Модификация у бактерий и вирусов

Изменчивость свойственна всем микроорганизмам.

Исследованиями в области генетики была установлена генетическая роль ДНК, расшифрованы структура гена и генетического кода, механизм репликации ДНК и регуляции синтеза белка у прокариотов, выяснены закономерности мутагенеза и репликаций поврежденных участков ДНК.

Изучение наследственности и изменчивости микроорганизмов показало, что изменяться могут любые свойства микробной клетки: резистентность к различным факторам, морфологические, культуральные, биохимические, вирулентные, антигенные, токсигенные и др. (примером тому могут служить вакцины).

Факторы, вызывающие эту изменчивость, разнообразны. К ним относятся состав питательной среды, рН окружающей среды, концентрация минеральных солей, температура, ультрафиолетовые лучи, действие фагов, лекарственных и дезинфицирующих препаратов, различные химические соединения, ультразвук, ионизирующая радиация и многое другое.

Успехи в развитии генетики микроорганизмов показали, что основные законы наследственности и изменчивости одинаковы по своей сути для всех живых организмов и имеют единую материальную основу. Микроорганизмы в силу скорости размножения и гаплоидности являются удобной моделью для изучения закономерностей изменчивости.

Генетические исследования, проводимые в медицинской микробиологии, направлены на разработку методов управления жизнедеятельностью микроорганизмов и получении мутантов, полезных для человека (получение вакцин, продуцентов антибиотиков, аминокислот, кормового белка и пр.).

Материальной основой наследственности, определяющей генетические свойства всех организмов, в том числе бактерий, вирусов, простейших, дейтеромицетов и пр., является ДНК. Исключение составляют только РНК – содержащие вирусы, у которых генетическая информация записана в РНК.

Участок молекулы ДНК, контролирующий синтез одного белка, называется геном.

Гены подразделяются на структурные, несущие информацию о последовательности аминокислотных остатков в конкретных белках, вырабатываемых клеткой, и гены – регуляторы, регулирующие работу структурных генов.

Полный набор генов, которым обладает клетка, называется генотипом.

В процессе изучения изменчивости микроорганизмов была обнаружена особая форма изменчивости – диссоциация. Этот вид изменчивости проявляется в том, что при посеве некоторых культур на плотные питательные среды происходит разделение колоний на два типа: 1) гладкие, круглые, блестящие колонии с ровными краями – S-форма (Smooth – гладкий) и 2) плоские, непрозрачные колонии неправильной формы, с неровными краями – R- форма (Rough – шероховатый).

Существуют также переходные формы: М- формы (слизистые) и N- формы (карликовые).

Колонии, относящиеся к гладкой S- форме, могут при определенных условиях переходить в R- форму и обратно. Однако, переход – R- формы в S- форму происходит труднее.

Болезнетворные бактерии чаще бываю в S- форме. У некоторых болезнетворных бактерий колонии представлены r- формой (возбудители туберкулеза, чумы).

Изменения, возникающие в бактериальных клетках, могут быть ненаследуемые – фенотипическая изменчивость и наследуемые – генотипическая изменчивость.

Фенотипическая изменчивость представлена модификацией – это ответная реакция клетки на неблагоприятные условия ее существования. Модификации могут касаться морфологических, культуральных, биохимических свойств микробов. Морфологическая модификация изменяет форму и величину микробной клетки.

Культуральная модификация обуславливает изменение пигментообразования и размера колоний, скорости деления особей и времени формирования колоний и др.

Биохимическая модификация проявляется в возникновении адаптивных ферментов, позволяющих существовать микробным клеткам в определенных условиях.

Модификация – это способ приспособления микроорганизма к условиям внешней среды. Поскольку приобретенные свойства не передаются по наследству, они только способствуют в основном выживанию микробных популяций.

Например, дифтерийные бактерии сравнительно легко изменяют морфологические, культуральные и биохимические свойства под влиянием физических и химических факторов. Они могут образовывать колбовидные, нитевидные, дрожжеподобные и кокковидные формы, у них утрачивается способность ферментировать углеводы и продуцировать токсины. Однако, при восстановлении оптимальных условий их существования, возникшие изменения утрачиваются.

Генотипическая изменчивость возникает в результате изменений, передающихся по наследству. Генотипическая изменчивость представлена мутациями и рекомбинациями.

Мутации и рекомбинации – это передаваемые по наследству структурные изменения генов.

Мутации возникают в результате влияния внешних факторов (физических и химических). Мутации подразделяются на крупные мутации, обусловленные изменениями во всей хромосоме, и мелкие (точечные) мутации, возникающих в результате изменений отдельных нуклеотидов ДНК.

Мутации возникают в результате выпадения или добавления отдельных оснований ДНК, замены одного основания другим или смещения относительно оси симметрии.

Микробные мутации делят на спонтанные и индуцированные.

В результате мутаций могут изменяться морфологические и культуральные свойства, возникать устойчивость к лекарственным препаратам, снижаться вирулентные свойства, утрачиваться способность синтезировать аминокислоты, утилизировать углеводы и другие питательные вещества.

Если мутации возникают под воздействием внешних факторов на генную структуру, то рекомбинационная изменчивость возникает в результате влияния ДНК донора на клетку реципиента.

Рекомбинация бывает трех видов:
1. Трансформация, которая возникает в результате способности клетки-реципиента вступить непосредственно в контакт с ДНК донора.
2. Трансдукция, которая обусловлена переносом генетической информации от донора к реципиенту при помощи умеренного фага. С помощью умеренного фага клетке – реципиенту можно передать способность продуцировать токсин, образовывать споры, продуцировать дополнительные ферменты и др.
Дифтерийные бактерии типа mitis в результате трансдукции, обусловленной бактериофагом, могут приобрести новые свойства, в результате которых становятся более токсигенными, а следовательно, и более вирулентными.
3. Конъюгация – передача генетического материала от клетки – донора к клетке – реципиенту при непосредственном контакте особей друг с другом.

Кроме хромосомных факторов наследственности существуют и внехромосомные.

Это плазмиды – сравнительно небольшие внехромосомные молекулы ДНК микробной клетки. Они расположены в цитоплазме и имеют кольцевую структуру. Плазмиды обеспечивают устойчивость бактерий к лекарственным веществам, в том числе и к антибиотикам.

По генетическим механизмам лекарственная резистентность микробов может быть первичной или приобретенной.

Первичная (естественная) устойчивость обусловлена отсутствием соответствующих метаболических реакций, которые блокировались бы определенными препаратами.

Приобретенная устойчивость возникает в результате мутаций в хромосомных генах, контролирующих синтез компонентов клеточной стенки, цитоплазматической мембраны, рибосомных или транспортных белков.

Чаще всего приобретенная устойчивость возникает в результате переноса внехромосомного фактора – плазмиды, которая контролирует множественную устойчивость микробных клеток (бактерий) к двум, трем и более лекарственным препаратам, в том числе и к антибиотикам. Возникает полирезистентность и даже зависимость от того или иного лекарственного препарата (антибиотика).

Внехромосомные факторы передаются клеткам с очень высокой частотой и обуславливают широкое распространение микробов и большую их выживаемость в окружающей среде.

Биохимические механизмы плазмидной резистентности связаны с образованием ферментов, инактивирующих антибиотики или модифицирующих антибиотики или транспортные белки, переносящие антибиотики в клетку.

Перенос плазмиды от одних бактерий к другим осуществляется путем трансдукции или конъюгации.

Устойчивость к антибиотикам эукариотов – грибов и простейших – также возникает в результате мутаций в хромосомных генах, контролирующих образование структурных компонентов клетки.

Механизмы формирования антибиотикорезистентности микроорганизмов сложны и многообразны.

Они зависят от особенностей механизма действия антибиотиков или химиопрепаратов на чувствительные клетки, от метаболических свойств микробов, а также от хромосомной или плазмидной локализации маркеров резистентности.

Наряду с подавлением процессов жизнедеятельности микробных клеток, антибиотики, как и другие химиотерапевтические препараты, являются мощными селективными агентами, способствующими отбору и размножению резистентных к ним особей. Даже если в чувствительной к антибиотику или химиотерапевтическому препарату бактериальной популяции содержится только одна резистентная клетка, она в присутствии данного вещества в течение очень короткого времени может стать родоначальницей новой популяции резистентных микроорганизмов.

Массовой селекции и распространению антибиотикорезистентых микробных популяций способствуют многие факторы. Например, широкое и часто неконтролируемое применение антибиотиков для лечения и особенно для профилактики различных заболеваний без достаточно на то оснований (в том числе и при вирусных заболеваниях), а также широкое применение антибиотиков в ветеринарии в качестве добавок к кормам для ускорения роста животных, использование антибиотиков в качестве консервантов пищевых продуктов, для профилактики различных заболеваний у животных.

Генетика изучает и разрабатывает пути изменения известных наследственных свойств организма, закрепленных в генетическом коде, изменяет их путем воздействия на генетический аппарат различными факторами (ультрафиолетовыми лучами, химическими соединениями, температурой и пр.).

В результате этого возникают мутанты – культуры с измененным генотипом, обладающие более или менее активными по определенному признаку свойствами.

Ферменты разных видов грибов широко используются в генной инженерии. Современная генетика, пользующаяся методами молекулярной биологии и новейшими физико – химическими методами, показала возможность получения новых штаммов организмов, с измененной специфической активностью. Это стало возможным благодаря картированию генов на молекуле ДНК, т.е изучению их расположения в полимерной цепи ДНК и функциональных их свойств. Физико – химические методы позволяют с помощью существующих специфических ферментов выделять отдельные гены или их участки и соединять их с определенной частью молекулы ДНК другой особи. В результате этого полученные искусственно жизнеспособные клетки имеют измененную генетическую информацию.

Этот метод конструирования генетических свойств организма носит название генной инженерии.

Развитие генетической и клеточной инженерии позволяет целенаправленно получать ранее недоступные препараты (инсулин, интерферон, вакцины и пр.), создавать новые полезные штамм микроорганизмов (более активные продуценты различных необходимых метаболитов), сорта растений, породы животных.

Молекулярная биология, изучающая фундаментальные основы жизни, является в значительной степени детищем микробиологии. В качестве основных объектов изучения в ней используют вирусы и бактерии, а основное направление- молекулярная генетика основана на генетике бактерий и фагов.

Бактерии- удобный материал для генетики. Их отличает:

- относительная простота генома (сопокупности нуклеотидов хромосом);

- гаплоидность (один набор генов), исключающая доминантность признаков;

- различные интегрированные в хромосомы и обособленные фрагменты ДНК;

- половая дифференциация в виде донорских и реципиентных клеток;

- легкость культивирования, быстрота накопления биомасс.

Общие представления о генетике.

Ген- уникальная структурная единица наследственности, носитель и хранитель жизни. Он имеет три фундаментальные функции.

1.Непрерывность наследственности- обеспечивается механизмом репликации ДНК.

2.Управление структурами и функциями организма - обеспечивается с помощью единого генетического кода из четырех оснований (А- аденин, Т- тимин, Г- гуанин, Ц- цитозин). Код триплетный, поскольку кодон- функциональная единица, кодирующая аминокислоту, состоит из трех оснований (букв).

3.Эволюция организмов- благодаря мутациям и генетическим рекомбинациям.

В узкоспециальном плане ген чаще всего представляет структурную единицу ДНК, расположение кодонов в которой детерминирует первичную структуру соответствующей полипептидной цепи (белка). Хромосома состоит из особых функциональных единиц- оперонов.

Основные этапы развития (усложнения) генетической системы можно представить в виде следующей схемы:

кодон à ген à оперон à геном вирусов и плазмид à хромосома прокариот (нуклеоид) à хромосомы эукариот (ядро).

Генетический материал бактерий.

1.Ядерные структуры бактерий- хроматиновые тельца или нуклеоиды (хромосомная ДНК). У бактерий одна замкнутая кольцевидная хромосома (до 4 тысяч отдельных генов). Бактериальная клетка гаплоидна, а удвоение хромосомы (репликация ДНК) сопровождается делением клетки. Вегетативная репликация хромосомной (и плазмидной) ДНК обусловливает передачу генетической информации по вертикали- от родительской клетки- к дочерней. Передача генетической информации по горизонтали осуществляется различными механизмами- в результате конъюгации, трансдукции, трансформации, сексдукции.

2.Внехромосомные молекулы ДНК представлены плазмидами, мигрирующими генетическими элементами- транспозонами и инсервационными (вставочными) или IS- последовательностями.

Плазмиды- экстрахромосомный генетический материал (ДНК), более просто устроенные по сравнению с вирусами организмы, наделяющие бактерии дополнительными полезными свойствами. По молекулярной массе плазмиды значительно меньше хромосомной ДНК, содержат от 40 до 50 генов.

Их объединение в одно царство жизни с вирусами связано с наличием ряда общих свойств- отсутствием собственных систем мобилизации энергии и синтеза белка, саморепликацией генома, абсолютным внутриклеточным паразитизмом.

Их выделение в отдельный класс определяется существенными отличиями от вирусов.

1.Среда их обитания- только бактерии (среди вирусов , кроме вирусов бактерий- бактериофагов имеются вирусы растений и животных).

2.Плазмиды сосуществуют с бактериями, наделяя их дополнительными свойствами. У вирусов эти свойства могут быть только у умеренных фагов при лизогении бактерий, чаще же всего вирусы вызывают отрицательный последствия, лизис клеток.

3.Геном представлен двунитевой ДНК.

4.Плазмиды представляют собой “голые” геномы, не имеющие никакой оболочки, их репликация не требует синтеза структурных белков и процессов самосборки.

Плазмиды могут распространяться по вертикали (при клеточном делении) и по горизонтали, прежде всего путем конъюгационного переноса. В зависимости от наличия или отсутствия механизма самопереноса (его контролируют гены tra- оперона) выделяют конъюгативные и неконъюгативные плазмиды. Плазмиды могут встраиваться в хромосому бактерий- интегративные плазмиды или находиться в виде отдельной структуры- автономные плазмиды ( эписомы).

Классификация и биологическая роль плазмид.

Функциональная классификация плазмид основана на свойствах, которыми они наделяют бактерии. Среди них- способность продуцировать экзотоксины и ферменты, устойчивость к лекарственным препаратам, синтез бактериоцинов.

Основные категории плазмид.

1.F- плазмиды - донорские функции, индуцируют деление (от fertility - плодовитость). Интегрированные F - плазмиды- Hfr- плазмиды (высокой частоты рекомбинаций).

2.R- плазмиды (resistance) - устойчивость к лекарственным препаратам.

3.Col- плазмиды- синтез колицинов (бактериоцинов)- факторов конкуренции близкородственных бактерий (антогонизм). На этом свойстве основано колицинотипирование штаммов.

4.Hly- плазмиды- синтез гемолизинов.

5.Ent- плазмиды- синтез энтеротоксинов.

6.Tox- плазмиды- токсинообразование.

Близкородственные плазмиды не способны стабильно сосуществовать, что позволило объединить их по степени родства в Inc- группы (incompatibility- несовместимость).

Биологическая роль плазмид многообразна, в том числе:

- контроль генетического обмена бактерий;

- контроль синтеза факторов патогенности;

- совершенствование защиты бактерий.

Бактерии для плазмид- среда обитания, плазмиды для них- переносимые между ними дополнительные геномы с наборами генов, благоприятствующих сохранению бактерий в природе.

Мигрирующие генетические элементы - отдельные участки ДНК, способные определять свой перенос между хромосомами или хромосомой и плазмидой с помощью фермента рекомбинации транспозазы. Простейшим их типом являются инсерционные последовательности (IS- элементы) или вставочные элементы, несущие только один ген транспозазы, с помощью которой IS- элементы могут встраиваться в различные участки хромосомы. Их функции- координация взаимодействия плазмид, умеренных фагов, транспозонов и генофора для обеспечения репродукции, регуляция активности генов, индукция мутаций. Величина IS- элементов не превышает 1500 пар оснований.

Транспозоны (Tn- элементы) включают до 25 тысяч пар нуклеотидов, содержат фрагмент ДНК, несущий специфические гены, и два Is- элемента. Каждый транспозон содержит гены, привносящие важные для бактерии характеристики, как и плазмиды (множественная устойчивость к антибиотикам, токсинообразование и т.д.). Транспозоны- самоинтегрирующиеся фрагменты ДНК, могут встраиваться и перемещаться среди хромосом, плазмид, умеренных фагов, т.е. обладают потенциальной способностью распространяться среди различных видов бактерий.

Понятие о генотипе и фенотипе.

Генотип- вся совокупность имеющихся у организма генов.

Фенотип- совокупность реализованных (т.е. внешних) генетически детерминированных признаков, т.е. индивидуальное (в определенных условиях внешней среды) проявление генотипа. При изменении условий существования фенотип бактерий изменяется при сохранении генотипа.

Изменчивость у бактерий может быть ненаследуемой (модификационной) и генотипической (мутации, рекомбинации).

Временные, наследственно не закрепленные изменения, возникающие как адаптивные реакции бактерий на изменения окружающей среды, называются модификациями (чаще - морфологические и биохимические модификации). После устранения причины бактерии реверсируют к исходному фенотипу.

Стандартное проявление модификации- распределение однородной популяции на две или более двух типов- диссоциация. Пример- характер роста на питательных средах: S- (гладкие) колонии, R- (шероховатые) колонии, M- (мукоидные, слизистые) колонии, D- (карликовые) колонии. Диссоциация протекает обычно в направлении Sà R. Диссоциация сопровождается изменениями биохимических, морфологических, антигенных и вирулентных свойств возбудителей.

Мутации- скачкообразные изменения наследственного признака. Могут быть спонтанные и индуцированные, генные (изменения одного гена) и хромосомные (изменения двух или более двух участков хромосомы).

Одновременно у бактерий имеются различные механизмы репарации мутаций, в том числе с использованием ферментов- эндонуклеаз, лигаз, ДНК- полимеразы.

Генетические рекомбинации- изменчивость, связанная с обменом генетической информации. Генетические рекомбинации могут осуществляться путем трансформации, трансдукции, конъюгации, слияния протопластов.

1.Трансформация- захват и поглощение фрагментов чужой ДНК и образование на этой основе рекомбинанта.

2.Трансдукция- перенос генетического материала фагами (умеренными фагами- специфическая трансдукция).

3.Конъюгация- при непосредственном контакте клеток. Контролируется tra (transfer) опероном. Главную роль играют конъюгативные F- плазмиды.

Геном вирусов содержит или РНК, или ДНК (РНК- и ДНК- вирусы соответственно). Выделяют позитивную (+) РНК, обладающую матричной активностью и соответственно- инфекционными свойствами, и негативную ( - ) РНК, не проявляющую инфекционные свойства, которая для воспроизводства толжна транскрибироваться (превращаться) в +РНК. Механизмы репродукции различных вирусов очень сложные и существенно отличаются. Основные их схематические варианты представлены ниже.

1. вирионная (матричная) +РНК à комплементарная -РНК (в рибосомах) à вирионная +РНК.

2. - РНК à вирусная (информационная) +РНК à - РНК (формируется на геноме зараженной клетки).

3. однонитевая ДНК: +ДНК à +ДНК -ДНК à +ДНК -ДНК +ДНК à +ДНК.

4. ретровирусная однонитевая РНК: РНК à ДНК (провирус) à РНК.

5. двунитевая ДНК: разделение нитей ДНК и формирование на каждой комплементарной нити ДНК.

Генофонд вирусов создается и пополняется из четырех основных источников:

двух внутренних (мутации, рекомбинации) и двух внешних (включение в геном генетического материала клетки хозяина, поток генов из других вирусных популяций).

Комплементация- функциональное взаимодействие двух дефектных вирусов, способствующее их репликации и горизонтальной передаче.

Фенотипическое смешивание- при заражении клетки близкородственными вирусами с образованием вирионов с гибридными капсидами, кодируемыми геномами двух вирусов.

Популяционная изменчивость вирусов связана с двумя разнонаправленными процессами - мутациями и селекцией, связанными с внешней средой как индуктором мутаций и фактором стабилизирующего отбора. Гетерогенность вирусных популяций- адаптационный генетический механизм, способствующий пластичности (устойчивости, приспособляемости) популяций, фактор эволюции и сохранения видов во внешней среде.

Генофонд вирусных популяций сохраняется за счет нескольких механизмов:

- восстановления изменчивости за счет мутаций;

- резервирующих механизмов (возможность перехода любых, даже негативных мутаций в следующую генерацию)- комплементация, рекомбинация;

- буферных механизмов (образование дефектных вирусных частиц, иммунных комплексов и др.), способствующие сохранению вируса в изменяющихся внешних условиях.

Фенотипическая (модификационная, ненаследственная) изменчивость — фенотипические, временные, наследственно не закрепленные изменения у бактерий. Модификации также контролируются геномом бактерий, но в отличие от мутаций не сопровождаются изменениями первичной структуры ДНК. Модификации возникают как адаптивные (лат. adaptatio — приспособление) реакции бактерий на изменения окружающей среды. Это позволяет бактериям быстро приспосабливаться к изменяющимся условиям среды и сохранять численность популяции. После устранения причины бактерии реверсируют к исходному фенотипу.

Фенотип (от греч. phaino— являю) — совокупность экспрессированных (реализованных) генетически детерминированных признаков, т. е. индивидуальное проявление генома. При этом микроорганизм наследует не признак, а потенциальную способность к проявлению этого признака. Условия окружающей среды способствуют проявлению (экс­прессии) генов или, наоборот, подавляют их функциональную актив­ность.

Генотип микроорганизмов проявляется в фенотипе в виде определенных признаков: в способности к образованию жгутиков, капсулы, фер­ментации углеводов, образованию токсинов. При изменении условий существования фенотип бактерий изменяется при сохранении генотипа.

Фенотип бактерий обозначают теми же знаками, что и генотип, но с прописной буквы.

Виды модификаций у бактерий:

1) морфологические — проявляются обратимыми изменениями морфологии (обратимая утрата капсулы, жгутиков, фимбрий, КС, способности к спорообразованию). Напр., образующиеся под действием пенициллина L-формы бактерий, лишенные КС, могут сохраняться и даже размножаться внутри клеток хозяина, а после прекращения действия пенициллина вновь реверсировать к исходной форме. При выращивании многих бактерий на питательной среде с суббактериостатическими концентрациями антибиотиков и антисептиков также можно получить их модификации, характеризующиеся изменением морфологических признаков. Напр., B. anthracis при 42,5 0 С спор не образует, а при 35–37 0 С — образует споры.

2) биохимические — проявляются индуцибельным синтезом ферментов. Напр., кишечная палочка только в присутствии лактозы синтезирует ферменты, необходимые для ее ферментации. Стафилококки только в присутствии пенициллина синтезируют фермент пенициллиназу, раз­рушающий данный антибиотик.

Стандартное проявление модификации — распределение однородной популяции на несколько типов — диссоциация. Обычно диссоциации возникают в условиях, неблагоприятных для исходной популяции. Примером диссоциации может служить изменение вида и структуры бактериальных колоний на твердых питательных средах.

Для обозначения диссоциирующих колоний используют первые буквы английских названий: S–колонии (англ. smooth — гладкий); R–колонии (англ. rough — шероховатый); М–колонии (англ. mucoid — слизистый) и D–колонии (англ. dwarf — карликовый).

SR–диссоциация — появление в чистой культуре, образующей S-формы колоний, R-форм колоний как внешнее проявление изменений свойств образующих их бактериальных клеток.

– инсерционная мутация, приводящая к утрате генов, контролирующих синтез полисахаридных звеньев ЛПС наружной мембраны КС (у E. coli);

– лизогенизация фагами (у C. diphtheriae);

– интеграция в хромосому R-плазмиды, транспозонов или IS-последовательностей;

– рекомбинации (у S. pyogenes).

Биологическое значение SR–диссоциации:в процессе диссоциации одновременно с изменением морфологии колоний изменяются другие свойства бактерий:

– R–формы более резистентны к физическим и химическим факторам внешней среды, дольше сохраняются в воде, молоке как факторах передачи инфекций;

– S–формы более резистентны к фагоцитозу и действию антител;

– так как диссоциации сопровождаются изменениями биохимических, морфологических, антигенных и вирулентных свойств возбудителей, это значительно усложняет этиологическую диагностику.

Популяционная изменчивость— изменчивость, возникающая в результате конкурентных отноше­ний в популяции бактерий между особями с различными генотипами. При этом происходит селективный отбор мутантных особей, потомство которых будет состав­лять все увеличивающуюся часть популяции, в резуль­тате чего изменяется генотипический состав и фенотипические свойства популяции в целом.

Практическое использование изменчивости

Практическое использование изменчивости:

– получение аттенуированных вакцинных штаммов;

– изучение механизмов антибиотикорезистентности;

– биотехнология (получение диагностических, лечебных и профилактических препаратов с помощью генно-инженерных методов);

– разработка биологического оружия (с этой целью отбираются вирулентные штаммы микроорганизмов, резистентные к антимикробным веществам);

– изменчивость патогенных микроорганизмов — основная движущая сила в развитии и совершенствовании систем защиты человека от чужеродной генетической информации. Микроорганизмы — важный фактор естественного отбора в человеческой популяции.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

1.Ядерные структуры бактерий- хроматиновые тельца или нуклеоиды (хромосомная ДНК). У бактерий одна замкнутая кольцевидная хромосома (до 4 тысяч отдельных генов)прикрепленная к одной из мезосом.Бактериальная клетка гаплоидна(поэтому у них нет явления доминантности), а удвоение хромосомы (репликация ДНК) сопровождается делением клетки. Вегетативная репликация хромосомной (и плазмидной) ДНК обусловливает передачу генетической информации по вертикали- от родительской клетки- к дочерней. Передача генетической информации по горизонтали осуществляется различными механизмами- в результате конъюгации, трансдукции, трансформации, сексдукции.

2.Кроме хромосомы, у бактерий имеются внехромосомныегенети­ческие элементы - плазмиды.Плазмиды- экстрахромосомный генетический материал (ДНК), более просто устроенные по сравнению с вирусами организмы, наделяющие бактерии дополнительными наследс­твенными признаками(полезными свойствами).Плазмида может быть элиминирована (удалена) из бактерии, что не влияет на ее жизнеспособность.По молекулярной массе плазмиды значительно меньше хромосомной ДНК, содержат от 40 до 50 генов.

В настоящее время известно свыше 20 типов плазмид у бактерий. Назовем некоторые из них :

F-плазмида, фактор фертильности (лат. fertilis - плодовитый), или половой фактор, определяет способность бактерий к образованию по­ловых ворсинок и к конъюгации, индуцируют деление.

R-плазмиды(resistance) определяют резистентность бактерий к лекарственным средствам. Передача R-плазмид от одних бактерий к другим приводит к быстрому распространению лекарственноустойчивых бактерий.

Col-плазмиды кодируют синтез колицинов (бактериоцинов)- антибактериаль­ных веществ, вызывающих гибель других бактерий того же илиродственных видов (антагонизм). Впервые они были обнаружены у Escherichia соli,отсюда и их название - колицины. Известны бактериоцины стафи­лококков (стафилоцины), палочек чумы (пестицины) и других бакте­рий. Наличие плазмидыбактериоциногенности придает бактериям се­лективные преимущества в биоценозах.

Ent-плазмиды определяют продукцию энтеротоксина.

Tox- плазмиды- токсинообразование.

Н1у-плазмида - гемолитическую активность.

Близкородственные плазмиды не способны стабильно сосуществовать, что позволило объединить их по степени родства в Inc- группы (incompatibility- несовместимость).

Биологическая роль плазмид многообразна, в том числе:

- контроль генетического обмена бактерий;

- контроль синтеза факторов патогенности;

- совершенствование защиты бактерий.

Бактерии для плазмид- среда обитания, плазмиды для них- переносимые между ними дополнительные геномы с наборами генов, благоприятствующих сохранению бактерий в природе.

Дополнительными генетическими элементами являются также профаги - геномы умеренных фагов, которые, встраиваясь в хромосому бак­терии, могут придавать ей определенные свойства. Например, tox-гены, кодирующие образование экзотоксинов коринебактерий дифтерии, клостридий ботулизма и др.

Понятие о генотипе и фенотипе.

Генотип- это общая сумма генов микроба. В отношении микро­организмов "генотип" означает то же, что "геном".

Фенотип- это весь комплекс свойств микроба, проявление генотипа в определенных, конкретных условиях существования.При изменении условий существования фенотип бактерий изменяется при сохранении генотипа.

Гены, ответственные за синтез какого-то соединения, обозначают строчными буквами латинского алфавита по названию соединения, например, при наличии гена, кодирующего синтез лейцина, - ieu + , при отсутствии - leu - . Гены, ответственные за резистентность к лекарствен­ным средствам, бактериофагам, ядам, обозначают буквой г (лат. resistentia), а чувствительные - буквой s (лат. sensitiv - чувствительный). Например, чувствительность к стрептомицину обозначают str 5 , резис­тентность str r . Фенотип бактерий обозначается теми же знаками, но с прописной буквы: соотвественноLeu + , Leir, Str 1 , Str 8 .

Изменчивость микроорганизмов

Наследственность- способность сохранения постоянства спе­цифических свойств организма на протяжении ряда поколений, то есть способность воспроизводить себе подобных.

Изменчивость- различие в свойствах между особями одного вида. Различают изменчивость наследственную и ненаследственную.

Ненаследственная или фенотипическая изменчивость (модифика­ции) не затрагивает геном микроба, не передается по наследству. Мо­дификации возникают в ответ на изменяющиеся условия окружающей среды. При устранении фактора, вызвавшего модификацию, измене­ние исчезает. Например, кишечная палочка только в присутствии лактозы продуцирует ферменты, разлагающие этот углевод. Стафило­кокки образуют фермент, разрушающий пенициллин, только в присут­ствии этого антибиотика. Примером модификаций является также образование L-форм бактерий под действием пенициллина и возврат к исходной форме после прекращения его действия.

Наследственная или генотипическая изменчивость возникает в ре­зультате изменения самого генома. Изменение генома может наступить в результате мутаций или рекомбинаций.

Мутации(лат. mutatio - изменение) - скачкообразные изменения наследственного признака Таким признаком может быть способность синтезировать какую-либо аминокислоту или резистентность к анти­биотику.

По происхождению мутации могут бытьгенные (изменения одного гена) и хромосомные (изменения двух или более двух участков хромосомы, спонтанными или индуци­рованными.Индуцированные мутации получают в эксперименте под влиянием мутагенов: радиации, некоторых химических веществ. Спон­танные мутации возникают под влиянием естественных факторов. Ча­стота спонтанных мутаций невелика, в среднем 1 на 10 млн. Образовавшиеся микробы называют мутантами. Если возникшая мута­ция выгодна для микроба и создает для него преимущества в определен­ных условиях среды, то мутанты выживают и дают многочисленное потомство. Если же мутация не создает преимуществ, мутанты поги­бают.

Мутации микроорганизмов могут иметь важное практическое зна­чение. Получены штаммы-мутанты грибов и актиномицетов, являю­щиеся продуцентами антибиотиков во много раз более активных, чем исходные культуры. Из мутантов с ослабленной вирулентностью мо­гут быть получены вакцинные штаммы для получения живых вакцин.

Диссоциациябактерий (лат. dissociatio - расщепление) - одно из про­явлений мутаций. В популяции микроорганизмов появляются особи, вырастающие при посеве на плотную питательную среду в виде глад­ких S-форм и шероховатых R-форм колоний (англ, smooth - гладкий, rough - шероховатый). S-формы колоний - круглые, влажные, с глад­кой блестящей поверхностью, с ровными краями. R-формы колоний неправильной формы, сухие, с изрезанными краями и шероховатой поверхностью.

Процесс диссоциации, то есть расщепления особей в популяции, обычно протекает в одном направлении: от S- к R-форме, иногда через промежуточные формы. У большинства видов бактерий вирулентны­ми являются S-формы. Исключение составляют возбудители,чумы, си­бирской язвы, туберкулеза.

Генетические рекомбинации- (лат. recombinatio - перестановка) у бак­терий - это передача генетического материала (ДНК) от клетки-донора к клетке-реципиенту, в результате появляются рекомбинанты с новыми свойствами.

Генетические рекомбинации могут осуществляться путем трансформации, трансдукции, конъюгации, слияния протопластов

Трансформация (лат. transformatio - превращение) - передача ДНК в виде свободного растворимого ве­щества, выделенного из клетки до­нора, в клетку реципиента. При этом рекомбинация происходит, если ДНК донора и реципиента родствен­ны друг другу, и может произойти обмен гомологичных участков сво­ей и проникшей извне ДНК. Впер­вые явление трансформации открыл Ф. Гриффите в 1928 г. Он ввел мы­шам живой невирулентный бескап-сульныйштамм пневмококка и одновременно убитый вирулентный кап-сульный штамм пневмококка Мыши погибли, из их крови была выделе­на живая культура вирулентного капсульного пневмококка Сам Гриф­фите считал, что трансформация произошла путем поглощения невиру­лентным пневмококком капсульного вещества вирулентного штамма Позже, в 1944 г О Эвери, К Мак Леод и М Мак-Карти доказали, что трансформирующее вещество - это ДНК, которая является носителем генетической информации Гак впервые была доказана роль ДНК как материального субстрата наследственности

Трансдукция(лат transductio - перенос) - передача ДНК от бакте­рии-донора к бактерии-реципиенту с помощью бактериофагаРазли­чают неспецифическую трансдукцию, специфическую и абортивную

При неспецифической трансдукции может быть перенесен любой фрагмент ДНК донора При этом ДНК донора попадает в головку бак­териофага, не включаясь в его геном Принесенный бактериофагом фрагмент ДНК донора может включиться в хромосому реципиента. Та­ким образом, бактериофаг в этом случае является только переносчиком ДНК, сама фаговая ДНК не участвует в образовании рекомбинанта.

При специфической трансдукции гены хромосомы донора замеща­ют собою некторые гены бактериофага В клетке реципиента фаговая ДНК вместе с фрагментом хромосомы донора включается в строго оп­ределенные участки хромосомы реципиента в виде профага Реципи­ент становится лизогенным и приобретает новые свойства.

Трансдукция называется абортивной, если фрагмент ДНК, при­несенный бактериофагом, не вступает в рекомбинацию с хромосомой реципиента, а остается в цитоплазме и может кодировать синтез како­го-то вещества, но не реплцируется при делении, передается только одной из двух дочерних клеток и затем утрачивается.

Конъюгация (лат. conjugatio - соединение) - это переход ДНК из клетки-донора ("мужской") в клетку-реципиент ("женскую") через по­ловые пили при контакте клеток между собой. Донором является "муж­ская" клетка (F + -клетка), она содержит F-фактор - половой фактор, который кодирует образование половых пилей. Клетки, не содержа­щие F-фактора (F - -клетки), являются женскими. При конъюгации клет­ки-доноры соединяются с клетками-реципиентами с помощью F-пилей, через которые происходит переход ДНК. Если клетка-реципиент полу­чает F-фактор, она становится "мужской" F + -клеткой.

Если F-фактор включен в хромосому, то бактерии способны пе­редавать фрагменты хромосомы и называются Hfr-клетками (англ, highfrequency of recombination - высокая частота рекомбинации). При конъ­югации хромосома разрывается в месте нахождения F-фактора и реплицируется, причем одна нить ДНК передается в клетку реципиента, а ко­пия остается в клетке донора. F-фактор включается в хромосому в опре­деленном ее участке, поэтому перенос отдельных генов хромосомы со­вершается в строго определенное время. Таким образом, прерывая про­цесс конъюгации через разные промежутки времени путем встряхива­ния взвеси бактерий, можно выяснить, какие признаки передаются за это время. Это позволяет построить карту хромосомы, то есть последо­вательность расположения генов в хромосоме. Перенос всей хромосомы может длиться до 100 минут. F-фактор при этом переносится последним.

Особенности генетики вирусов

Модификации.Ненаследуемые изменения у многих вирусов про­исходят в результате включения в состав их внешней оболочки липидов и углеводов клеток хозяина, в которых вирус репродуцируется.

Мутации.Спонтанные мутации возникают в результате ошибок при репликации генома вируса. Индуцированные мутации происхо­дят под действием мутагенов. Одни из них (азотистая кислота) влияют на внеклеточный вирион, другие (акридин, аналоги азотистых осно­ваний) - на процесс репликации вирусной нуклеиновой кислоты в клет­ке. Мутанты отличаются от исходных вирусов по строению и величине бляшек, которые они образуют в культуре клеток, по антигенам, по чувствительности к температуре.

Рекомбинации.При одновременном паразитировании двух виру­сов в одной клетке хозяина возможен обмен генетическим материалом между ними. В результате генетической рекомбинации происходит об­мен участками HK между разными вирусами, и образуются рекомбинанты, обладающие генами двух исходных вирусов. Вирус гриппа имеет геном, состоящий из восьми фрагментов РНК. При одновремен­ной репродукции в одной клетке двух разных вирусов гриппа между ними может происходить обмен генами. Образовавшинесярекомбинанты будут представлять собой новый тип вируса гриппа.

При одновременном паразитировании двух видов вируса в одной клетке в момент формирования зрелых вирионов возможно фенотипическое смешивание, когда геном одного вируса одевается капсидом другого вируса (феномен транскапсидации). Так, например, известны случаи, когда геном вируса иммунодефицита человека (ВИЧ) оказыва­ется включенным в белковый капсид другого вируса. В результате та­кой вирус приобретает способность поражать такие виды клеток, ко­торые были нечувствительны к исходному вирусу.

Дата добавления: 2018-05-12 ; просмотров: 1608 ;