Лекция 9. Наследственный материал бактерии

1. Бактерии

Особенности строения наследственного материала.
Регуляция генной активности на примере лактозного оперона

2. Бактерии

Впервые бактерии увидел в оптический микроскоп и описал в 1676
году голландский натуралист Антони ван Левенгук. Как и всех
микроскопических существ, он назвал их «анималькули» («маленькие
зверушки»).
Название «бактерии» ввёл в употребление в 1828 году Христиан
Эренберг.
В 1850-х годах Луи Пастер положил начало изучению физиологии и
метаболизма бактерий, а также открыл их болезнетворные свойства.
Дальнейшее развитие медицинская микробиология получила в
трудах Роберта Коха, которым были сформулированы общие принципы
определения возбудителя болезни (постулаты Коха). В 1905 году он
был удостоен Нобелевской премии за исследования туберкулёза.

3. Escherichia coli

4. Lactobacillus casei

Вид грамположительных палочкообразных
анаэробных неспорообразующих бактерий.
Lactobacillus casei — нормальный резидент
ротовой полости, кишечника, вульвы и
влагалища человека.

5.

Lactobacillus sake
Lactobacillus sakei грамположительная
анаэробная бактерия,
обычно встречающаяся в
свежем мясе и рыбе

6. Lactobacillus delbrueckii

Lactobacillus delbrueckii, одна из
двух бактерий, используемых
для производства йогурта. Ранее
бактерия была известна как вид
Lactobacillus bulgaricus, названа
в честь Болгарии, в которой
была впервые открыта и
использована.

7.

Staphylococcus aureus

8. Helicobacter pylori Автор: Yutaka Tsutsumi, M.D.Professor Department of PathologyFujita Health University School of Medicine -

Yutaka Tsutsumi, M.D.Professor Department of Pathology Fujita Health University School of Medicinehttp://info.fujitahu.ac.jp/~tsutsumi/photo/photo002-6.htmhttp://info.fujita-hu.ac.jp/~tsutsumi/image/002/2-6.jpg,

9.

Thiomargarita namibiensis
Цепочка клеток Thiomargarita namibiensis, видимая в
стереомикроскоп. Диаметр одиночных клеток около 150мкм.
Белый
цвет
клеткам
придают
многочисленные
светорассеивающие включения серы.
Thiomargarita namibiensis на сегодняшний
день является самым крупным представителем
группы “морфологически заметных серных
бактерий” (La Riviere and Schmidt, 1992). Эта
группа
содержит
бесцветные
бактерии,
накапливающие серу, которые получают энергию
за счет окисления сульфида и могут быть легко
распознаны по их очень специфической
морфологии. Сферические клетки тиомаргарита,
как правило, имеют 100–300 мкм в ширину, но
могут достигать 750 мкм.
Клетки Thiomargarita не образуют нитей,
отдельные клетки удерживаются вместе в виде
цепочки слизистой оболочкой. Этот внешний вид
вдохновил на название “серная жемчужина
Намибии”.

10.

Pseudomonas syringae
Pseudomonas syringae (сире́невый
псевдомо́нас) — вид фитопатогенных
грамотрицательных
палочковидных
бактерий с одним жгутиком. Вызывает у
растений
бурое
слизеточение,
обморожения, повреждения плодов и
пятнистость листьев.
Один из механизмов патогенности
для растений — обморожение — связан с
белком INA (англ. ice nucleation active),
который обнаруживается на внешней
поверхности клеточной стенки бактерий
и
служит
ядром
образования
кристалликов льда. Активные центры его
как бы «выстраивают» молекулы воды в
том порядке, в котором они должны
оказаться в кристалле льда. Центры
кристаллизации льда могут возникнуть
уже при плюсовых температурах. Вода
замерзает, разрывая ткани растения, и
патоген достигает своей цели.

11. Бактериальное заражение

В XIV веке от пандемии бубонной чумы (чёрная смерть) скончалось 75 млн человек, в том числе
15—35 млн в Европе, что составило 1/4—1/2 её населения
Патогенными называются бактерии, паразитирующие на других организмах. Бактерии вызывают
большое количество заболеваний человека, таких как чума (Yersinia pestis), сибирская язва
(Bacillus anthracis), лепра (проказа, возбудитель: Mycobacterium leprae), дифтерия
(Corynebacterium diphtheriae), сифилис (Treponema pallidum), холера (Vibrio cholerae), туберкулёз
(Mycobacterium tuberculosis), листериоз (Listeria monocytogenes) и др. Открытие патогенных
свойств у бактерий продолжается: в 1976 обнаружена болезнь легионеров, вызываемая
Legionella pneumophila, в 1980-е—1990-е годы было показано, что Helicobacter pylori вызывает
язвенную болезнь и даже рак желудка, а также хронический гастрит и другие. Бактериальным
инфекциям подвержены также растения и животные. Многие бактерии, являющиеся в норме
безопасными для человека или даже обычными обитателями его кожи или кишечника, в случае
нарушения иммунитета или общего ослабления организма могут выступать в качестве
патогенов. Многие патогенные бактерии образуют скопление в организме в виде биоплёнок,
скреплённых и защищённых слизью, что делает их недоступными для проникновения
антибиотиков.

12. Бактерии.

Бактерии и человек
Тысячелетиями человек использовал молочнокислых бактерий для
производства сыра, йогурта, кефира, уксуса, а также квашения.
В настоящее время разработаны методики по использованию фитопатогенных бактерий в
качестве безопасных гербицидов, энтомопатогенных — вместо инсектицидов. Наиболее
широкое применение получила Bacillus thuringiensis, выделяющая токсины (Cry-токсины),
действующие на насекомых. Помимо бактериальных инсектицидов, в сельском хозяйстве
нашли применение бактериальные удобрения.
Бактерии, вызывающие болезни человека, используются как биологическое
(бактериологическое) оружие; кроме того, в качестве такого оружия могут использоваться
бактериальные токсины.
Благодаря быстрому росту и размножению, а также простоте строения, бактерии активно
применяются в научных исследованиях по молекулярной биологии, генетике, генной
инженерии и биохимии. Самой хорошо изученной бактерией стала Escherichia coli.
Информация о процессах метаболизма бактерий позволила производить бактериальный
синтез витаминов, гормонов, ферментов, антибиотиков и др.
Перспективным направлением является обогащение руд с помощью сероокисляющих
бактерий, очистка бактериями загрязнённых нефтепродуктами или ксенобиотиками почв
и водоёмов.
В кишечнике человека в норме обитает от 300 до 1000 видов бактерий общей массой
до 2,5 кг, а численность их клеток на порядок превосходит численность клеток
человеческого организма. Они играют важную роль в переваривании углеводов,
синтезируют витамины, вытесняют патогенные бактерии и грибки. Лактобактерии
например, являются естественными конкурентами грибов кандида. Можно образно
сказать, что микрофлора человека является самостоятельным «органом», который
отвечает за пищеварение, защиту организма от инфекций (сам кишечник составляет 2/3
иммунитета) и ряд других функций.

13. Бактерии. Строение.

14. Бактерии. Строение.

Подавляющее большинство бактерий (за исключением актиномицетов и
нитчатых цианобактерий) одноклеточны. По форме клеток они могут быть округлыми
(кокки),
палочковидными
(бациллы,
клостридии,
псевдомонады),
извитыми
(вибрионы, спириллы, спирохеты), реже — звёздчатыми, тетраэдрическими, кубическими,
C- или O-образными. Формой определяются такие способности бактерий, как
прикрепление к поверхности, подвижность, поглощение питательных веществ. Отмечено,
например, что олиготрофы, то есть бактерии, живущие при низком содержании
питательных веществ в среде, стремятся увеличить отношение поверхности к объёму,
например, с помощью образования выростов.
Из обязательных клеточных структур выделяют три:
нуклеоид,
рибосомы,
цитоплазматическая мембрана (ЦПМ).
С внешней стороны от ЦПМ находятся несколько слоёв (клеточная
стенка, капсула, слизистый чехол), называемых клеточной оболочкой, а
также поверхностные структуры (жгутики, ворсинки). ЦПМ и цитоплазму объединяют
вместе в понятие протопласт.

15. Бактерии. Размеры.

Размеры бактерий в среднем составляют 0,5-5 мкм.
Масса — 4·10−13 г.
Escherichia coli, например, имеет размеры 0,3-1х1-6
мкм, Staphylococcus aureus — диаметр 0,5-1 мкм, Bacillus
subtilis — 0,75 на 2—3 мкм. Крупнейшей из известных
бактерий является Thiomargarita namibiensis, достигающая
размера в 750 мкм (0,75 мм).
В то же время к бактериям относятся самые мелкие из
имеющих клеточное строение организмов. Mycoplasma
mycoides имеет размеры 0,1—0,25 мкм, что соответствует
размеру
крупных
вирусов,
например,
табачной
мозаики, коровьей оспы или гриппа.

16.

Основу наследственного аппарата бактерий, как и всех других
организмов, составляет ДНК.
Наряду с этим наследственный аппарат бактерий и возможности
его изучения имеют ряд особенностей:
бактерии — гаплоидные организмы, т. е. они имеют 1 хромосому. В
связи с этим при наследовании признаков отсутствует явление
доминантности;
• бактерии обладают высокой скоростью размножения, в связи с чем
за короткий промежуток времени (сутки) сменяется несколько
десятков поколений бактерий. Это дает возможность изучать
огромные по численности популяции и достаточно легко выявлять
даже
редкие
по
частоте
мутации.
Наследственный
аппарат бактерий представлен хромосомой. У бактерий она одна.
Если и встречаются клетки с 2, 4 хромосомами, то они одинаковые.

17.

Организация генетического материала у бактерий.
Наследственная информация бактерий хранится в ДНК,
которая в прокариотической клетке является циркулярно
замкнутой, двухцепочечной, суперспирализованной и
представлена двумя типами молекул: большая – нуклеоид,
где закодированы жизненно важные признаки, и малые –
внехромосомные факторы наследственности (плазмиды,
транспозоны, IS-последовательности, и умеренные
бактериофаги), в которых закодированы дополнительные
признаки

18.

19.

20.

Хромосома бактерий — это молекула
ДНК. Длина этой молекулы достигает 1,0 мм
и, чтобы «уместиться» в бактериальной
клетке, она не линейная, как у эукариотов, а
суперспирализована в петли и свернута в
кольцо. Это кольцо в одной точке
прикреплено
к
цитоплазматической
мембране. На бактериальной хромосоме
располагаются отдельные гены. У кишечной
палочки, например, их более 2 тыс.

21.

22.

Некоторые бактерии имеют линейные
молекулы ДНК, но их структура
отличается от эукариотических, имеющих
специальные
концевые
последовательности – теломеры
Так, у стрептомицетов к
5‘-концам
ковалентно
присоединены
белки,
обеспечивающие свободный 3‘-конец для
инициации репликации.
Другой
тип
линейных
хромосом,
имеющих
ковалентно
замкнутые
«шпилечные» концы, обнаружен у
спирохет рода Borreliа
Фитопатогенная бактерия имеет одну
кольцевую и одну линейную хромосомы

23.

24.

Геномы прокариот включают 2 типа
генетических структур:
- нуклеоид
- внехромосомные элементы
В состав хромосомы входят:
структурные гены, кодирующие
белки и РНК;
• межгенные участки (спейсеры);
• регуляторные элементы;
• мобильные элементы

25.

Геномы прокариот – динамичные структуры даже в пределах вида
Исходя из внутривидовой вариабельности геномов, выделяют:
- Кор-геном (базовый, core) – включает гены «домашнего хозяйства»,
ответственные за системы репликации, транскрипции, трансляции,
ключевые пути метаболизма и формирования клеточных структур,
определяющих видовую/родовую принадлежность
- Вспомогательные гены – контролируют процессы и признаки,
обеспечивающие приспособленность к определенной экологической нише;
многие из таких генов локализованы в плазмидах и мобильных элементах,
которые не обязательно присутствуют во всех штаммах одного вида
- Пан-геном - все имеющиеся в пределах вида/рода гены (набор всех
генов, присутствовавших хотя бы в одном штамме кишечной палочки)

26.

Внехромосомные факторы наследственности и их
встраивание их в нуклеоид.
Плазмиды могут, подобно нуклеоиду, самореплицироваться
и
поэтому
относятся
к
автономным
факторам
наследственности (в отличие от остальных – неавтономных,
которые способны реплицироваться лишь в составе
нуклеоида или плазмиды), кроме того, плазмиды, как и
умеренные фаги, могут встраиваться в нуклеоид только в
гомологичных участках, в отличие от транспозонов и ISпоследовательностей, способных встраиваться в нуклеоид в
любых его участках.

27.

IS-последовательности
(IS, IS-элемент, англ. Insertion sequence)
Инсерционные последовательности обладают двумя важными характеристиками
— они мало похожи на другие мобильные элементы (около 700—2500 нуклеотидов)
и кодируют лишь белки, вовлечённые в процесс транспозиции (в отличие от
транспозонов, кодирующих ещё и некоторые вспомогательные гены, например,
гены резистентности к антибиотикам).
Эти белки обычно представлены транспозазой, которая катализирует
ферментативную реакцию, позволяющую IS элементу перемещаться, а также
регуляторный белок, который стимулирует или ингибирует активность
транспозиции.
Содержат только гены транспозиции (их собственного перемещения):
• ген транспозазы (фермента, обеспечивающего процесс исключения ISэлемента из ДНК и его интеграцию в новый локус);
• ген, детерминирующий синтез репрессора (регулирует весь процесс
перемещения);
• инвертированные повторы

28.

Значение IS-последовательностей
1. Участвуют в мутационной изменчивости микроорганизмов – инсерциях
и делециях. Инсерция IS элементов в бактериальную ДНК приводит к
синтезу неполноценного белка.
2. Являются генетическими маркерами вида или рода бактерий.
Некоторые IS последовательности специфичны для определенных видов
микроорганизмов, что позволяет их использовать для видовой
идентификации бактерий.
3. Являются местом распознавания и встраивания плазмид и генноинженерных векторов. Плазмиды и генно-инженерными векторы
встраиваться в бактериальную хромосому в области IS
последовательностей.
4. Участвуют в регуляции функций генов – активации или репрессии.

29.

Транспозоны (Tn-элементы)
состоят из 2000-25 000 пар нуклеотидов
содержат фрагмент ДНК, несущий специфические
гены, и два концевых IS-элемента
На обоих концах Tn находятся прямые или
инвертированные повторы, по которым
транспозаза распознает их и вырезает.

30.

• Перенос транспозонов осуществляется
консервативным или репликативным механизмом.
• Консервативный перенос происходит путем
вырезания транспозона из одного участка и
транспозицией в другой без увеличения количества
копий, при этом участок ДНК, откуда вырезается
транспозон, утрачивает свои функции.
• При репликативном способе переноса
синтезированная копия транспозона перемещается в
новое место, при этом механизме увеличивается
количество копий.

31.

Транспозоны (Tn-элементы). Функции
Транспозоны участвуют в регуляции активности генов, инактивируя их
или активируя.
Осуществляют горизонтальный перенос генов, например,
вирулентности или резистентности, обуславливая распространение
устойчивости к антибиотикам среди микроорганизмов.
Перемещение подвижных генетических элементов по репликону или
между репликонами вызывает:
• инактивацию генов тех участков ДНК, куда они, переместившись,
встраиваются;
• образование повреждений генетического материала;
• слияние репликонов, т.е. встраивание плазмиды в хромосому;
• распространение генов в популяции бактерий, что может приводить
к изменению биологических свойств популяции, смене возбудителей
инфекционных заболеваний, а также способствует эволюционным
процессам среди микробов.

32.

Плазмиды – кольцевые двунитевые ДНК,способные к
автономной репликации
Плазмиды – независимые репликоны, т.е. способны
самостоятельно инициировать собственную репликацию
Для репликации используют синтетический аппарат клетки, ее
пластические и энергетические ресурсы
Все плазмиды контролируют собственную репликацию и
следовательно число копий в клетке.
Плазмиды с одним и тем же типом контроля репликации
несовместимы.
В клетке бактерии могут находиться в цитоплазме или быть
интегрированными в бактериальную хромосому
Плазмиды существенно различаются в отношении круга хозяев:
узкоспецифичные и широкоспецифичные

33.

Плазмиды состоят из модулей: обязательный
модуль основного репликона, и, помимо
него, модули распределения, переноса и
различных биохимических свойств

34.

Плазмиды. Классификация.
По способности инициировать процесс конъюгации плазмиды бывают:
➢Конъюгативные (трансмиссивные)
Имеют более крупные размеры; содержат область tra-генов (tra - от
TRAnsfer genes), то есть генов, белковые продукты которых
обеспечивают конъюгацию. Продукты tra-генов вызывают
формирование пили, образуют комплекс ферментов, изменяющих ДНК
нужным образом во время переноса, а также противодействуют
прикреплению пилей других бактерий к клеточной стенке данной.
➢Неконъюгативные (нетрансмиссивные)
Не содержат области tra-генов, а потому не способны к
самостоятельной передаче генетического материала в другие
бактериальные клетки.
➢Мобилизуемые
Некоторые исследователи выделяют также класс мобилизуемых
плазмид, которые содержат только часть tra-генов. Они также способны
передавать свой ДНК-материал в ходе конъюгации, используя белковые
продукты трансмиссивных плазмид, находящихся в той же клетке.

35.

Плазмиды. Классификация.
По обычному числу копий плазмиды данного
типа в клетках:
➢Высококопийные
➢Низкокопийные
По группам несовместимости
Совместимость — это способность двух или
нескольких плазмид стабильно сосуществовать в
одной клетке. Родственные плазмиды ( с одним
типом контроля репликации) обычно не
совместимы друг с другом, и вместе образуют одну
группу несовместимости

36.

По функции:
Половые F-плазмиды (от англ. Fertility — способность к
размножению). Содержат tra-гены, способны инициировать половой
процесс у бактерий — конъюгацию.
Плазмиды лекарственной устойчивости — R-плазмиды (от англ.
Resistance — устойчивость). Кодируют белковые продукты,
обеспечивающие устойчивость бактерий к антибиотикам и др.
Col-плазмиды — содержат гены колицинов (бактериоцинов — белков,
подавляющих жизнедеятельность близкородственных бактерий
других разновидностей). Средство борьбы за существование.
Плазмиды биодеградации — плазмиды, продукты которых позволяют
утилизировать необычный пищевой или энергетический субстрат
(например, салициловую кислоту).
Плазмиды патогенности кодируют факторы патогенности бактерий.
Например, Ent-плазмида – синтез энтеротоксина; Hly-плазмида –
синтез гемолизина

37.

Профаги
вирусные геномы, встроенные в состав генома клеткихозяина и реплицирующиеся в его составе
некоторые бактериофаги (P1, N15) в лизогенном состоянии
не включаются в хромосому хозяина, а представляют собой
плазмиды
Интегрированные профаги могут накапливать мутации и
терять способность к литическому развитию; такие
«дефектные» фаги имеются в геномах большинства
прокариот
Часто профаги и другие мобильные элементы входят в
состав «геномных островов», привносимых в геном в
результате горизонтального переноса генов

38.

IS-последовательности — короткие фрагменты ДНК. Они не
несут структурных (кодирующих тот или иной белок) генов, а
содержат только гены, ответственные за транспозицию (способность IS-последовательностей перемещаться по хромосоме и
встраиваться в различные ее участки). IS-последовательности
одинаковы у разных бактерий.
Транспозоны — это молекулы ДНК, более крупные, чем ISпоследовательности. Помимо генов, ответственных за
транспозицию, они содержат и структурный ген, кодирующий
тот или иной признак.
Транспозоны легко перемещаются по хромосоме. Их положение сказывается на экспрессии как их собственных структурных
генов, так и соседних хромосомных. Транспозоны могут
существовать и вне хромосомы, автономно, но неспособны к
автономной репликации.

39.

Плазмиды — кольцевые суперспиралевидные молекулы
ДНК. Их молекулярная масса колеблется в широких пределах и
может быть в сотни раз больше, чем у транспозонов.
Плазмиды содержат структурные гены, наделяющие бактериальную клетку разными, весьма важными для нее свойствами:
• R-плазмиды — лекарственной устойчивостью;
• Col-плазмиды — способностью синтезировать колицины;
• F-плазмиды — передавать генетическую информацию;
• Шу-плазмиды — синтезировать гемолизин;
• Тох-плазмиды — синтезировать токсин;
• плазмиды биодеградации — разрушать тот или иной субстрат
и т. д.

40.

Структура гена прокариот.
Регуляция синтеза иРНК и белка.
Французские генетики Ф. Жакоб и Ж. Моно, изучая
синтез ферментов у кишечной палочки предложили
теорию
индукции
(возбуждения)
и
репрессии
(подавления) синтеза белков в 1961 году, другое
название – концепция оперона.
По теории Жакоба и Моно гены, влияющие на
синтез какого-либо фермента или белка, расположены в
молекуле ДНК последовательно друг за другом в
порядке из влияния на ход синтеза. Такие гены были
названы структурными. Перед группой структурных
генов расположен общий для них ген-оператор, а перед
ним промотор

41.

В целом вся функциональная группа называется опероном.
Оперон — функциональная единица генома у прокариот, в
состав
которой
входят
цистроны
(гены,
единицы
транскрипции), кодирующие совместно или последовательно
работающие белки и объединенные под одним (или
несколькими)
промоторами.
Такая
функциональная
организация
позволяет
эффективнее
регулировать
транскрипцию этих генов. Опероны по количеству цистронов
делят на моно-, олиго- и полицистронные, содержащие,
соответственно, только один, несколько или много цистронов
(генов). Характерным примером оперонной организации
генома прокариот является лактозный оперон, триптофановый,
пиримидиновый и bgl опероны у Escherichia coli

42.

• Начинается
и
заканчивается
оперон
регуляторными областями — промотором в
начале и терминатором в конце, кроме этого,
каждый отдельный цистрон может иметь в
своей структуре собственный промотор и/или
терминатор.
• Термина́тор
—
последовательность
нуклеотидов
ДНК,
узнаваемая
РНКполимеразой как сигнал к прекращению
синтеза молекулы РНК и диссоциации
транскрипционного комплекса.

43.

В той же молекуле ДНК на некотором расстоянии
расположен ген-регулятор, который контролирует
синтез белка, который называется репрессор.
Молекула репрессора имеет два имеет два
специфических участка: один для присоединения к
оператору, другой для связывания индуктора.
Присоединяясь к оператору, репрессор блокирует
транскрипцию. Когда ферменты на данном опероне
не синтезируются, репрессор соединен с геномоператором.

44.

• Индукторы
– это молекулы, которые
связываются с репрессорами, заставляя их
изменять форму и предотвращают их от
связывания с ДНК. Таким образом, они
позволяют проводить транскрипцию, и,
следовательно, экспрессию гена. В нашем
случае оператор высвобождается начинается
синтез иРНК на структурных генах и
соответственно синтез ферментов.

45.

• В лактозном опероне имеется три
структурных гена (ген1, ген2, ген3),
котрые кодируют следующие ферменты –
β-галактозидазу, галактозидпермеазу и
галактозидтрансацетилазу. Все три гена
транскрибируются
вместе.
РНКполимераза присоединяется к промотору
и
продвигается
вдоль
оперона,
транкрибируя его.

46.

47.

48.

Биологическое значение
• Благодаря описанному механизму регуляции транскрипции
генов, входящих в состав лактозного оперона, бактерии
оптимизируют
энергетические
затраты,
синтезируя
ферменты метаболизма лактозы не постоянно, а лишь тогда,
когда клетке это необходимо. Сходный механизм регуляции
имеется у большинства прокариот; у эукариот он устроен
значительно сложнее.

49.

50.

Благодарю за внимание!