Передача генетической информации у бактерий
Передача генетического материала от клетки-донора в клетку-реципиент путем непосредственною контакта клеток называется конъюгацией.
Передача генетического материала от клетки-донора в клетку-реципиент впервые была обнаружена Дж. Ледербергом и Э. Тейтумом в 1946 г.
Необходимым условием для конъюгации является наличие в клетке-доноре трансмиссивной плазмиды.
Трансмиссивные плазмиды кодируют половые пили, образующие конъюгационную трубочку между клеткой-донором и клеткой-реципиентом, по которому плазмидная ДНК передается в новую клетку. Механизм передачи плазмидной ДНК из клетки в клетку заключается в том, что специальный белок, кодируемый tra-опероном, «узнает» определенную последовательность в ДНК плазмиды (называемую origin — начало, англ., перено-
са), вносит в эту последовательность однопе-почечный разрыв и ковалентно связывается с 5′-концом. Затем цепь ДНК, с которой связан белок, переносится в клетку-реципиент, а неразорванная комплементарная цепь остается в клетке-доноре. Клеточный аппарат синтеза ДНК достраивает одиночные цепи и в доноре и в реципиенте до двухцепочечной структуры. Белок связанный с 5′-концом перенесенной цепи, способствует замыканию плазмиды в реципиентной клетке в кольцо. Этот процесс представлен на рис. 5.4, 1А на примере переноса в реципиентную клетку плазмиды F
клетка-реципиент приобретает донорские свойства (см. рис. 5.4, 1А).
Если F-фактор или другая трансмиссивная плазмида встраиваются в хромосому клетки-донора, то плазмида и хромосома начинают функционировать в виде единого трансмиссивного репликона, что делает возможным перенос бактериальных генов в бесплазмидную клетку-реципиент, т. е. процесс конъюгации. Штаммы, в которых плазмида находится в интегрированном состоянии, переносят свои хромосомные гены бесплазмидным клеткам с высокой частотой и поэтому называются Hfr (от англ. high frequency of recombination — высокая частота рекомбинации)
Процесс переноса хромосомных генов в случае скрещивания: Hfr xF
всегда начинается с расщепления ДНК в одной и той же точке, месте интеграции F-фактора или другой трансмиссивной плазмиды. Одна нить донорской ДНК передается через конъюгационный мостик в реципиентную клетку. Процесс сопровождается достраиванием комплементарной нити до образования двунитчатой структуры. Перенос хромосомных генов при конъюгации всегда имеет одинаковую направленность, противоположную встроенной плазмиде. Сама трансмиссивная плазмида передается последней. Переданная в реципиентную клетку и до-
строенная до двунитчатой структуры нить ДНК донора рекомбинирует с гомологичным участком реципиентной ДНК с образованием стабильной генетической структуры. Вследствие хрупкости конъюгационного мостика половой фактор редко передается в клетку-реципиент, поэтому образовавшиеся рекомбинант донорскими функциями как правило не обладает.
Вследствие направленности передачи генов конъюгация используется для картирования генома бактерий и построения генетической карты.
Трансдукцией называют передачу бактери-альной ДНК посредством бактериофага.
Этот процесс был открыт в 1951 г. Н. Циндером и Дж. Ледербергом. В процессе репликации фага внутри бактерий (см. разд. 3.5) фрагмент бактериальной ДНК проникает в фаговую частицу и переносится в реципиен-тную бактерию во время фаговой инфекции. Существует два типа трансдукции:
общая трансдукция — перенос бактериофагом фрагмента любой части бактериальной хромосомы — происходит вследствие того, что бактериальная ДНК фрагментируется после фаговой инфекции и кусочек бактериальной ДНК того же размера, что и фаговая ДНК, проникает в вирусную, формируя дефектную фаговую частицу с частотой приблизительно 1 на 1000 фаговых частиц (рис. 5.4, 2А). При инфицировании клетки-реципиента дефектной фаговой частицей ДНК клетки-донора «впрыскивается» в нее и рекомбинирует гомологичной рекомбинацией с гомологичным участком хромосомы-реципиента с образованием стабильного рекомбинанта. Этим типом трансдукции обладают Р-фаги;
специфическая трансдукция — наблюдается в том случае, когда фаговая ДНК интегрирует в бактериальную хромосому с образованием профага. В процессе исключения ДНК-фага из бактериальной хромосомы в результате случайного процесса захватывается прилегающий к месту включения фаговой ДНК фрагмент бактериальной хромосомы, становясь дефектным фагом (рис. 5.4, 2Б). Так как большинство умеренных бактериофагов
интегрирует в бактериальную хромосому в специфических участках, для таких бактериофагов характерен перенос в клетку-реципиент определенного участка бактериальной ДНК клетки-донора. ДНК дефектного фага рекомбинирует с ДНК клетки-реципиента сайт-специфической рекомбинацией. Рекомбинант становится меродиплоидом по привнесенному гену. В частности, бактери-офагпередает специфической трансдукцией gal-ген у Е. coli.
Феномен трансформации впервые был описан в 1928 г. Ф. Гриффитсом, обнаружившим превращение бескапсульного R-штамма пневмококков (Streptococcus pneumoniae) в штамм, образующий капсулу S-формы. Гриффите ввел мышам одновременно небольшое количество авирулентных R-клеток и убитых нагреванием S-клеток. R-клетки были получены от штамма, капсульное вещество которого принадлежало к типу S II, а убитые нагреванием S-штаммы принадлежали к типу SIII. Из крови погибших мышей были выделены вирулентные пневмококки с капсулой S III.
Природу трансформирующего фактора в 1944 г. установили О. Эвери, К. Мак-Леод, М. Мак-Карти, которые показали, что ДНК, экстрагированная из инкапсулированных пневмококков, может трансформировать не-капсулированные пневмококки в инкапсулированную форму. Таким образом, было доказано, что именно ДНК является носителем генетической информации.
Процесс трансформации может самопроизвольно происходить в природе у некоторых видов бактерий, чаще у грамположительных, когда ДНК, выделенная из погибших клеток, захватывается реципиентными клетками.
Процесс трансформации зависит от компетентности клетки-реципиента и состояния донорской трансформирующей ДНК. Компетентность — это способность бактериальной клетки поглощать ДНК. Она зависит от присутствия особых белков в клеточной мембране, обладающих специфическим аффинитетом к ДНК. Состояние компетентности у грамположительных бактерий связано с определенными фазами кривой роста.
Трансформирующей активностью обладает только двунитчатая высокоспирализо-ванная молекула ДНК.
Это связано с тем, что в клетку-реципиент проникает только одна нить ДНК, тогда как другая — на клеточной мембране — подвергается деградации с освобождением энергии, которая необходима для проникновения в клетку сохранившейся нити. Высокий молекулярный вес трансформирующей ДНК увеличивает шанс рекомбинации, так как внутри клетки трансформирующая нить ДНК подвергается воздействию эндонуклеаз. Интеграция с хромосомой требует наличия гомологичных с ней участков у трансформирующей ДНК. Рекомбинация происходит на одной нити, в результате чего образуется гетеродуплексная молекула, одна нить которой имеет генотип реципиента, а другая — рекомбинантный генотип. Рекомбинантные трансформанты формируются только после цикла репликации (рис. 5.4, 3).
В настоящее время этот метод является основным методом генной инженерии, используемым при конструировании рекомбинант-ных штаммов с заданным геномом.
Дата добавления: 2016-02-04 ; просмотров: 2522 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Источник
Способы передачи наследственной информации у бактерий
11. Механизмы передачи генетического материала у бактерий: конъюгация, трансдукция, трансформация.
Рекомбинация между геномами бактерий осуществляется 3-мя механизмами: конъюгацией, трансдукцией и трансформацией
Трансформация – передача генетической информации через выделенную из клетки-донора ДНК.
1928г. Ф Гриффит (опыт с вирулентнотью пневмококков)
По происхождению ДНК может быть плазмидной или хромосомной и нести гены, трансформирующие реципиента. Подобным путем среди бактериальных популяций могут распространять гены, кодирующие факторы вирулентности, однако в обмене генетической информацией трансформация играет незначительную роль.
Трансформирующей активностью обладает только двунитчатая высокоспирализованная ДНК.
В клетку-реципиент проникает только одна нить ДНК, другая – в клеточной мембране подвергается деградации с освобождением энергии, необходимой для проникновения в клетку второй нити ДНК.
Интеграция с хромосомой требует наличия гомологичных участков с трансформирующей ДНК.
Процесс трансформации зависит от компетентности клетки-реципиента и состояния трансформирующей донорской ДНК.
Компетентность клеток бактерий (способность воспринимать трансформирующую ДНК) зависит от присутствия в ЦПМ особых белков, обладающих специфическим аффинитетом к ДНК. Компетентность зависит от фазы роста бактериальной культуры, вида бактерий. Может увеличиваться при обработке культуры раствором хлорида кальция при пониженной температуре.
Трансформация служит хорошим инструментом для картирования хромосом, поскольку трансформированные клетки включают различные фрагменты ДНК. Определение частоты одновременного приобретения двух заданных характеристик (чем ближе расположены гены, тем более вероятно, что они оба включатся в один и тот же участок ДНК) дает информацию о взаиморасположении соответствующих генов в хромосоме.
Трансформация является основным методом генной инженерии, используемым при конструировании рекомбинантных штаммов с заданным геномом.
Трансдукция – передача бактериальной ДНК посредством бактериофага.
1952г. Дж. Ледебург и Н. Циндер (опыты с сальмонеллами)
Так как трансдуцируются лишь небольшие фрагменты ДНК, вероятность рекомбинации, затрагивающей какой-то определенный признак, очень мала: она составляет от 10 -6 до 10 -8 .
· Общая (неспецифическая) трансдукция – перенос бактериофагом фрагмента любой части бактериальной хромосомы. Феномен неспецифической трансдукции может быть использован для картирования бактериальной хромосомы.
● Специфическая трансдукция – фаговая ДНК интегрирует в бактерию с образованием профага. При исключении ДНК фага из бактериальной хромосомы захватывается прилегающий к месту включения фаговой ДНК фрагмент бактериальной хромосомы. Специфическая трансдукция может служить механизмом переноса вирулентных генов среди бактерий при условии, что эти гены локализованы в непосредственной близости от мест интеграции профага.
● Абортивная трансдукция . При абортивной трансдукции внесенный фрагмент ДНК донора не встраивается в хромосому реципиента, а остается в цитоплазме и там самостоятельно функционирует. Впоследствии он передается одной из дочерних клеток (т.е. наследуется однолинейно) и затем теряется в потомстве.
Обязательное условие – трансмиссивная плазмида ( F , R ), обладающая tra -опероном .
Интегративной трансмиссивной плазмидой является F -фактор . Донорские клетки, имеющие встроенный в хромосому F -фактор, называются Hfr -клетками.
Биологическое значение конъюгации хорошо видно на примере распространения резистентности бактерий к антибиотикам. Устойчивость к антибиотикам бактерия может получить в результате мутации, что происходит 1 раз на каждые 106 клеточных делений. Изменившаяся генетическая информация может быстро распространяться среди сходных бактерий посредством конъюгации.
Источник
Особенности строения генетического аппарата и способы передачи наследственной информации у бактерий и вирусов. Генная инженерия и ее основные достижения.
В состав нуклеотида бактерий входят ДНК, РНК и белки. Число нуклеотидов в бактериальной клетке может варьировать от одного (в культурах, находящихся в стационарной фазе роста) до двух (в стадии задержки размножения после переноса клеток в свежую среду) и четырех (в культурах с постоянной скоростью роста). Каждый нуклеоид содержит двухцепочечную замкнутую в кольцо молекулу ДНК. В молекуле ДНК нуклеотида закодирована вся генетическая информация, необходимая для жизнедеятельности клетки, поэтому нуклеотид рассматривают как бактериальную хромосому. Хромосомы имеют кольцевое строение. Гигантская молекула ДНК бактериальной хромосомы поддерживается связанными с ней молекулами РНК и белка в форме компактной структуры, свернутой в отдельные сверхспирализованные петли (домены), число которых колеблется от 12 до 80.
Помимо хромосомной ДНК в состав генома многих прокариот входят также сверхскрученные, ковалентно-замкнутые кольцевые молекулы внехромосомной, или плазмидной, ДНК.
Способы передачи наследственной информации у бактерий:
1.трансформация – перенос изолированных фрагментов мол-лы ДНК из одного орг-ма к другому.
2.трансдукция это способность переносить наследственную инф-ю от одного орг-ма к др. при помощи вирусов.
3.конъюгация – обмен наследственной информацией.
Вирусы, представляют собой частицы (вирионы), стоящие на грани между живой и неживой природой и обладающие инфекционными свойствами. В дословном переводе термин «вирус» обозначает яд, ядовитое вещество.
Генетический материал вируса представлен одной молекулой нуклеиновой кислоты, ДНК или РНК, не связанной с белком. В связи с этим вирусы подразделяются на ДНК- и РНК-содержащие. Вирусы бактерий чаще содержат ДНК, а почти все вирусы растений и подавляющее большинство вирусов человека — РНК.
Нуклеиновая кислота вируса бывает одно- или двухцепочечной и может иметь кольцевую или линейную форму. Кольцевая форма ДНК более стабильна и свойственна большинству вирусов. Кольцо ДНК (РНК) обычно бывает перекручено, поэтому она имеет суперспирализованный вид.
В нуклеиновой кислоте вируса закодирована информация о всех его структурных белках. Многие вирусы содержат гены специфических полимераз (репликаз) — ферментов, контролирующих репликацию молекул нуклеиновых кислот. Но чаще вирусы используют для репликации ферменты клетки-хозяина. Некоторые мелкие вирусы содержат только три гена. Гены вирусов могут существовать в виде фрагментов ДНК, разделенных генетически инертными нуклеотидными последовательностями. Эти последовательности в момент работы генов «вырезаются», и целостность генетической информации восстанавливается.
Генетическое вещество у вирусов заключено в белковую оболочку, которая вместе с нуклеиновой кислотой образует так называемый капсид или нуклеокапсид. Большинство вирусов растений и РНК-содержащих бактериальных фагов состоит только из нуклеиновой кислоты и белка.
Генная инженерия – это комплекс действий, направленных на реорганизацию (перестройку) наследственного материала. Целью ГИ явл-ся создание новых гибридных форм эукариот и прокариот не половым путем, а методом гибридизации мол-лы ДНК (перенос ген-ой инф-ции из 1 орг-ма в др.). Включает следующие этапы:
1.получение ген-го материала.
2.включение этого материала в автономно реплицирующуюся генетт-ю стр-ру и создание рекомбинантной ДНК.
3.введение рекомбинантной мол-лы ДНК в кл.-реципиент и вкл. ее в хромосомный аппарат.
4.отбор трансформированных кл. в геном кот. вкл. переносимый ген.
Способы получения генов для пересадки
1.синтезирование хим-м путем.
2.метод ферментативного синтеза.
3.с помощью фер-тов рестриктаз.
4.клонирование (размножение кл. с рекомб-ной ДНК).
Основные достижения ГИ.На основе генной инженерии можно наладить промышленное производство витаминов, аминокислот, ферментов, гормонов и т. д. В настоящее время уже освоено промышленное производство белка инсулина (гормона поджелудочной железы для лечения диабета) и интерферонов — белков, подавляющих размножение вирусов. Генная инженерия используется в медицинской практике получения вакцин и сывороток.
Генная инженерия позволяет конструировать и эукариотические клетки с новой генетической программой. В настоящее время получают гибриды соматических клеток разных видов и даже животных и растений. Созданы растения, способные усваивать атмосферный азот, что в будущем не только обогатит растительную пищу белками, но сделает ненужным применение азотсодержащих удобрений и благоприятно скажется на чистоте окружающей среды.
Успехи генной инженерии позволили решить ряд фундаментальных проблем биологии. Так, с ее помощью были обнаружены мозаичное, экзонинтронное, строение гена у эукариот, структурные особенности и механизмы активности генов имуноглобулинов, выделены гены, ответственные за развитие злокачественных опухолей, расшифрована их полная нуклеотидная последовательность, выяснены некоторые механизмы дифференциальной активности генов в онтогенезе.
СЕЛЕКЦИЯ КАК НАУКА И ТЕХНОЛОГИЯ. ИСХОДНЫЙ МАТЕРИАЛ В СЕЛЕКЦИИ. СИСТЕМЫ СКРЕЩИВАНИЯ И МЕТОДЫ ОТБОРА В СЕЛЕКЦИЮ, ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В СЕЛЕКЦИИ ДОСТИЖЕНИЙ ГЕНЕТИКИ.
Селекция –это наука и методах создания новых и улучшения существующих штампов микроорганизмов, сортов растений и пород животных.
Породой, сортом, штаммом называют популяцию организмов, искусственно созданную человеком и характеризующуюся определенными наследственными особенностями. Все особи внутри породы, сорта, штамма имеют сходные наследственно закрепленные св-ва: продуктивность, определенный комплекс физиологических и морфологических св-в, а также однотипичную реакцию на факторы внешней среды.
Наличие наследственной изменчивости позволяет путем различных систем скрещивания сочетать определенные наследственные признаки в одном организме, а также избавляться от нежелательных св-в.
Система скрещивания
Методы скрещивания 1. родственное (самоопыление)
(разведения): 2. Неродственное: — внутрипородное
Родственным скрещиванием (инбридинг) называют скрещивание особей, имеющих близкую степень родства:
Неродственное скрещивание-аутбридинг. Служит важным методом селекции. С его помощью комбинируют различные ценные признаки для создания новой породы или сорта.
Пример: чтобы повысить живой вес кур породы с маленьким весом, их можно скрестить с другой породой, характеризующейся большим живым весом. Гибридные куры первого поколения по весу будут занимать промежуточное положение. Но если их скрестить с такими же гибридными петухами, то во F2 произойдет расщепление на различные по весу особи. Породы еще не будет, но в этом поколении могут встретиться нужные сочетания признаков.
Отдаленная гибридизация – скрещивание форм, относящихся к разным видам и родам. В селекции получила наибольшее значение у растений, и прежде всего вегетативно-размножаемых. Ее широко использовали многие селекционеры для выведения сортов плодовых и ягодных растений, совмещающих в себе ряд таких ценных качеств, как морозостойкость, устойчивость к заболеваниям. Вегетативное размножение отдаленного гибрида снимает проблему стерильности. Так скрещивание диких иммунных к вирусным заболеваниям видов сахарного тростника с культурными формами позволило в 3 раза повысить продукцию сахара.
У животных: скрестили тонкорунных грубошерстных овец с диким бараном – Архаром была создана тонкорунная порода. Архаро – мерино, приспособленное к высокогорным пастбищным условиям.
В селекциях микроорганизмов гибрид двух дрожжей: Saccharomyces cerevisiae и S. Carlsbergensis сочетает ферменты, гидролизирующие сахара обоих видов. В силу этого он дает повышенный выход спирта и патоки. Этот гибридный штамм может неограниченно долго размножаться вегетативно не давая расщепления.
Основные задачи современной селекции:
— повышение урожайности сортов культурных растений
— повышение продуктивности пород домашних животных
— повышение продуктивности штаммов микроорганизмов
С целью изучения многообразия и географического распространения культурных растений Н.И Вавилов организовывал многочисленные экспедиции. В результате выделены центры происхождения культурных растений:
1)Южноазиатский – рис, сахарный тростник, цитрусовые.
Источник
