Главная страница
qrcode

занятие 8 микра. Занятие Наследственность и изменчивость микроорганизмов


Скачать 136.6 Kb.
НазваниеЗанятие Наследственность и изменчивость микроорганизмов
Дата02.05.2021
Размер136.6 Kb.
Формат файлаdocx
Имя файлазанятие 8 микра.docx
ТипДокументы
#46536
Каталог

Занятие 8. Наследственность и изменчивость микроорганизмов.Строение бактериального генома. Особенности взаимосвязи генотипа и фенотипа прокариот.
Информация в геноме бактерий закодирована в виде последовательности нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из трех частей: азотистого основания (пуринового или пиримидинового), углевода (пятиуглеродного сахара дезоксирибозы) и остатка фосфорной кислоты.

В молекуле ДНК имеются 4 вида азотистых оснований: 2 пуриновых основания и 2 пиримидиновых основания. Пуриновые основания - аденин (А) и гуанин (Г), пиримидиновые основания - тимин (Т) и цитозин (Ц). Азотистые основания одной цепи соединены с азотистыми основаниями другой цепи водородными связями.

Во время размножения бактерий цепи ДНК раскручиваются и разделяются. Образовавшиеся одноцепочечные молекулы служат матрицами, на которых синтезируются новые двуцепочечные молекулы ДНК. В результате этого из одной молекулы образуются идентичные ей две двухцепочечные структуры, которые распределяются по дочерним клеткам.

Нуклеотиды формируют гены - участки ДНК, занимающие специфическое место в хромосоме и отвечающие за синтез того или иного соединения. Ген является функциональной единицей наследственности. В генах записана информация обо всех свойствах, присущих клетке. Гены объединены в опероны. Ген обозначают строчными буквами латинского алфавита со знаком “+ ”. Это обозначение соответствует названию соединения, синтез которого данный ген детерминирует. Например, his+ обозначает ген, отвечающий за синтез гистидина (гистидиновый ген). Гены, контролирующие устойчивость к лекарственным или иным препаратам, выделяют надстрочным символом r (resistant – резистентный), а чувствительность – надстрочным знаком s. Например, резистентность к стрептомицину обозначается как strr , а чувствительность к стрептомицину – strs . Схема, отражающая расположение генов на хромосоме, называется генетической картой хромосомы.

Совокупность генов называется генотипом. Генотип проявляется внешними признаками. Совокупность внешних признаков организма называется фенотипом.

Фенотип бактерий обозначается теми же знаками, что и генотип, но заглавными буквами. Например, символы Strr или Strs обозначают наличие устойчивости или чувствительности к стрептомицину. Фенотип зависит не только от наличия соответствующего гена, но и от условий, способствующих его проявлению.

Наследственная информация у бактерий закодирована в геноме, который представлен нуклеоидом (бактериальной хромосомой), а у некоторых бактерий дополнительно плазмидами. В состав нуклеоида и плазмид могут входить мобильные элементы генома (подвижные генетические элементы), к которым относятся IS-последовательности и транспозоны. Хромосомные и плазмидные гены, а также мобильные генетические элементы являются функциональными единицами генома. Кроме того, каждая генетическая структура (нуклеоид, плазмида), способная к самостоятельной репликации, составляет единицу репликации или репликон.

Нуклеоид большинства бактерий представлен одной замкнутой кольцевой молекулой ДНК. Нуклеоид и плазмиды фиксированы в определенных точках на цитоплазматической мембране клетки.
    Современные представления о механизмах репликации хромосомной ДНК у бактерий.

      История изучения видов изменчивости у бактерий. Понятия прототроф, ауксотроф, значение при изучении изменчивости.

        Виды изменчивости. Ненаследуемая изменчивость. Диссоциация: S-, R, L- формы.
        У бактерий различают 2 вида изменчивости - фенотипическую и генотипическую.

        1. Сохранение исходного генотипа и отсутствие передачи по наследству.

        2. Причины фенотипической изменчивости - влияние внешних факторов (биологических, химических, физических), блокирующих на время нормальную

        работу какого-либо фермента.

        3. Реверсия к исходным признакам при восстановлении нормальных условий культивирования.


        - изменение морфологических признаков (изменение формы и размера клеток, утрата капсулы, жгутиков);

        - изменение культуральных свойств (диссоциация культур, образование R- и S-форм колоний);

        - изменение биохимической активности.

        Изменчивость морфологических признаков. Под влиянием физических, химических или биологических агентов у многих микроорганизмов наблюдается изменение формы и размеров клеток.

        Культуральная изменчивость проявляется в образовании колоний разной

        величины и формы.

        Одной из форм культуральной изменчивости бактерий является диссоциация колоний.

        S-колонии (гладкие): края ровные, поверхность выпуклая, гладкая и блестящая; чаще

        всего более вирулентны;

        R-колонии (шероховатые): края неровные, поверхность плоская, шероховатая и без

        блеска; чаще всего менее вирулентны;

        M-колонии (слизистые): окружены слизистым валиком, характеры для клебсиелл;

        D-колонии (карликовые): видны только под микроскопом (малое увеличение), характерны для микоплазм и L-форм.

        Бактерии могут переходить из S-формы в R-форму, что называется диссоциацией. У патогенных м/о это наблюдается под действием химиопрепаратов, иммунитета или при попадании во внешнюю среду.

        Диссоциация сопровождается изменением биохимических, морфологических, антигенных и патогенных свойств возбудителей.


        -Колонии шероховатые, морщинистые, края колоний изрезанные.

        -Жгутики отсутствуют.

        -Капсула (слизистый слой) отсутствует.

        -Биохимическая активность снижена.

        -Вирулентность для лабораторных животных снижена.

        -Антигенная структура неполноценная.

        -Чувствительность к фагу снижена.

        -Клетки полиморфные.


        -Колонии прозрачные, с гладкой блестящей поверхностью, круглые, с ровными краями, выпуклые.

        -У подвижных видов имеются жгутики.

        -Хорошо выражена капсула или слизистый слой.

        -Выраженная биохимическая активность.

        -Высокая вирулентность.

        -Антигенная полноценность.

        -Чувствительность к фагу выражена.

        -Клетки типичной формы и размеров.

        Большинство патогенных микробов образует колонии S-формы. Некоторые

        патогенные бактерии (например, В. anthracis) на обычных питательных средах

        образуют колонии R-формы, сохраняя при этом вирулентные свойства.

        Изменчивость ферментативных (биохимических) свойств обусловлена

        способностью бактерий синтезировать адаптивные ферменты. Эти ферменты

        вырабатываются на определенных питательных субстратах и предопределены

        генотипом
          Наследуемая изменчивость. Мутации, их виды. Мутагены физические, химические, биологические.

          Мутации подразделяются на: 1. Спонтанные 2. Индуцированные
          Спонтанные мутации:
           причины: - случайные ошибки при репликации ДНК
           Влияние мутагенного поля Земли
           Действие космических факторов
          Частота: 10-8 – 10-9
          «Молчащие мутации» не проявляются в фенотипе.

          «Обратные мутации» – повторные мутации, восстанавливающие утраченные свойства (признаки).
          Индуцированные мутации – искусственно вызваны мутагенами физической или химической природы
           Физические мутагены:

          = гамма – лучи

          = рентгеновы лучи

          = УФ – лучи

           Химические мутагены (десятки тысяч):

          = галлоиды, азотистая кислота

          = лекарственные вещества, например ремантадин и др.

          = «биологические мутагены» - вирусы

          1. Точечные = замена пар оснований
          2. Включение дополнительной пары оснований («сдвиг рамки»)
          3. Основания перемещены (транспозиция), разорваны (инсерция) или утрачены (делеция).
          4. Транспозоновые («прыгающие гены»), когда нарушена последовательность нуклеотидов внедрением данных генов в молекулу ДНК.


          1. По происхождению:

          - спонтанные (внутренние) мутации;

          - индуцированные (внешние) мутации.

          2. По протяженности:

          - точечные мутации;

          - генные мутации;

          - хромосомные мутации.

          3. По направленности:

          - прямые мутации;

          - обратные мутации.

          4. По локализации:

          - хромосомные мутации;

          - плазмидные мутации.

          5. По функции:

          - летальные мутации;

          - сублетальные мутации;

          - нейтральные мутации.

          6. По фенотипу:

          - морфологические мутации;

          - функциональные мутации (резистентность, ауксотрофность).

          Причинами мутаций могут быть внутренние и внешние факторы.

          Соответственно этому выделяют спонтанные и индуцированные мутации.

          Бактерии с измененными признаками называются
          Физические факторы, вызывающие мутации, называются мутагенными факторами. К ним относятся разные виды излучений.

          Химические вещества, вызывающие мутации, называются мутагенами. К

          мутагенам относятся, в частности, соли азотистой кислоты и акридиновые

          красители. Бактерии с измененными признаками называются мутантами.
            Генетические рекомбинации: трансформация, трансдукция, конъюгация.

            В 1928 г. Гриффитс описал превращение бескапсульного R-штамма

            Streptococcus pneumoniae в штамм, образующий капсулу, т.е. в S –форму.

            Трансформирующим фактором является ДНК.

            Трансформировать удается только те бактерии, в клетки которых может проникать

            высокомолекулярная двухцепочечная, т.е. интактная, ДНК.

             Для трансформации требуются чрезвычайно малые концентрации ДНК: 0.1 мкг / мл суспензии клетокреципиентов.

             Их называют компетентными клетками, их доля составляет максимально 15%.

             Компетенция – способность клеток поглощать чужую свободную ДНК.

             Компетенция зависит от физиологического состояния популяции клеток. Наиболее высока она в середине фазы экспоненциального роста, а затем быстро снижается до минимума.


            Трансдукция - передача признаков путем переноса фрагментов ДНК от клетки донора в клетку реципиента с помощью бактериофага.

            Может быть в следующих разновидностях:

            1. Общая трансдукция - бактериофаг может переносить любой ген либо набор генов и данная генетическая информация может встраиваться в любое место генома бактерии.

            2. Специфическая трансдукция – бактериофаг может переносить только определенную генетическую информацию, которая должна встраиваться только в определенное место генома бактерии.

            3. Абортивная трансдукция – бактериофаг привносит новую информацию, но она остается в цитоплазме в виде плазмиды и может быть утеряна в ходе деления клетки. (например, жгутикообразование).


            Конъюгация – передача признаков путем переноса чужой ДНК по типу полового процесса.

             Открыта в 1946 г. Ледербергом

             Формы:

            1. Конъюгация без рекомбинации – передаются плазмиды F;

            2. Конъюгация с рекомбинацией – передаются плазмиды F´;

            3. Рекомбинации – передаются участки генома при участии плазмиды – «эписомы»
              Роль плазмид и других мобильных генетических элементов в жизнедеятельности бактерий. Плазмиды, их генетические функции. Вектор в генной инженерии.
              Плазмиды - внехромосомные генетические структуры бактерий, существуют автономно (не связаны с геномом).

               Внехромосомные факторы наследственности
               Кольцевая структура ДНК, находится в цитоплазме клетки, т.е. существуют автономно, не связаны с геномом клетки (разновидность: эписомы, которые объединены с геномом бактерии – процесс обратим)
               Переносятся от клетки к клетке, несут разную информации.
              Бывают конъюгативными и неконъюгативными
               Разновидность – эписомы, которые объединены с геномом бактерии (процесс обратим)

              1. Векторный- содержит гены, ответственные за способность переносить плазмиды от одной клетки к другой, содержит гены ворсинок (пилей).

              2. Соматический- может не содержать генов или содержать разный набор генов.

              3. «Молчащий»- содержит гены специфической гомологии.


              -Автономная репродукция в клетке бактерии

              -Обмен генами друг с другом

              -Интеграция друг с другом

              -Интеграция с геномом бактерии (эписома)

              -Не являются жизненно необходимыми

              Обнаруживаются: в электронный микроскоп, ультрацентрифугированием, электрофорезом.


              конструированием несуществующих в природе сочетаний генов при

              помощи генетических и биохимических методов.

              Для создания генетически измененных организмов подбирают
              молекулу ДНК, способную к самостоятельной репликации в клетке-реципиенте.

              при конструировании рекомбинантной молекулы ДНК

              Можно выделить следующие этапы:

              1. Подбор вектора – молекулы ДНК, способной к репликации в клетке.

              2. Выделение интересующих генов из ДНК клетки - донора.

              3. Создание рекомбинантной генетической конструкции:

              3.1. Разрезание (рестрикция) ДНК донора и ДНК вектора специфическими

              ферментами – рестриктазами (генетическими ножницами).

              3.2. Соединение (лигирование) ДНК донора и ДНК вектора с помощью

              специфических ферментов - лигаз.

              4. Введение полученной рекомбинантной молекулы ДНК в реципиентную

              клетку.

              5. Отбор и идентификация клеток, экспрессирующих введенный ген.

              В качестве вектора используют плазмиды, фаги или вирусы. Вектор должен

              содержать маркерные гены, которые придают клетке – реципиенту новые свойства,

              позволяющие отличить эту бактериальную клетку от исходных клеток. Чаще всего в

              качестве вектора применяют R-плазмиды, так как они позволяют проводить

              селекцию гибридных клонов по признаку устойчивости к антибиотикам.
                Наследственность и изменчивость вирусов.


                Наличие только одного типа нуклеиновой кислоты - ДНК или РНК. По этому признаку все вирусы разделены на два класса - ДНК-содержащие вирусы и РНК-содержащие вирусы.

                Виды мутации вирусов. Вирусы изменяют свои свойства как в естественных условиях при репродукции, так и в эксперименте. В основе наследственных изменений свойств вирусов лежат два процесса:
                -мутация — изменение последовательности нуклеотидов в определенном участке генома вируса, ведущее к изменению фенотипических свойства;

                  Роль мутаций и рекомбинаций в эволюции микроорганизмов.
                1. Значение генетики в развитии общей и медицинской микробиологии.
                    Живые вакцины. Генная инженерия.

                    Вакцинные штаммы для приготовления живых вакцин были получены различными путями:
                    -методом отбора (селекции)мутантов с ослабленной вирулентностью,
                    -методом экспериментального направленного изменения вирулентных свойств возбудителя,
                    -длительным пассированием в организме животных,
                    -методом генетического скрещивания (получения рекомбинантов),
                    -использовании генетических скрещиваний, результатом которых являются рекомбинанты со сниженной вирулентностью.

                    Живые вакцины имеют целый ряд преимуществ в сравнении с другими видами вакцин, и связано это свойство с тем, что пребывание и размножение в организме человека и животных аттенуированных вакцинных штаммов приводит к развитию вакцинной инфекции (специфического инфекционного заболевания без выраженных клинических симптомов). Вакцинная инфекция, проявляясь ли в виде местного воспалительного процесса или сопровождаемая общей реакцией организма, всегда влечет за собой перестройку иммунобиологических свойств организма и выражается в выработке специфического иммунитета. Живые вакцины, как правило, вводятся однократно и более простыми способами (перорально, интраназально, накожно, реже подкожно). Способность вакцинного штамма размножаться и присутствие в организме постоянного антигенного раздражителя обеспечивает напряженный, прочный и довольно длительный иммунитет.

                    К вакцинным штаммам предъявляются следующие а) наличие остаточной вирулентности;
                    б) достаточная иммуногенность;
                    в) отсутствие возможности реверсии к исходным свойствам.

                    Таким образом, вакцинные штаммы должны обладать стойкими, наследственно закрепленными аттенуированными свойствами.

                    Для сохранения жизнеспособности и стабильности свойств большинство живых вакцин выпускают в сухом виде, что достигается методом лиофилизации — высушивание из-за мороженного состояния под глубоким вакуумом. Сухие вакцины могут сохраняться в течение года и более при температуре холодильника (не выше 4°—8°С).


                    Метод генетической инженерии относится к числу перспективнейших при получении многих белковых биологических веществ, представляющих ценность для медицины.

                    Этим методом получены: интерфероны, интерлейкины, инсулин, гормон роста, тканевый активатор плазминогена, вакцина против гепатита В, моноклональные антитела для предупреждения отторжения при пересадки почки, диагностические препараты для выявления ВИЧ и другие.

                    С помощью генной инженерии создаются препараты второго поколения, т.е. аналоги природных веществ, обладающих большей эффективностью действия.

                    На основе достижений генетики разработаны высокоточные методы диагностики и идентификации микроорганизмов - определение плазмидного профиля, рестрикционный анализ, ДНК - гибридизация, полимеразная цепная реакция (ПЦР), секвенирование.

                    Методы основаны на использовании ряда специфических ферментов - рестриктаз (ферментов, расщепляющих ДНК в специфических участках), лигаз или синтетаз (обеспечивают соединение двух молекул), в частности ДНК – лигаз (получение рекомбинантных молекул ДНК), полимераз (ДНК - зависимая ДНК -полимераза обеспечивает полимеразную цепную реакцию – ПЦР -многократное реплицирование специфического участка нуклеотидной последовательности).

                    Плазмиды (F- плазмиды) и вирусы (бактериофаги) используют в генной инженерии в качестве векторов для переноса генетического материала (генов).

                    Метод клонирования заключается в том, что выделенный фрагмент (ген) вводится в состав плазмиды или другой самореплицирующейся системы и накапливается в размножающихся клетках. Практический вариант использования: микроорганизмы-продуценты биологически активных веществ (в том числе вакцин). Гибридомную технологию используют для получения моноклональных антител (МКА). Кроме клонирования для получения генов используют химический синтез. С помощью генно-инженерных методов получают вакцины, антигены, диагностикумы, гормоны, иммуномодуляторы.
                      Принципы генетического анализа.
                      перейти в каталог файлов


связь с админом