<<
>>

Лекция 4 Бактериофаги. Генетика микроорганизмов.

Бактериофаги (от лат. bacteriophaga - пожирающий бактерии) - вирусы микроорганизмов.

Бактериофагия - процесс взаимодействия фагов с бактериями, нередко заканчивающийся их лизисом.

Различают 5 основных морфологических групп бактериофагов:

• фаги с длинным сокращающимся отростком;

• фаги с длинным несокращающимся отростком;

• фаги с коротким отростком;

• фаги с аналогом отростка (пузырчатые);

• нитевидные фаги.

Бактериофаги подразделяют на вирулентные — способные вызвать продуктивную форму инфекции, и умеренные — способные вызывать не только продуктивную, но и редуктивную фаговую инфекцию.

Жизненный цикл фага может проявляться в следующих формах:

• продуктивная инфекция (фаг размножается в клетке и выходит из нее);

• редуктивная инфекция (геном фага проникает в клетку, однако размножения фага не происходит, его геном интегрируется в хромосому клетки-хозяина, становится ее составной частью, фаг превращается в профаг, а клетка становится лизогенной);

• абортивная инфекция, при которой взаимодействие фага с клеткой обрывается на какой-то стадии жизненного цикла фага, и он погибает.

Цикл развития вирулентного бактериофага — этапы:

• адсорбция фага на поверхности бактериальной клетки;

• проникновение фаговой ДНК в бактериальную клетку;

• эклипс-период или СИ-фаза, т.е. фаза смены информации;

• синтез структурных компонентов фага;

• морфогенез фагов;

• лизис клетки и освобождение фаговых частиц.

Цикл развития умеренного бактериофага - этапы:

• адсорбция фага на поверхности клетки;

• проникновение фаговой ДНК в бактериальную клетку;

• интеграция фаговой ДНК в хромосому клетки-хозяина и превращение фага в профаг, формирование лизогенной системы.

Профаг спонтанно или под воздействием различных факторов (химические вещества, облучение УФ, рентгеновскими лучами, повышенная температура) может выходить из бактериальной хромосомы и вызывать продуктивную инфекцию.

Умеренные и дефектные фаги

Встраиваясь в бактериальную хромосому, умеренные или дефектные фаги вызывают лизогенизацию бактерий, которые могут приобретать новые признаки. Изменчивость лизогенных бактерий может быть связана:

• с приобретением генов, переносимых фагами от их предыдущих хозяев;

• с экспрессией «молчащих» генов бактерий-реципиентов. Фаговая ДНК, встраиваясь вблизи поврежденного промотора, заменяет его. При этом синтезируются определенные продукты, например протоксины дифтерийных бактерий.

Благодаря своему разрушающему (литическому) действию на бактерии фаги могут быть использованы с лечебно-профилактической целью при различных заболеваниях (дизентерия, холера, различные гнойно­воспалительные заболевания и т. д.). Наборы стандартных фагов, в том числе международные используются для фаготипирования возбудителей ряда болезней (холеры, брюшного тифа, сальмонеллезов, дифтерии, стафилококковых и других заболеваний).

Практическое использование бактериофагов:

• фаготерапия;

• фагопрофилактика;

• фагодиагностика.

ГЕНЕТИКА — наука, изучающая механизмы и закономерности наследственности и изменчивости организмов, а также методы управления этими процессами.

Ген — наследственный фактор, единица наследственного материала — определенный участок молекулы ДНК у высших организмов (РНК у ряда вирусов), ответственный за синтез определенного белка.

Генотип — совокупность всех генов организма, его наследственная материальная основа.

Фенотип — совокупность всех признаков и свойств организма, сформировавшихся на основе взаимодействия генотипа с условиями внешней среды.

Генетический материал у бактерий содержится в нуклеоиде (бактериальной хромосоме) и во внехромосомных генетических элементах — плазмидах и мигрирующих генетических элементах.

Внехромосомные факторы наследственности

1) автономные - являются репликоном:

• плазмиды

2) неавтономные — реплицируются только в составе репликона (нуклеоида или плазмиды):

• IS-последовательности;

• транспозоны;

• умеренные и дефектные фаги.

Внехромосомные молекулы ДНК (инсерционные элементы, плазмиды, транспозоны) не являются жизненно важными для бактерий, но придают им новые свойства.

Инсерционные элементы (IS)(от англ. insertion sequence) — простейший тип генетических элементов, мигрирующих от одной бактериальной хромосомы к другой, или между хромосомой и плазмидой. IS-элементы несут только один ген, кодирующий белок транспозазу, с помощью которой IS-элементы встраиваются в различные участки хромосомы. Содержат только гены, необходимые для собственной миграции. Фенотипических признаков не кодируют, самостоятельно не реплицируются.

Свойства IS-последовательностей:

• небольшие размеры — 800-1400 пар нуклеотидов;

• в свободном состоянии не существуют;

• способны перемещаться по геному, при этом первичный элемент остается на месте, а копия встраивается в мишень.

Функции IS-элементов:

• координация взаимодействия внехромосомных факторов наследственности между собой и с бактериальной хромосомой для обеспечения их рекомбинации;

• регуляторная (регуляция транскрипции генов путем их «включения/выключения»);

• индукция мутаций (инверсии, дупликации на протяжении 5-9 пар нуклеотидов) координация взаимодействия плазмид, умеренных фагов, транспозонов.

Транспозоны — нуклеотидные последовательности, способные менять место своей локализации в молекуле ДНК и мигрировать из одной молекулы ДНК в другую.

Свойства транспозонов:

• относительно большие генетические элементы, состоят из 2000-25000 пар нуклеотидов;

• могут находиться в свободном состоянии в виде кольцевой молекулы;

• могут мигрировать с одного репликона на другой;

• окружены с обоих сторон (фланкированы) последовательностями ДНК, напоминающими IS-последовательности;

• могут нести информацию о синтезе бактериальных токсинов и ферментов, модифицирующих антибиотики.

Плазмиды — кольцевидные молекулы ДНК, способные к саморепликации. Их возможные состояния:

• автономное (в цитоплазме);

• интегрированное (в нуклеоиде).

Конъюгативные плазмиды способны к самопереносу из одной клетки в другую. Неконъюгативные плазмиды способны к переносу с помощью конътативных плазмид и бактериофагов.

Функции плазмид:

• регуляторная - компенсирует нарушение функции ДНК нуклеоида;

• кодирующая - вносит в генотип новую информацию.

Плазмиды подразделяются на различные категории в зависимости от свойств, которые они кодируют у бактерий.

F-плазмида, или половой фактор. Контролирует синтез половых ворсинок (sex или F-pili), которые способствуют эффективному спариванию бактерий-доноров с реципиентными клетками при конъюгации. F- плазмида реплицируется в независимом от хромосомы состоянии и передается при конъюгации в клетки бактерий-реципиентов.

Перенос генетического материала (ДНК) детерминируется tra-опероном F- плазмиды (от англ. transfer — перенос), обеспечивающим конъюгативность. F-плазмиды содержат только tra-оперон, в их составе нет никаких других генов.

F-плазмида может встраиваться в бактериальную хромосому и находиться с ней в интегрированном состоянии.

Функции tra-оперона:

• детерминирует образование конъюгативных пилей;

• моблизирует на перенос:

- саму конъюгативную плазмиду (F+);

- другую, неконъюгативную, плазмиду;

- участок нуклеоида.

R-плазмиды (плазмиды множественной лекарственной устойчивости). Известно большое количество R-плазмид, определяющих устойчивость бактерий к лекарственным препаратам. Передача R-плазмид привела к их широкому распространению среди бактерий и значительно осложнило химиотерапию инфекционных заболеваний.

Состав R-плазмид:

• г-оперон(-ы) + tra-оперон;

• г-оперон(-ы).

Пути передачи R-плазмид:

• при трансдукции (грамположительные бактерии);

• при конъюгации (грамотрицательные бактерии).

Состав r-оперона:

• гены, детерминирующие синтез ферментов:

— инактивирующие антибиотик;

— модифицирующий антибиотик;

— снижающие проницаемость клеточной стенки бактериальной клетки к антибиотику;

• может содержать:

— транспозон;

— IS-последовательность.

Бактериоциногенные плазмиды (на примере Col-плазмиды E.coli) — плазмиды, детерминирующие синтез колицинов (антибиотикоподобных веществ).

Состав Col-плазмид:

• гены, детерминирующие синтез колицина;

• tra-оперон.

Особенности Col-плазмид:

• редко интегрируют в нуклеоид;

• обычно репрессированы;

• при их дерепрессии бактериальная клетка синтезирует колицины и погибает (потенциально летальная плазмида).

Свойства бактериоцинов:

• представляют собой вещества белковой природы и функционируют как антибиотики с узким спектром действия;

• вызывают гибель клетки, не нарушая ее целостности;

• ингибируют синтез ДНК, РНК и белка;

• обладают свойствами эндодезоксирибонуклеаз;

• обладают летальным признаком - после выделения бактериоцина бактериальная клетка может погибнуть;

• клетка, выделяющая бактериоцины, устойчива к действию гомологичных бактериоцинов извне.

ИЗМЕНЧИВОСТЬ БАКТЕРИЙ

Может быть ненаследуемой (модификационной) и генотипической (мутации, рекомбинации).

Модификации — временные, наследственно не закрепленные изменения, возникающие как адаптивные реакции бактерий на изменения окружающей среды. Модификации находятся под контролем генома, но не сопровождаются изменениями первичной структуры ДНК и вскоре утрачиваются. Модификации проявляются в изменении морфологических, биохимических и ряда других признаков.

Биохимическую основу модификации составляет индуцибельный синтез ферментов. Так, например, кишечная палочка только в присутствии лактозы синтезирует ферменты, необходимые для ее расщепления.

Лактозный оперон состоит из трех линейно расположенных структурных генов, деятельность которых контролируется геном-регулятором.

Структурные гены детерминируют образование трех катаболических ферментов: бета-галактозидазы, трансацетилазы и пермеазы. Работа структурных генов зависит от гена-регулятора и наличия в среде лактозы. Ген-регулятор контролирует образование белка-репрессора. Белок-репрессор при отсутствии лактозы связывается с оператором и блокирует транскрипцию. Поступая в клетку, лактоза связывается с белком-репрессором, в результате освобождается оператор и включается синтез катаболических ферментов на структурных генах.

После полной утилизации лактозы белок-репрессор освобождается и вновь связывается с оператором, блокирует процесс синтеза ферментов.

R-S-диссоциация бактерий — это образования двух форм бактериальных клеток, которые отличаются друг от друга по характеру образуемых ими колоний на тплотной питательной среде. Один тип — R-колонии (англ. rough — неровный) — характеризуется неровными краями и шероховатой поверхностью, второй тип — S-колонии (англ. smooth — гладкий) — имеет круглую форму, гладкую поверхность.

Диссоциацию большинство ученых рассматривают как закономерную форму модификации, а некоторые относят ее к мутациям.

Процесс диссоциации обычно протекает в одном направлении: от S- к R- форме. Обратный переход R- в S-форму наблюдается реже. Для

большинства вирулентных бактерий характерен рост в виде S-формы колоний.

В процессе диссоциации одновременно с изменением морфологии колоний меняются биохимические, антигенные, патогенные свойства бактерий, их устойчивость к физическим и химическим факторам внешней среды.

S-R-диссоциация во многих случаях усложняет бактериологическую диагностику инфекционных заболеваний.

Свойства бактерий из S- и R-колоний

S-колонии R-колонии
Гладкие с ровными краями Шероховатые с изрезанными краями
Диффузно-мутящий рост в МИБ Придонный рост в МИБ
Обычно вирулентны Обычно не вирулентны, за исключением возбудителей туберкулеза, сибирской язвы, дифтерии, чумы
У капсульных видов есть капсула Капсула отсутствует
У подвижных видов есть жгутики Жгутики отсутствуют
Чувствительны к фагу Мало чувствительны к фагу
Биохимически более активны Биохимически менее активны
Полноценны в антигенном отношении Неполноценны в антигенном отношении

ГЕНОТИПИЧЕСКАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ БАКТЕРИЙ

Мутации — это изменения в первичной структуре ДНК, которые выражаются в наследственно закрепленной утрате или изменении какого- либо признака. Одновременно у бактерий имеются различные механизмы репарации мутаций, в том числе с использованием ферментов — эндонуклеаз, лигаз, ДНК-полимеразы.

Генетические рекомбинации

Трансформация — форма генетической изменчивости, при которой бактерия-реципиент поглощает из внешней среды трофическим путем фрагменты ДНК бактерии-донора. Это приводит к образованию рекомбинантных бактерий, обладающих некоторыми свойствами донорских клеток.

Процесс трансформации бактерий можно подразделить на несколько фаз:

1)адсорбция ДНК-донора на клетке-реципиенте;

2) проникновение ДНК внутрь клетки-реципиента;

3) соединение ДНК с гомологичным участком хромосомы реципиента с последующей рекомбинацией.

Эффективность трансформации зависит от степени гомологичности ДНК донора и реципиента. Чем выше гомологичность, тем эффективнее спаривание, и тем больше образуется рекомбинантных бактерий. Межвидовая трансформация происходит гораздо реже, чем внутривидовая.

Трансдукция — перенос генетического материала от клетки-донора к клетке-реципиенту с помощью умеренного бактериофага. Фаг переносит небольшой фрагмент ДНК бактерии-донора. В результате трансдукции бактерия-реципиент приобретает новые фенотипические признаки: ферментативные свойства, устойчивость к антибиотикам, вредным воздействиям окружающей среды, вирулентность и др. При выходе бактериофага из клетки фрагмент донорской трансдуцированной ДНК остается в хромосоме клетки-реципиента, а следовательно, сохраняются и новые фенотипические признаки. Бактериофаг при трансдукции выполняет только транспортную функцию.

Типы трансдукций

1. Неспецифическая трансдукция. В процессе репродукции фага в момент сборки фаговых частиц в их головку вместе с фаговой ДНК может проникнуть какой-либо фрагмент ДНК бактерии-донора. В клетки реципиентного штамма могут быть перенесены любые гены донора. Принесенный фагом фрагмент ДНК бактерии-донора способен включаться в гомологическую область ДНК клетки-реципиента путем рекомбинации. Фаги являются только переносчиком генетического материала от одних бактерий к другим. Фаговая ДНК не участвует в образовании рекомбинантов.

2. Специфическая трансдукция осуществляется фагами, обладающими избирательной локализацией на хромосоме бактерий. Образование трансдуцирующего фага происходит путем выщепления профага из бактериальной хромосомы вместе с генами, расположенными на хромосоме клетки-донора рядом с профагом. При взаимодействии трансдуцирующих фагов с клетками реципиентного штамма происходит включение гена бактерии-донора вместе с ДНК дефектного фага в хромосому бактерии-реципиента.

3. Абортивная трансдукция. Принесенный трансдуцируемый фагом фрагмент ДНК донора не включается в хромосому клетки-реципиента, а остается в ее цитоплазме и в таком виде способен поддерживаться и проявляться фенотипически.

Во время деления бактериальной клетки трансдуцированный фрагмент ДНК может передаваться только одной из двух дочерних клеток, т.е. наследоваться однолинейно и в конечном итоге утрачиваться в потомстве. Конъюгация — однонаправленная передача генетической информации в результате непосредственного контакта между донорной и реципиентной клетками.

Необходимым условием для конъюгации является наличие у бактерии- донора F-плазмиды (полового фактора), которая контролирует синтез половых ворсинок (sex-pili). Бактерии, имеющие F-плазмиду, называются мужскими (F+) клетками. Женские (F-) клетки не имеют этой плазмиды. Процесс конъюгации между F+и F- клетками имеет следующие стадии:

1) установление контакта между донором и реципиентом с помощью половых ворсинок;

2) прохождение генетического материала через канал половой ворсинки от донора к реципиенту;

3) рекомбинация между донорской и реципиентной ДНК.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ УЧЕНИЯ О ГЕНЕТИКЕ МИКРООРГАНИЗМОВ

Генная инженерия в медицинской микробиологии

Продукты, получаемые генно-инженерным способом с помощью рекомбинантных штаммов бактерий:

• вакцины;

• гормоны;

• интерфероны;

• цитокины.

Генетические методы, применяемые в микробиологической диагностике:

• процентное содержание Г+Ц бактериальном геноме;

• метод молекулярной гибридизации;

• полимеразная цепная реакция (ПЦР).

Полимеразная цепная реакция. Цели:

• обнаружение в патологическом материале конкретного вида микроорганизма без выделения чистой культуры;

• идентификация микроорганизмов;

• генотипирование микроорганизмов.

Этапы проведения ПЦР:

• выделение ДНК из патологического материала;

• добавление праймеров (участки ДНК, комплементарные 3’-концам искомого гена), добавление ДНК-полимеразы и нуклеотидов;

• нагревание;

• расплетение ДНК на две нити;

• охлаждение;

• связывание праймеров с комплементарными участками искомого гена;

• нуклеотиды присоединяются к 3’-концам праймеров, ДНК- полимераза достраивает вторые цепочки ДНК;

• повторение циклов (30-50) - накопление (амплификация) искомого гена;

• резкое нарастание (двукратное после каждого цикла) количества искомого гена;

• определение продуктов ПЦР с помощью электрофореза.

<< | >>
Источник: Курс лекций по микробиологии, вирусологии, иммунологии для студентов 2-3 курсов факультета по подготовке специалистов для зарубежных стран. / Тапальский Д.В., Ильинская Т.Н., Шевцова Л.В., Лагун Л.В. — Учреждение образования «Гомельский государственный медицинский университет»,2012. — 317 с.. 2012

Еще по теме Лекция 4 Бактериофаги. Генетика микроорганизмов.:

  1. Особенности генетики микроорганизмов
  2. ГЕНЕТИКА МИКРООРГАНИЗМОВ
  3. Лекция 6 Экология микроорганизмов
  4. Лекция 3 Физиология микроорганизмов. Метаболизм бактерий.
  5. Лекция 1 Микробиология: предмет, задачи, объекты изучения. Исторические этапы развития микробиологии. Систематика, номенклатура, классификация микроорганизмов.
  6. Бактериофаги
  7. Глава 7. ГЕНЕТИКА ВИРУСОВ
  8. Цель и специфика моральных проблем генетики
  9. Генетика и евгеника
  10. Генетика вирусов
  11. Генетика атопии и атопического дерматита
  12. Тема 7. Моральные проблемы медицинской генетики
  13. Морально-этические и правовые проблемы генетики
  14. Дыхание микроорганизмов
  15. Санитарно-показательные микроорганизмы
  16. Систематика и номенклатура микроорганизмов
  17. Экология микроорганизмов