisement of food and restaurants. A huge amount of fast food stands suggest their services for breakfast lunch di...
13714. A gift (such as a camera, a soccer ball, or an animal) can contribute to a child’s development. What gift would you give to help a child develop? Why? Use reasons and specific examples to support your choice 2.45 KB
  A gift such as a camera a soccer ball or an animal can contribute to a childs development. What gift would you give to help a child develop Why Use reasons and specific examples to support your choice. People learn and develop throughout their entire lives. I think that in our modern world it is very essential to be familiar with computer technology. So if I had a chance to give a child a gift it would be a computer. I think that computers play an essential role in our lives and ...
13715. Would you prefer to live in a traditional house or in a modern apartment building? Use specific reasons and details to support your choice 2.25 KB
  Would you prefer to live in a traditional house or in a modern apartment building Use specific reasons and details to support your choice. If I was asked where I would I prefer to live in a traditional house or in a modern apartment building I think I would hesitate to answer. This question from my point of view is a controversial one. In the following paragraphs I will analyze both these options and present my view. From the one side living in a modern apartment building bri...
13716. If you could study a subject that you have never had the opportunity to study, what would you choose? Explain your choice, using specific reasons and details 1.8 KB
  If you could study a subject that you have never had the opportunity to study what would you choose Explain your choice using specific reasons and details. If I would have the opportunity to study a subject I do not know yet I would choose to study the outer space. I have a Bachelor degree in Management and I like to have the possibilities to work in this field. However I was always interested in the space exploration. I think it is a very interesting and challenging job to w...
13717. Do you agree or disagree with the following statement? Attending a live performance (for example, a play, concert, or sporting event) is more enjoyable than watching the same event on television. Use specific reasons and examples to support your opinion 1.89 KB
  Do you agree or disagree with the following statement Attending a live performance for example a play concert or sporting event is more enjoyable than watching the same event on television. Use specific reasons and examples to support your opinion. The issue whether to attend a live performance or enjoy watching the same event on TV is a controversial one. However in my opinion an intermediate position can be taken. I base my suggestion on the following points. But before I begin I...
13718. Do you agree or disagree with the following statement? People should read only those books that are about real events, real people, and established facts. Use specific reasons and details to support your opinion 5.36 KB
  Do you agree or disagree with the following statement People should read only those books that are about real events real people and established facts. Use specific reasons and details to support your opinion. Some people think that fiction books have no use at all. They claim that people should read about real events that took place real people and established facts. I have to totally disagree with this statement. From my everyday experience and observation I can stand that fiction...
13719. It has been said, “Not everything that is learned is contained in books.” Compare and contrast knowledge gained from experience with knowledge gained from books. In your opinion, which source is more important? Why? 2.02 KB
  It has been said Not everything that is learned is contained in books. Compare and contrast knowledge gained from experience with knowledge gained from books. In your opinion which source is more important Why People are learning and practicing through their entire life. I believe that life experience and practice are the basic reasons of the humankind's evolution. However in my opinion knowledge gained from books plays a very important role in the modern life. The mo...
13720. It is sometimes said that borrowing money from a friend can harm or damage the friendship. Do you agree? Why or why not? Use reasons and specific examples to explain your answer 2.35 KB
  It is sometimes said that borrowing money from a friend can harm or damage the friendship. Do you agree Why or why not Use reasons and specific examples to explain your answer. I think that borrowing money from a friend has some negative aspects and can harm or damage the friendship in some cases. For example a person borrowed some money from his or her friend and did not return it. However I believe that borrowing money from a friend and returning it on time can not harm friendship...