03 Генетика
advertisement
Кафедра медицинской биологии, микробиологии, вирусологии и иммунологии ГЕНЕТИКА МИКРООРГАНИЗМОВ Лектор ст. преп. Малярчук А.Р. F. Crick i J. Watson ДНК E. coli Транспозон и IS элемент Функции IS-элементов • 1. Координирующая. • 2. Регуляторная • 3. Индуцируют мутации делеции или инверсии по типу Функции транспозонов • • • • 1. 2. 3. 4. Регуляторная. Кодирующая. Индуцируют муктации. Вызывают хромосомные аберрации. Виды плазмид • 1. Трансмиссивные (конъюгация). • 2. Нетрансмиссивные (трансдукция) • 3. “Криптические”. • 4. Монокопийные • 5.Мультикопийные Функции Види плазмідплазмид • 1. Регуляторная • 2. Кодирующая. Функциональные свойства плазмид Виды Видиплазмид плазмід • - Сol – продукция колицинов • • • • • • • • • - HLy – продукция гемолизинов - Tol – расщепление толлуола, ксилола Ent – продукция энтеротоксина Nif – связывание азота у K. pneumoniae Ti – образование опухолей у растений Плазмиды деградации: - Саm – расщепление камфоры - Oct - расщепление октана - Sal - расщепление салицина Мутации Види плазмид • 1. За происхождением: спонтанные и индуцированные • 2. За локализацией: нуклеоидные и цитоплазматические • 3. За количеством генов, что мутировали: генные и хромосомные • 4. За величиной: большие (хромосомные) и малые (точковые) Мутации Види плазмід • 1. Хромосомные: • - инверсия • - дупликация • - делеция • - дислокация Мутации Види плазмід • • • • • • 1. Точковые: - делеция -инсерция (вставка) - замена: - транзиция (пуриновая основа на пуриновую, пиримидиновая – на пиримидиновую) - трансверзия (пуриновая основа на пиримидиновую и наоборот) Мутагенные факторы • Физические: • 1. УФО (λ-2600 А) – более сильное мутагенное действие; образуются димеры тымину, смена основ • 2. Ионизирующее излучение (рентгеновское, гамма-лучи) Мутагенные факторы • Химические: • 1. Азотистая кислота (самый доступный и • • • • • • • безопасный) 2. N-нитрозометилмочевина – супермутаген, канцероген 3. Этилметансульфонат 4. Акридины 5. Нитрозогуанидин 6. Аналоги основ (5-бромурацил, 2-амінопурин) 7. Лекарственные препараты (нитрофураны, некоторые антибиотики Биологические: перекись водорода Действие разных мутагенов на бактерии • Индуктируемые мутации возникают под воздействием действия на клетку установленных мутагенных факторов. Частота их на несколько порядков выше, чем спонтанных. За локализацией мутации подіяють на нуклеоидные, которые возникают в нуклеоиде клетки, и цитоплазматическиеі, которые возникают в позахромосомных элементах наследственности плазмидах; за количеством генов, которые мутировали, - на генные и хромосомные, за величиной - на большие (хромосомные) и малые (точечные). Хромосомные мутации чаще бывают инверсиями (фрагмент ДНК в молекуле переворачивается на 180°), дупликациями (удвоение участка хромосомы), делециями (выпадение части хромосомы), дислокациями (происходит изменение локализации участка ДНК). Точечные мутации чаще наблюдаются как делеция, вставка фрагменту ДНК (инсерция) или замена основ. Если наблюдают замену пуриновых основ на пуриновую, а пиримидиновых на пиримидиновые, такую мутацию называют транзицией. При условии замены пуриновой основы на пирииідиновую и наоборот, мутация называется трансверсией. R и S формы колоний • • • • • • • • • • • Свойства микробов S-колоний Клетки нормальной морфологии Диффузное помутнение бульйона У подвижных видов есть жгутики У капсульных вариантов есть капсулы Биохимически более активные Полноценные в антигенном отношении У патогенных видов – вирулентные Выделяются в остром периоде болезни Чувствительные к бактериофагам Менее чувствительные к фагоцитозу Метод реплик Световая репарация Темновая репарация Генетические рекомбинации • Рекомбинации - особенные феномены наследственной изменчивости микроорганизмов, которые не связаны с мутационным процессом. Рекомбинанти, что при этом возникают, наследуют некоторые признаки обеих “родительских” клеток, ведь происходит экспрессия гена реципиента и части генома донора. Генетические рекомбинации создают неисчерпаемый источник многообразных комбинаций генов, которые природа использует в процессе эволюции. Считается, что способность клеток к рекомбинациям детерминируется особенными rec-генами (recombination - рекомбинация). Выделяют три основных вида генетических рекомбинаций: трансформация, трансдукція и конъюгация. Трансформация - процесс гибридизации в результате переноса генетических ОПЫТ ГРИФФИТСА • Впервые на явление трансформации обратил внимание Ф. Гриффитс в 1928 г., изучая пневмококки (Streptococcus pneumoniae), которые образуют капсулу в организме, а на агаре растут в виде гладких (S-форма) и блестящих колоний. При введении белым мышам убитых нагреванием вирулентных капсульных пневмококков ІІІ типа вместе с авирулентными бескапсульными пневмококками ІІ типа (R-форма) лабораторное животное через несколько дней погибало, а из ее крови высевались живые капсульные пневмококки ІІ серотипу. Следовательно, происходила глубокая перестройка генетического аппарата клетки, которая приобретала способность синтезировать капсулу. ТРАНСФОРМАЦИЯ • В 1944 г. О. Евери, К. Маклеод и М. Маккарти смоделировали этот феномен in vitro, выделили и очистили трансформирующий агент. Им оказалась молекула ДНК. Трансформация происходит только в тех клетках, которые способны к ней. Такое состояние определяется понятием компетентности, природа которой окончательно не выяснена. Считается, что она предопределяется наличием особенного белка - компонента клеточной мембраны, способного расщеплять некоторые структурные элементы клеточной поверхности. Таким образом высвобождаются рецепторные участки, с которыми взаимодействует ДНК. Состояние компетентности формируется на определенных стадиях развития бактериальной клетки. МЕХАНИЗМ ТРАНСФОРМАЦИИ • Механизм явления трансформации заключается в том, что сначала на поверхности реципиента клетки адсорбируется небольшой фрагмент двониткової ДНК (1/250-1/500 часть хромосомы донора клетки). Впоследствии он проникает внутрь клетки, где одна нить ДНК переваривается эндонуклеазами, а другая монтируется в клеточную хромосому. Наступает последняя фаза процесса экспрессия рекомбинантов. Такой процесс интеграции происходит очень быстро. Исследовано, что для появления рекомбинантов достаточно пятидесятиминутного контакта реципиента клетки с донорской ДНК, а сам процесс завершается через 2 часа. ТРАНСДУКЦИЯ – Вызывают умеренные, дефектные фаги – Виды: – - общая (генерализованая) – - специфичная – - абортивная ТРАНСДУКЦИЯ • В 1952 г. Н. Циндер и Д. Ледерберг, изучая процесс конъюгации между разными штаммами сальмонел, обратили внимание, что иногда обмен генетическим материалом происходит не в результате конъюгации, а в результате высвобождения из родительских штаммов умеренного бактериофага. Явление обмена генетической информацией у бактерий путем переноса фагами фрагментов ДНК от донора клетки к реципиенту клетки получило название трансдукції. Она часто происходит в энтеробактерий, псевдомонадах, стафилококках и бациллах. Считают, что большинство видов микроорганизмов несут в своем геноме профаг, потому трансдукция может быть КОНЪЮГАЦИЯ КОНЪЮГАЦИЯ • Впервые это явление исследовали Д. Ледерберг и E. Тейтум на модели кишечной палочки (1946). Необходимым условием для процесса конъюгации является наличие в клетке-доноре особенного фактора, который называется Fфактор (fertility - плодовитость). Он есть кон’югативною плазмідою, что существует автономно в цитоплазме бактерии. Складывается она из генов переноса и генов, которые кодируют определенные признаки клетки. Бактерии с Fфакторами отражаются как F+-, а без него - F-клетки. F-фактор детерминирует образование половых ворсинок, следовательно, способность клеток к конъюгации. Половые ворсинки особенные трубчатые вирости на поверхности клетки. Они полые, длина их в несколько раз превышает величину бактерии. Процесс конъюгации начинается с того, что с помощью половых ворсинок донор клетки касается реципиента клетки, фиксирует ее и Хромосомная карта E. coli БИОТЕХНОЛОГИЯ • Генетические феномены нашли широкое практическое применение в разных отраслях науки, техники, медицины, фармацевтической промышленности, биотехнологии, сельского хозяйства. Благодаря применению генетических методов, получены высокоактивные штаммы бактерий, грибов, актиномицетов, дрожжей, которые продуцировали в 200-1000 раз и больше аминокислот, органических кислот, ферментов, витаминов, кормового белка, сравнительно с выходными, а также вакцинные штаммы микроорганизмов и вирусов. Использование многообразных мутагенов (ультрафиолетовое и радиоактивное облучение, химические вещества) позволило создать мутантний штамм гриба Penicillium chryzogenum, который в диком состоянии продуцировал 100 од/мл пеницилина, а после направленной селекции - 10000 од/мл. Установлено, что некоторые микроорганизмы, Некоторые гормоны человека, продуцируемые рекомбинантнимы микроорганизмами Белок Назва вещества Инсулин Соматостатин Интерферон альфа Интерферон гамма Интерферон бета Интерлейкин-2 Фактор некроза опухолей Эритропоетин Гранулоцит колониестимулюющий фактор Плазминоген активатор Гумулин, Новолин Протропин, Гуматроп Роферон, Велферон Актимун Фрон, Бетасерон Пролейкин Прокрит, Эпоген Филграстин, Ньюпоген Актилиз БИОТЕХНОЛОГИЯ • Медицинская наука стоит на пороге разработки методов генной хирургии. Например, у человека порой встречается врожденная недостаточность фермента гипоксантингуанинфосфорибозилтрансферазы (ГГФРТ). В таком случае она склонна к подагре, часто наблюдается боль в суставах, развивается мочекамяная болезнь. Эксперименты на животных убедительно довели, если вмонтировать ген, ответственный за синтез этого фермента, в ретровирус и ввести его в спинной мозг белых мышей, они начинают синтезировать ГГФРТ. Клонирован из макрофагов человека ген фактора некроза опухолей в кишечной палочке при введении ее белым мышам с саркомами вызывает их разрушение. Широкие перспективы открывает генная инженерия на пути создания высокоэффективных средств специфической профилактики инфекционных заболеваний. Введение в геном кишечных палочек, вирусов вісповакцини, дрожжей некоторых генов вирусов гепатита В, ящур позволили разработать субодинические вакцины.
