Генетика микроорганизмов - Immunology

Генетика микроорганизмов
Павел Несмиянов
План
1. Организация генетического материала у бактерий
2. Репликация ДНК
3. Механизмы генетического разнообразия:
Трансформация
Конъюгация
Трансдукция
Мобильные генетические элементы (плазмиды,
транспозоны, IS-элементы)
Мутации и репарация мутаций
Зачем нужно знать о генетике
микроорганизмов?
Плазмидная наследственность: Метициллин-резистентный
золотистый стафилококк (MRSA), карбапенем-устойчивая Klebsiella
pneumoniae, ванкомицин-устойчивый золотистый стафилококк
Генетический обмен: приобретение E. Coli O157:H7 генов токсина
Shiga от Shigella
Происхождение HIV, H1N1?
Конструирование бактерий с нужными свойствами
Структура и функция генетического
материала
Поток генетической информации
Структура и функция генетического
материала: бактериальная ДНК
Короткие
Тандемные
Повторы
(STR)
Метаболизм аминокислот
Репликация и восстановление ДНК
Время, за которое
гены переносятся
между клетками
(минуты)
Метаболизм липидов
Метаболизм углеводов
Мембранный синтез
Генетическая
карта E. Coli
Количество оснований: 4,6 миллиона
Длина: 1 мм (в 1000 раз больше самой клетки)
Набор: гаплоидный
Структура и функция генетического
материала: бактериальная ДНК
Лизированная E. Coli и молекула ДНК, вышедшая из клетки
Поток генетической информации в
клетке
Упаковка ДНК в суперспирали
Репликация ДНК
Важные ферменты
ДНК-гираза
«Расслабляет» спираль в репликационной вилке. Хинолоны
блокируют её
ДНК-лигаза
Соединяет нити ДНК ковалентными связями
ДНК-полимераза
Синтезирует и «ремонтирует» ДНК
Эндонуклеазы
Вырезают внутренние фрагменты ДНК
Экзонуклеазы
Отрезают концевые фрагменты ДНК
Хеликазы
Разделяют двухцепочечную молекулу ДНК
Метилазы
Метилируют основания ДНК
Фотолиазы
Используют свет для разделения пиримидиновых димеров
(образуются в результате УФ-облучения)
Рибозимы
Удаляют интроны РНК (сплайсинг)
РНК-полимераза
«Снимает» РНК-копию с цепи ДНК
РНК-праймаза
Делает праймеры РНК для работы ДНК-полимеразы
snRNP
Комплекс, удаляющий интроны в РНК
Топоизомераза
Расплетает ДНК в процессе репликации
Транспозаза
Расщепляет ДНК, оставляя «липкие концы»
Важные ферменты
Репликация ДНК
Генетическое разнообразие
E. Coli – штамм K-12
E. Coli – штамм O157:H7
Генетическое разнообразие
Общий предок
E. Coli – штамм K-12
E. Coli – штамм O157:H7
4,6 миллионов пар
нуклеотидов
5,5 миллионов пар
нуклеотидов
528 «оригинальных»
генов (их нет у
O157:H7)
1387 «оригинальных»
генов (их нет у K-12)
Генетическое разнообразие
Секвенировано более 30 штаммов E. Coli
У штаммов E. Coli ≈18000 генов (ПАНГЕНОМ)
Анимация: механизмы
генетического разнообразия
Трансформация: эксперимент
Гриффита (1928)
Трансформация
Конъюгация
F=fertile (фертильность)
Трансдукция
Трансдукция: общая и специфическая
Плазмиды
Что кодируют плазмиды?
Пили для конъюгации (F-плазмиды, конъюгативные)
Устойчивость к антибиотикам
(R-плазмиды)
Бактериоцины (колицины)
(Col-плазмиды)
Факторы патогенности (Entплазмиды, Hly-плазмиды)
Ферменты метаболизма
Ti-плазмиды индуцируют
опухоли у растений
Несовместимые плазмиды
Неинтегративные и интегративные
плазмиды
Использование плазмид: генетическая
модификация растений
Анимация: конъюгация и перенос
плазмиды
Транспозоны и IS-элементы
Кодируют белки
Содержат только
последовательности
встраивания
Анимация 1: рекомбинация
Мутагенез: тест Эймса
Мутации
изменения в последовательности отдельных нуклеотидов
ДНК, которые передаются по наследству
Спонтанные – возникают самопроизвольно.
Индуцированные – возникают в результате воздействия
мутагенов (УФО, гамма-излучение, температура, нитраты,
нитриты, азотистая кислота, аналоги пуриновых и
пиримидиновых оснований, транспозоны и др.)
По протяженности:
• точечные – повреждение одной пары нуклеотидов
• протяженные (сложные) или аберрации:
делеция – выпадение нескольких пар нуклеотидов
дупликация – добавление нуклеотидных пар
транслокация – перемещение фрагментов хромосомы
инверсия – перестановка нуклеотидных пар
Мутации
Точечные мутации замены оснований классифицируют на транзиции и
трансверсии
• Транзиция — одно пуриновое основание замещается на другое
(аденин на гуанин или наоборот), либо происходит аналогичная
перестановка пиримидиновых оснований (тимин с цитозином).
• Трансверсия — пуриновое основание замещается на
пиримидиновое основание или наоборот.
Точечные мутации сдвига рамки чтения классифицируют на делеции и
инсерции
Дым шел три дня
•
Делеции — в молекуле ДНК выпадает один или
несколько нуклеотидов
Дыш елт рид ня
•
Инсерция — в молекулу ДНК встраивается один или несколько
нуклеотидов
Дым шее лтр идн я
Мутации
Точечные мутации по эффекту, который изменённый нуклеотид
оказывает на триплет:
Дым шел три дня
Нонсенс-мутация — мутация, в результате которой кодон теряет
способность кодировать какую-либо аминокислоту и становится стопкодоном, что приводит к преждевременной терминации синтеза белка
Дым шел (stop)
Миссенс-мутация — переключает кодон на кодирование другой
аминокислоты.
Дым шел три пня
Сеймсенс-мутация — кодон продолжает кодировать ту же аминокислоту.
Мутации
• Прямые мутации – возникают в геноме дикого
типа бактерий и приводят к потере функции
(мутанты).
• Обратные мутации (реверсия) – в результате
мутации происходит восстановление исходного
дикого генотипа (ревертанты).
• Супрессорная
мутация
–
мутация
восстанавливает только фенотип.
Репарационные системы
• Световая
–
связана
с
деятельностью
фотореактивирующих
ферментов,
которые
расщепляют тиминовый димер.
• Темновая – дефектные участки ДНК удаляются и
образовавшаяся брешь достраивается при
помощи полимеразы и соединяется с цепью
лигазой.
Мутации: световая репарация
Мутации: эксцизионная репарация
Анимация: восстановление ДНК
Мутации: последствия
•
•
•
•
изменение морфологии,
устойчивость к антибиотикам,
снижение вирулентности,
S-R- диссоциация колоний на питательной
среде,
• возникновение потребностей в факторах роста
и т.д.