Генетика бактерий

1
ГЕНЕТИКА БАКТЕРИЙ
Цель лекции: ознакомить студентов с основами генетики бактерий, с основными методами генодиагностики.
План лекции
1. Особенности организации ядерного аппарата бактерий.
2. Состав бактериального генома.
3. Изменчивость бактерий.
4. Рекомбинации у бактерий и их особенности.
5. Генодиагностика.
6. Классификация бактерий.
1.Особенности морфологической организации ядерного аппарата бактерий:
- не имеет ядерной мембраны, ядрышка; носит название нуклеоид;
- носителем генетической информации является ДНК. Если у эукариот ДНКлинейная, то у большинства бактерий - кольцевая, и одна нить фиксирована на цитоплазматической мембране. Если раскрутить ДНК, то длина её будет в сотни раз превышать длину клетки. ДНК бактерий суперспирализована.
- бактериальная клетка содержит одну хромосому, т.е. бактерии являются гаплоидными организмами.
2. Биохимические особенности.
- ДНК бактерий имеет тот же состав, что и ДНК эукариот.
- у бактерий в составе ДНК могут находиться минорные основания, наличие которых защищает ДНК от действия собственных эндонуклеаз.
- в геноме патогенных бактерий имеются участки ДНК, которые отличаются от основного генома составом Г-Ц пар нуклеотидных оснований. Эти участки ответственны за синтез факторов патогенности-острова патогенности.
- ДНК бактерий не содержит гистонов, а их роль выполняют полиамины.
Бактериальный геном представлен структурами, которые способны к автономной репликации. Таких структур две: хромосомы, в которых закодирована вся жизненно необходимая информация (в хромосоме бактерий содержится до 3 тыс. различных генов), и плазмиды.
Плазмиды - это ДНК, которые имеют кольцевую природу. Плазмиды в клетке могут находиться в одном из двух альтернативных состояний: в свободном или интегрированном с хромосомой.
В плазмидах закодирована дополнительная генетическая информация, которая не является жизненно необходимой для клетки, но наличие этой информации сообщает ей определенные селективные преимущества. В состав плазмид входят:
-структурные гены;
-гены, отвечающие за собственную репликацию плазмиды.
Некоторые плазмиды имеют гены, обеспечивающие трансмиссивность плазмиды - tra-гены.

2
По кодируемому признаку различают:
- R плазмиды- кодируют лекарственную устойчивость бактерий;
- F (sex) плазмиды - определяют способность клетки быть донором генетической информации;
- Col плазмида - кодирует синтез бактериоцинов;
- плазмиды, отвечающие за синтез факторов вирулентности (Ent-, Hly-) и другие плазмиды.
В состав бактериального генома входят подвижные генетические элементы:
IS-элементы (insertion sequences), транспозоны и интегроны. Они обнаружены как в составе бактериальной хромосомы, так и в составе плазмид. Их репликация – составная часть репликации хромосомы и плазмиды.
IS-элементы - короткие (2000) нуклеотидные последовательности. Отличительной особенностью IS-элементов является наличие на концах инвертированных повторов, которые узнает транспозаза. Они не несут структурных генов; одинаковы у бактерий разных видов, родов, и даже считается, что они одинаковы у прокариот и у эукариот.
IS-элементы могут перемещаться как по хромосоме, так и между хромосомами. Они содержат 2 гена:1-й кодирует синтез транспозазы; этот фермент обеспечивает процесс исключения IS элемента из хромосомы и его интеграцию в новой локус хромосомы . 2-й ген кодирует синтез репрессора, который регулирует весь процесс перемещения.
Транспозоны – это сегменты ДНК, обладающие теми же свойствами, что и ISэлемент, но имеющие структурные гены.
Интегроны – подвижные генетические элементы; они содержат ген, кодирующий устойчивость к антибиотикам. Интегроны являются системой захвата малых элементов ДНК, называемых генными кассетами посредством сайтспецифической рекомбинации и их экспрессии.
Значение мобильных элементов.
Перемещаясь по ДНК клетки или между ДНК разных клеток, они вызывают:
- инактивацию генов тех участков ДНК, куда они, переместившись, встраиваются;
- повреждения генетического материала;
- встраивание плазмиды в хромосому;
- распространение гена в популяции бактерий.
Бактериям, как и всем живым существам, свойственна изменчивость.
Изменчивость у эукариот происходит по вертикали, у бактерий – и по вертикали, и по горизонтали.
Различают два вида изменчивости:
- фенотипическая
-генотипическая.
Фенотипическая изменчивость проявляется в виде модификаций - это изменение свойств клетки под влиянием внешних воздействий.

3
Модификации могут быть длительными и кратковременными.
Модификационные изменения касаются подавляющего большинства клеток популяции.
Генотипическая - это мутации или рекомбинации.
Мутации могут быть спонтанными и индуцированными.
Рекомбинации - это взаимодействие между двумя геномами, обладающими различными генотипами, которое приводит к образованию генома, сочетающего гены донора и реципиента. В процессе рекомбинации бактерий условно делят на клетки-доноры, которые передают генетический материал, и клетки-реципиенты, которые его принимают. Рекомбинация у бактерий рассматриваются как аналоги полового размножения.
Особенности рекомбинаций у бактерий:
- отсутствует мейоз. Образуется не зигота, а меразигота.
- всегда направлена от донора к реципиенту.
- количество генетического материала у рекомбинанта всегда больше одного.
Рекомбинант содержит всю генетическую информацию реципиента и часть генетической информации донора.
У эукариот механизм рекомбинации один – мейоз; у бактерий различают три вида рекомбинаций:
1) трансформация- это обмен генетической информации с помощью чистой
ДНК.
2) трансдукция – этот способ переноса генетической информации с помощью фагов.
3) конъюгация – это способ передачи генетической информации, когда между двумя бактериями образуются цитоплазмические мостики. При конъюгации в клетку-реципиент может перейти почти весь геном.
Генетические методы применяются в практических целях как для обнаружения микроба в исследуемом материале без выделения чистой культуры, так и для определения таксономического положения микроба и проведения внутривидовой идентификации.
Секвенирование генома – определение последовательности пар нуклеотидов
ДНК.
Рестрикционный анализ – этот метод основан на применении ферментов рестриктаз – это эндонуклеазы, которые расщепляют молекулу ДНК только в определённых местах. Если выделенную из конкретного материала ДНК обработать определенной рестриктазой, то это приведет к образованию строго определенного количества фрагментов ДНК фиксированных размеров.
Риботипирование – позволяет определить вид бактерий. Последовательность нуклеотидных оснований в оперонах, кодирующих рРНК, характеризуется наличием как консервативных участков, которые имеют сходное строение у различных бактерий, так и вариабельных последовательностей, которые родо- и видоспецифичны и являются маркерами при генетической идентификации.

4
Молекулярная гибридизация – применяется в геносистематике. Этот метод позволяет выявить степень сходства различных ДНК.
ПЦР используется для обнаружения генов или соответствующих нуклеотидных последовательностей, кодирующих либо видовую принадлежность, либо иной признак.
Метод ПЦР основан на принципе комплементарности и позволяет увеличивать
(амплифицировать) количество исследуемого образца ДНК. Этот метод обладает чрезвычайно высокой чувствительностью и теоретически позволяет обнаружить в исследуемом материале даже единичные молекулы ДНК.
Разновидности ПЦР:
- ПЦР в режиме реального времени; даёт возможность определить количество фрагментов ДНК находящегося в материале, т.е. проводить количественный анализ;
- мультиплексная ПЦР – преимущество заключается в том, что в реакционную смесь можно вводить 2 – 4 и более пары праймеров. Они характерны для различных возбудителей.
- обратнотранскрипционная ПЦР – позволяет осуществить копирование РНК возбудителей.
ДНК – чипы являются новейшими технологиями гибридизационных методов молекулярно-генетического анализа. Они представляют собой носители известных олигонуклеотидов (менее 20 оснований каждый), комлементарных участкам исследуемого генома (или геномов) и занимающих определенный сайт (ячейку).
При наличии в исследуемой пробе фрагментов искомой ДНК они гибридизуются
(соединяются по принципу комплементарности) с нуклеотидными последовательностями, сидящими на чипе.
Классификация бактерий.
Основной таксономической единицей у бактерий является вид. Для обозначения вида у бактерий используется двойная (бинарная) номенклатура
Вид у бактерий- это совокупность родственных бактерий, которые обладают сходными биологическими свойствами и имеют общее происхождение. В настоящее время существует 3 подхода к классификации бактерий:
1. Рутинная классификация.
Она лежит в основе определителя бактерий под редакцией Берджи.
2. Нумерическая таксономия.
3. Геносистематика.
Заключение: студенты ознакомлены с основами генетики бактерий, с основными методами генодиагностики.