Материал: Shpora_gos_kaf_biopoch

У типичных прокариот в неделящейся клетке имеется одна бактериальная хромосома. Поэтому прокариоты в целом являются гаплоидами (гаплобионтами).

Плазмиды - небольшие молекулы ДНК, физически отдельные от геномных хромосом и способные реплицироваться автономно. Как правило, плазмиды встречаются у бактерий и представляют собой двухцепочечные кольцевые молекулы, но изредка плазмиды встречаются также у архей и эукариот.

Попадание плазмиды в клетку может осуществляться двумя путями: либо при непосредственном контакте клетки-хозяина с другой клеткой в процессе конъюгации, либо путём трансформации, то есть искусственного введения в клетку плазмиды, которому предшествует изменение экспрессии определённого гена клетки-хозяина (приобретение клеткой компетентности).

Плазмиды придают клеткам целый ряд особых свойств. Некоторые плазмиды являются "факторами резистенции", т.е. факторами, придающими устойчивость к антибиотикам. Примером может служить пенициллиназная плазмида стафилококков, которая трансдуцируется различными бактериофагами. В этой плазмиде содержится ген, кодирующий фермент пенициллиназу, которая разрушает пенициллин и, таким образом, придает устойчивость к пенициллину.

F-плазмида – фактор фертильности, перенос генетического материала при конъюгации (содержит 19 генов). Находясь в интегрированном состоянии (включаясь в хромосому), эти факторы сообщают клетке-хозяину способность передавать хромосомные маркеры. Клетка после интеграции в её ДНК F-плазмиды приобретает свойства Hfr-клетки, то есть способна с высокой частотой направленно передавать свои гены другим клеткам;

R-плазмиды – фактор резистентности, устойчивость к антибиотикам;

Col –плазмиды - содержат гены бактериоцинов — белков, подавляющих жизнедеятельность бактерий других разновидностей. Средство борьбы за существование. Название плазмиды происходит от англ. Colicinogeny — колициногенность, т.е. способность продуцировать колицин. Колицином был назван первый открытый бактериальный токсин, направленный против других бактерий. Он был обнаружен у бактерии E.coli, а потому назван колицином. Позднее подобные по функции вещества были найдены у многих других бактерий. Тогда класс веществ получил более точное название бактериоцинов.

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

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

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

5. Конъюгация у бактерий.

Конъюгация — перенос генетического материала от одной бактериальной клетки (донора) к другой (реципиенту) при их непосредственном контакте. Процесс конъюгации у бактерий обнаружили Дж. Ледерберг и Э. Татум в 1946 г. Они провели следующий эксперимент. Были отобраны два ауксотрофных мутантных штамма Е. coli К-12: не способный синтезировать метионин и биотин штамм Met" Bio~ и не способный синтезировать треонин и лейцин штамм Thr~ Leu~. Оба штамма в течение ночи выращивали вместе на полноценной среде. Затем смешанную культуру центрифугировали, отмывали от полноценной среды и высевали на минимальную питательную среду. На минимальной питательной среде без метионина, биотина, треонина и лейцина появились прототрофные колонии Met+ Bio+ Thr+ Leu+ с частотой около 1 на каждые 107 клеток. Дополнительные опыты показали, что ни трансформации, ни трансдукции в данном случае не происходило. Из этого следовало, что образование рекомбинантных геномов происходило в результате контакта родительских клеток. Вскоре были получены микрофотографии конъюгирующих бактерий кишечной палочки, которые свидетельствовали о том, что между бактериями при конъюгации образуется "цитоплазматический мостик.

В 1952 г. Хейс установил неравноценную роль родительских штаммов при конъюгации. Выяснилось, что один штамм является донором (мужским), другой — реципиентом (женским). Клетки-доноры обладают половым фактором F. Он является конъюгативной плазмидой и представляет собой циркулярно замкнутую молекулу ДНК. Половой фактор F автономно существует в цитоплазме. В составе генома конъюгативной плазмиды имеется tra-оперон, гены которого контролируют образование половых ворсинок (пилей) донорской клетки, необходимых для осуществления контакта с реципиентной клеткой, конъюгативный перенос собственной плазмиды или хромосомной ДНК, а также репликацию автономной плазмиды. Механизм переноса генетического материала при конъюгации из бактерии донора в бактерию реципиента показали В. Вольман и Ф. Жакоб. Половой фактор F обладает способностью включаться в геном бактерии и тогда из цитоплазматической структуры превращается в фрагмент хромосомы. Клетки, в которых возникает этот процесс, образуют Hfr-штамм.

Бактериальные клетки с фактором F обозначают F4", а не имеющие его — F~. При конъюгации фактор F может перейти из мужской в женскую клетку и превратить ее в F4". Доноры F4" переносят довольно эффективно F-плазмиду во все клетки F~, a гены хромосомы — с низкой частотой (10~5). При конъюгации клетки-доноры F4" или Hfr соединяются с клетками-реципиентами F~ при помощи конъюгационного мостика — особой протоплазматической трубки, образуемой клеткой F"1". В клетке донора Hfr под влиянием фермента эндонуклеазы в точке внедрения фактора F происходит разрыв цепи ДНК. Свободный конец одной из цепей ДНК постепенно начинает передвигаться через конъюгационный мостик в клетку реципиента (F~) и сразу же достраиваться до двух-цепочной структуры. На оставшейся в клетке-доноре цепи ДНК синтезируется вторая цепь.

Так как фактор F у разных штаммов Hfr включается в хромосому и разрывает ее в разных местах, переход хромосом в реципиентную клетку начинается с разных участков. Для переноса всей цепи ДНК в клетку реципиента требуется при 37 °С 100 мин, но конъюгационный мостик очень хрупкий, легко разрывается, и, как правило, вся цепь не успевает перейти. Поэтому с более высокой частотой передаются гены, расположенные около начальной 0-й точки хромосомы донора. Затем ДНК донора в гомологичных участках вступает в контакт с ДНК реципиента, и в результате кроссинговера некоторые участки одной цепи ДНК реципиента заменяются фрагментами ДНК донора.

Искусственное прерывание конъюгации через определенное время после начала скрещивания и выявление рекомбинантов дали возможность определить последовательность перехода разных генов донора в клетку F~. На основании определения времени передвижения фрагментов разной длины из клеток Hfr в клетки F~ было установлено расстояние между генами в минутах, что позволило построить карты хромосом.

При картировании генов у бактерий с помощью конъюгации получается кольцевая генетическая карта хромосомы. Значение генетических карт позволяет планировать работу по получению организмов с определенными сочетаниями признаков, что используется в генетических экспериментах селекционной практике. Сравнение генетических карт хромосом разных видов способствует эволюционному процессу. На основе же генетических карт проводят генетический анализ. Методы картирования хромосомы при конъюгации: по градиенту передачи маркеров, по времени их вхождения в мерозиготу, по частоте кроссинговера.

6. Сравнительные особенности процесса конъюгации у разных типов бактерий.

Описание конъюгации - предыдущий вопрос.

Несмотря на то, что конъюгация у бактерий детально изучена лишь на примере производных авирулентного штамма Е. coli К12, это явление имеет, вероятно, исключительно важное значение в эволюции различных видов бактерий, обеспечивая им широкий спектр комбинативной изменчивости. Генетический обмен в форме конъюгации обнаружен у различных представителей родов Escherichia, Salmonella, Shigella, Vibrio, Pseudomonas, Pasteurella и др. Имеющиеся сведения о возможности скрещиваний доноров Е. coli К12 со штаммами Shigella, Salmonella, Pasteurella, Proteus и др. дают основание предполагать существенную роль межродовой гибридизации в возникновении атипичных форм патогенных бактерий. Большой практический интерес представляют также экспериментальные данные о передаче при внутривидовых, межвидовых и межродовых скрещиваниях различных бактерий конъюгативных плазмид, несущих детерминанты лекарственной устойчивости, бактериоциногенности, гемолитической активности, токсигенности, антигенных свойств и др. Эффективность экспериментальных скрещиваний бактерий в организме различных лабораторных животных позволяет считать, что К. у б. может происходить не только в окружающей среде, но и в организме человека и с.-х. животных.

Феномен конъюгации широко используется в генетике бактерий с целью картирования генов, т. е. определения их локализации на бактериальной хромосоме. На основании результатов прерываемых скрещиваний серии штаммов Hfr, клетки которых переносили реципиентам различные, но перекрывающие друг друга хромосомные сегменты, был сделан вывод о замкнутой (кольцевой) структуре хромосомы Е. coli К12 и составлена ее генетическая карта. Аналогичная карта построена для Hfr-штаммов Salmonella typhimurium, которые были получены при скрещиваниях с Е. coli К12 Hfr. Подобным же образом получены Hfr-штаммы шигелл и условно-патогенных эшерихий. Оригинальные конъюгативные плазмиды, способные обеспечивать эффективный хромосомный перенос, обнаружены у штаммов Vibrio cholerae, Pseudomonas aeruginosa и других патогенных бактерий. В результате таких исследований создаются предпосылки для проведения генетического анализа вирулентных, антигенных и других свойств бактерий.

7. Плазмиды и мигрирующие элементы.

Прокариоты – это организмы, в клетках которых отсутствует оформленное ядро. Функции ядра выполняет нуклеоид (то есть «подобный ядру»); в отличие от ядра, нуклеоид не имеет собственной оболочки.

Основу генома прокариот составляют кольцевые молекулы ДНК: прокариотические хромосомы и плазмиды.

Хромосомная подсистема прокариотического генома. Основу хромосомной подсистемы прокариотического генома составляет прокариотическая (бактериальная) хромосома (генофор), входящая в состав нуклеоида – ядерноподобной структуры. Нуклеоид занимает примерно 30% объема цитоплазмы.

Бактериальная хромосома представляет собой кольцевую двуспиральную правозакрученную молекулу ДНК, которая свернута во вторичную спираль. Вторичная структура хромосомы поддерживается с помощью гистоноподобных (основных) белков и РНК. Точка прикрепления бактериальной хромосомы к мезосоме (складке плазмалеммы) является точкой начала репликации ДНК. Бактериальная хромосома удваивается перед делением клетки. Молекулы ДНК, способные себя воспроизводить путем репликации, называются репликоны. У типичных прокариот в неделящейся клетке имеется одна бактериальная хромосома. Поэтому прокариоты в целом являются гаплоидами (гаплобионтами).

Длина прокариотической хромосомы составляет несколько миллионов нуклеотидных пар (мпн); например, минимальная длина ДНК прокариотической хромосомы E. coli штамма MG1655 составляет 4639221 пн (физическая длина около 1,5 мм).

У типичных прокариот в неделящейся клетке имеется одна бактериальная хромосома. Поэтому прокариоты в целом являются гаплоидами (гаплобионтами).

Плазмиды - небольшие молекулы ДНК, физически отдельные от геномных хромосом и способные реплицироваться автономно. Как правило, плазмиды встречаются у бактерий и представляют собой двухцепочечные кольцевые молекулы, но изредка плазмиды встречаются также у архей и эукариот.

Попадание плазмиды в клетку может осуществляться двумя путями: либо при непосредственном контакте клетки-хозяина с другой клеткой в процессе конъюгации, либо путём трансформации, то есть искусственного введения в клетку плазмиды, которому предшествует изменение экспрессии определённого гена клетки-хозяина (приобретение клеткой компетентности).