Similar presentations:
Генетика микроорганизмов
1. Генетика микроорганизмов
МикробиологияГенетика
микроорганизмов
2. Генетическая информация
• Хранение – ДНК, хромосомы, плазмиды,репликация и репарация
• Реализация – транскрипция и трансляция
• Передача – трансформация, конъюгация,
трансдукция
3. Хранение генетической информации
ХранениеХранение генетической информации
• ДНК – полимер, состоящий из дезоксирибонуклеотидов
4. Хранение генетической информации
ХранениеХранение генетической информации
• Нуклеоид – область цитоплазмы с расположенной
в ней ДНК, а также набором белков для ее
функционирования (аппарат репликации и
транскрипции) и хранения (ДНК-связывающие
белки)
• Чаще всего у прокариот одна(?) кольцевая(?)
хромосома и, соответственно, одна группа
сцепления
5.
Хранение6.
Хранение• Mycoplasma genitalium – возбудитель
урогенитального миксоплазмоза.
Внутриклеточный паразит, лишенный клеточной
стенки, а значит практически неокрашиваемый
обычными способами.
• В силу своей паразитарности имеет очень
маленький геном – около 580 т.п.н. – меньше, чем
у некоторых вирусов
7.
Хранение8.
Хранение• Bradyrhizobium japonicum – вид клубеньковых
азотфиксаторов, симбионт сои. Имеет один из
самых крупных геномов среди бактерий – около
9-10 млн в зависимости от штамма
9.
Хранение10. Упаковка эукариотической хромосомы
ХранениеУпаковка эукариотической хромосомы
11. Упаковка бактериальной хромосомы
ХранениеУпаковка бактериальной хромосомы
Суперспирализация – бактериальная хромосома состоит из 50–400
отрицательно суперспирализованных ДНК петель, средний размер
которых около 10 т.п.н.
ДНК петли являются топологически независимыми дискретными
хромосомными единицами
12. Упаковка бактериальной хромосомы
ХранениеУпаковка бактериальной хромосомы
• nucleoid-associated proteins (NAPs) – белки,
ассоциированные с нуклеоидом
• Отвечают за компартментацию молекулы ДНК
13. Упаковка бактериальной хромосомы
ХранениеУпаковка бактериальной хромосомы
• Степень и качество упаковки зависит от периода жизненного цикла:
14. Репликация ДНК
ХранениеРепликация ДНК
15.
16. Хранение генетической информации
ХранениеХранение генетической информации
• Плазмида - относительно короткие (?) кольцевые
(?) молекулы ДНК, реплицирующиеся и функционирующие независимо от хромосомы (?)
• Размер – 2-600 т.п.н.
• Количество – 1-множество
• Плазмида может передаваться от клетки к клетке
в процессе конъюгации, либо поглощаться
непосредственно из внешней среды в процессе
трансформации
17. Функции плазмид
ХранениеФункции плазмид
• Если плазмида дает бактерии способность быть
донором при конъюгации, то это F-плазмида
(fertility)
• Если плазмида содержит гены устойчивости к
антибиотикам, то это R-плазмида (resistance)
• Плазмиды также могут нести гены вирулентности,
гены токсинов, гены антибиотиков, гены
метаболизма
18. Плазмида – идеальный инструмент М-Г исследований
ХранениеПлазмида – идеальный инструмент М-Г исследований
• В молекулярно-генетических исследованиях
плазмиды используют как вектор (=челнок) для
доставки генов в бактерии
• В состав плазмиды входит:
• ori
• Сайты рестрикции
• Ген устойчивости к антибиотику
• Промотор
• Целевой ген
• Маркерный ген
19.
20.
21. Маркерные гены - GFP
ХранениеМаркерные гены - GFP
• Маркерные гены позволяют
узнать результат вставки
плазмиды без каких-либо
вмешательств, так как GFP и
подобные белки флуоресцируют
в ультрафиолете
22. Рестриктазы
ХранениеРестриктазы
• Ферменты, разлагающие полинуклеотиды
• Экзонуклеазы рестрикции и эндонуклеазы
рестрикции
• В молекулярно-генетических исследованиях
используются для разрезания ДНК в
определенных для каждой рестриктазы местах –
сайтах рестрикции
23.
24. ДНК-лигазы
ХранениеДНК-лигазы
• Совместно с рестриктазами всегда идут ферменты
лигазы, ответственные за соединение двух
молекул ДНК, то есть действуют обратно
рестриктазам
25. ЗАЧЕМ?
ХранениеЗАЧЕМ?
26. Транспозоны
ХранениеТранспозоны
• Важный фактор изменчивости бактериального
генома
• Транспозоны – МГЭ, способный перемещаться из
одного сайта в другой как в пределах одной
хромосомы, так и внехромосомно вплоть до
перемещения в другую клетку
• Перемещение транспозонов может приводить к
различным мутациям – делециям, дупликациям,
инверсиям и т.д.
27. Виды транспозонов
ХранениеВиды транспозонов
• Инсерционные последовательности (IS) –
содержат исключительно гены, предназначенные
для работы самого транспозона – транспозазы и
регуляторных элементов
• Сложные транспозоны содержат помимо этих
генов еще и, например, гены устойчивости к
антибиотикам
28. Особенности организации генетического материала прокариот
ХранениеОсобенности организации генетического материала прокариот
• Отсутствие ядра
• Транскрипция и
трансляция
сопряжены во
времени и
пространстве
29. Особенности организации генетического материала прокариот
• Отсутствиепроцессинга
• Полицистронные
мРНК
• Отсутствие интронов + гаплоидность = отсутствие
накопления «спрятанных» мутаций
30.
• https://youtu.be/plVk4NVIUh831. Эволюционный Эксперимент
• Эксперимент по изучению базовыхпроцессов эволюции, начатый в
1988 году и продолжающийся до
сих пор
• Организатор – Ричард Ленски
32. Методика эксперимента
• 12 популяций одного штамма Escherichia coliвыращивали на минимальной среде с глюкозой
• Каждый день 100 мкл популяции высевалось на
свежую питательную среду
• Каждое 500 поколение (75 дней) замораживалось
для дальнейших исследований
• К настоящему моменту анализируется более, чем
60000 поколений
33. Результаты эксперимента
• За первые 20000 поколений зафиксировались 45мутаций
• На удивление большинство мутаций были
полезными, а не нейтральными как ожидалось
34. Результаты эксперимента
• После 26000 поколений произошла мутация вгене, ответственном за репарацию
• Возросло количество мутаций
• Возросло количество зафиксированных мутаций
(609)
• Такая же мутация возникла и в других популяциях
и также зафиксировалась
• Из «новых» 609 мутаций большинство на сей раз
оказались нейтральными
35. Результаты эксперимента
Среда:K2HPO4 · 3H2O
3,5 г
KH2PO4 · H2O
1,0 г
(NH4)2SO4
0,5 г
Na3C6H5O7
0,25 г
C6H12O6
12,5 мг
MgSO4
25 мг
C12H17N4OS
25 мг
H2O
500 мл
• Популяция А-3,
поколение 33127
• Помутнение среды
• Мутанты E. coli Cit+,
способные усваивать
цитрат натрия
• Не одиночная мутация
36. Реализация генетической информации
РеализацияРеализация генетической информации
37. Транскрипция
РеализацияТранскрипция
1. Одна РНК-полимераза (4
субъединицы)
2. Для ее работы требуется сигмасубъединица, основная функция
которой – узнавание и
связывание с промотором,
отсоединяется на этапе элонгации
3. Терминация транскрипции
может проходить с участиям рофактора, а может с образованием
шпильки РНК
38. Инициация транскрипции
РеализацияИнициация транскрипции
• -35 п.н. (бокс Гилберта) и -10
п.н. (бокс Смирнова) от точки
начала транскрипции –
промоторная область, с
которой связывается σ-фактор
• После присоединения 9ого
нуклеотида σ-фактор
необратимо диссоциирует
39. Элонгация транскрипции
РеализацияЭлонгация транскрипции
• Семнадцатипарный транскрипционный комплекс при элонгации
содержит гибрид ДНК и РНК, содержащий 8 пар оснований — 8шаговый участок РНК, соединенный с шаблонной цепью ДНК.
• По мере выполнения транскрипции рибонуклеотиды
добавляются к 3'-концу собираемой РНК, и РНК-полимеразный
комплекс движется по цепи ДНК.
40. Терминация транскрипции
РеализацияТерминация транскрипции
• Терминация транскрипции у прокариот может
происходить с помощью фактора терминации
транскрипции – ρ(ро)-фактора
• Либо при образовании шпильки РНК, богатой G-C
парами
41.
42. Трансляция прокариот
РеализацияТрансляция прокариот
• Отсутствие процессинга мРНК: сплайсинга,
КЭПирования и полиаденилирования
• мРНК + рибосомы + аминоацил-тРНК (тРНК+АК) +
факторы трансляции + ATP
• Инициация + элонгация + терминация
43. Инициация трансляции
РеализацияИнициация трансляции
44.
45. Терминация трансляции
РеализацияТерминация трансляции
• Появление стоп-кодона в Aсайте
• Фактор терминации трансляции
(релизинг фактор) входит в Асайт
• Гидролиз между полипептидов
и последней аминоацил-тРНК
46. Трансляция прокариот
РеализацияТрансляция прокариот
• https://www.youtube.com/watch?v=KZBljAM6B1s
47. Передача генетической информации
• Бесполое размножение – бинарное деление /почкование
• Половое размножение – трансформация,
конъюгация и трансдукция
Важно понимать разницу между половым
размножением эукариот и «половым размножением»
прокариот.
У последних НЕ образуются гаметы, нет их слияния и
образования зиготы. Единственное что есть – обмен
ДНК в каком-либо процессе
48. Трансформация
• Однонаправленный процесс поглощения ДНК извнешней среды клеткой
• Осуществляется только «компетентными» клетками
• Компетентность – свойство клеток поздней лаг-фазы.
Осуществляется компетентность выработкой клеткой
факторов компетентности самостоятельно либо
вызывается искусственно
49.
50. Трансформация плазмидой
51.
52. Конъюгация
• Процесс передачи ДНК от одной клетки к другойпри непосредственном контакте двух клеток
• Процесс однонаправленный – от донора к
реципиенту
• Передача ДНК осуществляется с помощью
половых пилей
• Необходима F-плазмида
53.
54. Трансдукция
• Перенос ДНК посредством вирусов-бактериофагов• Процесс также однонаправленный
• Может быть литической – после которой клетка
умирает, а может быть лизогенной, когда ДНК вируса
встраивается в хромосому бактерии
• Лизогенная трансдукция может быть специфической
(ДНК фага встраивается в конкретно место на
хромосоме) и неспецифическая (в случайное место
на хромосоме)
55.
56.
57. Передача генетической информации
58. CRISPR-Cas9
• clustered regularly interspaced short palindromic repeats• Система адаптивного иммунитета бактерий и архей
59.
60. Регуляция экспрессии генов прокариот
• Housekeeping gene• Индуцибельные гены
• Гены домашнего хозяйства • Гены «роскоши»
• Конститутивные гены
• Экспрессируются вне
• Экспрессируются в ответ
зависимости от условий
на изменения внешней
существования
среды
• Репликация, цитоскелет,
• БТШ, комплексы
транскрипция, трансляция,
ферментов, защита от
первичный метаболизм…
антибиотиков…
61. Регуляция работы оперонов
• Ф.Жакоб и Ж.Моно в 1961 сформировали теориюрегуляции работы прокариотических генов на примере
лактозного оперона у E. coli
• Лактозный оперон – индуцибельный оперон, состоит из
трех структурных генов:
lacZ - β-галактозидаза – фермент, расщепляющий лактозу
на глюкозу и галактозу
lacY - β-галактозидпермеаза – мембранный белок,
переносящий лактозу
lacA - β-галактозидтрансацетилаза – функция фермента в
рамках работы лактозного оперона не ясна
62. Лактозный оперон
CAPНКО
П
lacI
Транскрипция
цАМФ
НКО
П
О
lacZ
lacY lacA
Трансляция
РНК lacI
Репрессор
Лактоза
НКО
63. Лактозный оперон: есть глюкоза, нет лактозы
НКОП
lacI
НКО
П
О
lacZ
lacY lacA
Транскрипция
Репрессор
РНК lacI
Трансляция
НКО
64. Лактозный оперон: есть глюкоза, есть лактоза
НКОП
Транскрипция
lacI
НКО
Трансляция
П
О
lacZ
lacY lacA
Репрессор
РНК lacI
Трансляция
Репрессор
Лактоза
НКО
65. Лактозный оперон: нет глюкозы, нет лактозы
CAPНКО
П
Транскрипция
lacI
цАМФ
НКО
П
О
lacZ
lacY lacA
Трансляция
РНК lacI
Репрессор
НКО
66. Лактозный оперон: нет глюкозы, есть лактоза
CAPНКО
П
lacI
цАМФ
НКО
П
О
РНК-полимераза
lacZ
lacY lacA
НКО
Транскрипция
Полицистронная РНК
РНК lacI
Трансляция
Репрессор
Лактоза
Белки
lacZ
lacY
lacA
67. Систематика бактерий и архей
МикробиологияСистематика
бактерий и архей
68. Сложности систематики бактерий
• Малые размеры• Малое количество видимых признаков для
систематики
• Необходимость исследовать биохимию,
физиологию и генетику для описания и
систематизации вида
• НЕКУЛЬТИВИРУЕМОСТЬ большинства бактерий
• Размытость понятия «вид» для бактерий
69.
• Вид• Штамм – культура МО, выделенная
единовременно из одного источника
• Клон – совокупность потомков одной клетки
70. Варианты систематики - Система бактерий Берджи
Грамотрицательные эубактерии, имеющиеклеточные стенки (16 групп)
Грамположительные эубактерии, имеющие
клеточные стенки (13 групп)
Эубактерии, лишенные клеточных стенок
(микоплазмы)
Архебактерии (5 групп)
71. Филогенетическая систематика
72. Филогенетическая систематика
• Археи – 3 филы и фантомная фила (Crenarchaeota,Euryarchaeota, Nanoarchaeota)
• Бактерии – 23 филы и фантомные филы бактерий