Генетика бактерий. Понятие о внутривидовой ненаследственной изменчивости. Реверсия.

1)организация наследственного материала

Наследственный аппарат бактерий представлен одной хромосомой, которая представляет собой молекулу ДНК, она спирализована и свернута в кольцо. Это кольцо в одной точке прикреплено к цитоплазматической мембране. На бактериальной хромосоме располагаются отдельные гены.

Функциональными единицами генома бактерий, кроме хромосомных генов, являются:

1) IS-последовательности;

-короткие фрагменты ДНК. Они не несут структурных (кодирующих белок) генов, а содержат только гены, ответственные за транспозицию (способность перемещаться по хромосоме и встраиваться в различные ее участки).

2) транспозоны;

– это более крупные молекулы ДНК. Помимо генов, ответственных за транспозицию, они содержат и структурный ген.

3) 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.

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

а) R-плазмиды. Обеспечивают лекарственную устойчивость; могут содержать гены, ответственные за синтез ферментов, разрушающих лекарственные вещества, могут менять проницаемость мембран;

б) F-плазмиды. Кодируют пол у бактерий. Мужские клетки (F+) содержат F-плазмиду, женские (F—) – не содержат. Мужские клетки выступают в роли донора генетического материала при

конъюгации, а женские – реципиента. Они отличаются поверхностным электрическим зарядом и поэтому притягиваются. От донора переходит сама F-плазмида, если она находится в автономном состоянии в клетке.

F-плазмиды способны интегрировать в хромосому клетки и выходить из интегрированного состояния в автономное. При этом захватываются хромосомные гены, которые клетка может отдавать при конъюгации;

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

г) Tox-плазмиды. Кодируют выработку экзотоксинов;

д) плазмиды биодеградации. Кодируют ферменты, с помощью которых бактерии могут утилизировать ксенобиотики.

Перенос генетического материала бактерий:

■ Генетическая рекомбинация – взаимодействие между двумя геномами, которое приводит к образованию рекомбинаций ДНК и формированию дочернего генома, сочетающего гены обоих родителей.

■ Клетки-доноры и клетки-реципиенты.

■ Рекомбинант: генотип представлен в основном генотипом реципиента с включением фрагментов хромосомы донора.

■ Рекомбинация: гомологичная и сайт-специфическая.

■ Три механизма передачи генетического материала между бактериями: конъюгация, трансдукция и трансформация.

■ 1)Конъюгация – это перенос генетического материала путем прямого контакта между двумя клетками.

■ Обязательное условие – трансмиссивная плазмида (F, R), обладающая tra-опероном.

■ Биологическая значимость – распространение резистентности бактерий к антибиотикам.

■ 2)Трансформация – передача генетической информации через выделенную из клетки-донора ДНК. По происхождению ДНК может быть плазмидной либо хромосомной и нести гены, трансформирующие реципиента.

■ Трансформация служит хорошим инструментом для картирования хромосом, поскольку трансформированные клетки включают различные фрагменты ДНК.

■ Перенос экстрагированной ДНК является основным методом генной инженерии, используемым при конструировании рекомбинантных штаммов с заданным геномом Трансформирующей активностью обладает только двунитчатая высокоспирализованная ДНК.

■ В клетку-реципиент проникает только одна нить ДНК, другая – в клеточной мембране подвергается деградации с освобождением энергии, необходимой для проникновения в клетку.

■ Интеграция с хромосомой требует наличия гомологичных участков с трансформирующей ДНК.

■ 3)Трансдукция – передача бактериальной ДНК посредством бактериофага.

● Общая (неспецифическая) трансдукция – перенос вирулентным бактериофагом фрагмента любой части бактериальной хромосомы.

● Специфическая трансдукция – перенос умеренным фагом определенного фрагмента ДНК (прилегающий к месту включения фаговой ДНК).

● Абортивная трансдукция – внесенный фрагмент ДНК донора не встраивается в хромосому реципиента, а остается в цитоплазме и там самостоятельно функционирует.

Изменчивость:

■ Изменение бактериального генома могут происходить в результате мутаций и рекомбинаций.

■ Мутации – это изменения в последовательности нуклеотидов ДНК, проявляющиеся наследственно закрепленной утратой или изменением какого-либо признака или группы признаков.

■ Фенотипическим проявления мутаций: изменение морфологии бактерии, ауксотрофность, резистентность к антибиотикам, изменение чувствительности к температуре, снижение вирулентности (аттенуация).

■ По протяженности повреждений мутации бывают:

● точечными, когда повреждения ограничиваются одной парой нуклеотидов, (последствия: замена аминокислоты, сдвиг рамки считывания, возникновение бессмысленного кодона),

● протяженными (аберрации).

■ Мутации разделяют на:

● хромосомные – изменение двух и более участков хромосомы,

● генные – изменение гена или цистрона: модификации оснований, делеции (выпадение нескольких пар нуклеотидов), транспозиции (перемещение группы нуклеотидов в пределах хромосомы), инсерция (разрыв путем вставки посторонней ДНК), дупликация (добавление нуклеотидных пар) и деформации спирали ДНК.

Мутация, приводящая к потере функции, называется прямой мутацией. У мутантов может произойти восстановление исходных свойств, т.е. реверсия (от англ. reverse - обратный). Если происходит восстановление исходного генотипа, то мутация, восстанавливающая генотип и фенотип, называется обратной или прямой реверсией. Если мутация восстанавливает фенотип, не восстанавливая генотип, такая мутация называется супрессорной. Супрессорные мутации могут возникать как в пределах того самого гена, в котором произошла первичная мутация, так и в других генах или могут быть связаны с мутациями в тРНК.

По протяженности изменений повреждения ДНК различают мутации точечные, когда повреждения ограничиваются одной парой нуклеотидов, и протяженные или аберрации. В последнем случае могут наблюдаться выпадения нескольких пар нуклеотидов, т.е. делеции, добавление нуклеотидных пар - дупликации, перемещения фрагментов хромосомы - транслокации и перестановки нуклеотидных пар - инверсии.

Мутации могут быть спонтанными, т.е. возникающими самопроизвольно, без воздействия извне, и индуцированными.

Точечные спонтанные мутации появляются в результате возникновения ошибок при репликации ДНК.

Спонтанные хромосомные аберрации возникают вследствие перемещения подвижных генетических элементов.

Индуцированные мутации появляются под влиянием внешних факторов, которые называются мутагенами. Мутагены бывают физическими (УФ-лучи, γ-радиация), химическими (аналоги пуриновых и пиримидиновых оснований, азотистая кислота и ее аналоги и другие соединения) и биологическими - транспозоны.

Аналоги пуриновых и пиримидиновых оснований, например 2-аминопурин, 5-бромурацил, включаются в нуклеотиды, а следовательно, и в ДНК, но при этом они значительно чаще в силу таутомерных превращений спариваются с «неправильными» партнерами, в результате вызывая замену пурина другим пурином (А-Г) или пиримидина другим пиримидином (Т-Ц). Замены пурина на пурин, а пиримидина на пиримидин называются транзициями.

Фенотипическая изменчивость(ненаследственная)-модификация,которая не затрагивает генотип. Модификации затрагивают большинство особей в популяции. Они не передаются по наследству и с течением времени затухают, т. е. возвращаются к исходному фенотипу