Комбинативные изменения. Трансдукция, трансформация и конъюгация. Генетические рекомбинации (трансдукция, конъюгация, трансформация), их механизм и значение в изменчивости Механизмы передачи генетической информации трансформация трансдукция конъюгация

ГЕНЕТИЧЕСКИЕ РЕКОМБИНАЦИИ у эукариот совершаются в процессе полового размножения путем взаимного обмена фрагментами хромосом, при этом из двух родительских хромосом образуются две рекомбинантные, т.е. возникают две рекомбинантные особи.

У прокариотов нет полового размножения Þ в результате внутригеномных перестроек: изменение локализации генов в пределах хро­мосомы, или при проникновении в # реципиента части ДНК донора → формирование мерозиготы, т.е. образу­ется только ОДИН РЕКОМБИНАТ.

ГенР происходят при участии ферментов в пределах отдельных генов или групп сцеплений ге­нов. Существуют специальные REC–ГЕНЫ, определяющие способность бактерий к рекомбинациям. Передача генетического ма­териала от Б! к Б! про­исходит путем трансформации, трансдукции и конъюгации, а плазмидных генов - путем трансдукции и конъюгации.

ТРАНСФОРМАЦИЯ – непосредственная передача генетического материала (фрагмента ДНК) донора Рец#. (Впер­вые Гриффитс – опыт с живым авирулентным бескапсульным штаммом пневмококка, к/й стал вирулентным при обработке экстрактом убитых капсульных пневмококков.)

С донорной ДНК в реципиентную клетку обыч­но передается только один ген, т.к. фрагмент ДНК, который может проник­нуть в Рец# очень маленький. Трансформации поддаётся только часть клеток Б!! популяции – КОМПЕ­ТЕНТНЫМИ. Состояние компетентности (когда стенка Б! проницаема для высокополимерных (Мг=0,5–1 млн) фрагментов ДНК) возникает обычно в конце LOG–ФА­ЗЫ.

Фазы про­цесса трансформации:

1) адсорбция ДНК-донора на Рец#;

2) про­никновение ДНК внутрь Рец# и деспирализация ДНК.

3) соединение лю­бой из двух нитей ДНК донора с гомологичным участком хромосомы реципиента и последующая рекомбинацией.

Эффективность зависит от СТЕПЕНИ ГОМОЛОГИЧНОСТИ ДНК донора и реципиента, что определяет конечный результат, т. е. количество формирую­щихся рекомбинантов (трансформантов) Þ межвидовая трансформация происходит гораздо реже, чем внутривидовая.

ТРАНСДУКЦИЯ – передача генетического материала с помощью фагов. Различают три типа трансдукции:

Неспецифическая (общая). В момент сборки фаговых частиц в их головку может проникнуть ЛЮБОЙ фрагмент ДНК Б!–донора. Вместе с фаговой ДНК пере­носятся любые гены донора и включаются в гомологичную область ДНК Рец# путем рекомбинации. Фаги только пере­носят генетического материала

Специфическая – фаг переносит ОПРЕДЕЛЕННЫЕ гены при выщеплении профага из Б! хромосомы вместе с рядом расположенными генами, при этом фаг становится дефектным. При взаимодействии фага с Рец# происходит включение гена донора и дефектного фага в хромосому РецБ!, а Б!! становятся не­восприимчивыми к последующему заражению вирулентным фагом.

Абортивная – фрагмент ДНК бактерии-донора не включается в хромосому РецБ!, а располагается в цитоплазме и в таком виде функционирует. Во время деления этот фрагмент ДНК передаётся только одной дочерней #, и в конечном итоге утрачиваться в потомстве.

КОНЪЮГАЦИЯ – перенос генетического материала из клетки-донора в клетку реципиента при их СКРЕЩИВАНИИ. Доноры – ## с F-плазмидой (половой фактор). При скрещивании F+ с F– # половой фактор пере­дается независимо от хромосомы донора, при этом почти все Рец# становятся F+.

F-плазмида может интегрировать в Б! хромосому. В некоторых случаях она освобождается, захватывая при этом сцепленные с ней Б! гены (обозначаются с указанием включенного гена: F-lac).

1) прикрепление клетки-донора к Рец# с помощью SEX-ПИЛЕЙ

2) образование конъюгационного МОСТИКА, через который передаётся F-фактор и другие плазмиды, находящиеся в цитоплазме донора.

3) разрыв одной из цепей ДНК (в месте включения F-плазмиды) при участии эндонуклеазы. Один конец ДНК проникает в Рец# и сразу же достраивается до 2-нитевой структуры. При переносе захватывается часть ДНК Б!-донора – Hfr-штаммы (HIGH FREQUENCY OF RECOMBINATION). При скрещивании Hfr-штамма с F–# F-фактор, не передается (т.к. конъюгационный мостик разрывается, а F-фактор расположен в дистальной части хромосомы). Передаются только гены Б! хромосомы, расположенные вблизи начала переноса (О–точка (origin)).

4) На ОСТАВШЕЙСЯ в # нити ДНК синтезируется 2 цепочка.

22. Споры и спорообразование у микроорганизмов, свойства спор, методы обнаружения спор.

Спорообразование наблюдается в условиях, неблагоприятных для вегетативных форм. У бактерий выделяют 3 вида спор:

– ЭНДОСПОРЫ (истинные споры) – располагаются внутри#, имеют высокий коэффициент светопреломления.

– АРТОСПОРЫ – обр-ся в рез фрагментации вегетирующих Б!!

– ХЛАМИДИОСПОРЫ (микроцисты) – формируются в рез утолщения стенок вегетирующей # и накопления запасных пит в-в.

К спорообразованию способна лишь небольшая группа эубактерий, а из патогенных для чка только – Clostridium и Bacillus. Каждая вегетативная # образует 1 эндоспору. Споры УСТОЙЧИВЫ к t°С, высыханию, радиации и химическим в-вам (включая 70° этанол). Могут сохраняться оч длительное время. Предположительно споры могут храниться в сухой почве до 1000 лет, но фактически уже за 50 лет 90% спор теряют жизнеспособность.

Морфологически споры м.б. круглыми, овальными, эллиптическими, некоторые снабжены «рёбрами жесткости».

ПРОЦЕСС СПОРУЛЯЦИИ начинается сразу при возникновении дефицита питательных в-в и длится около 8ч, при этом никаких внешних источников питания или энергии не требуется. Стимулируют – глюкоза, Р и NH 4 , угнетают –пептон, лактоза, NaCl, CaCl 2 . Выделяют след ЭТАПЫ:

1) Подготовительная стадия – прекращается деление, начинается накопление липидных включений.

2) Стадия предспоры – появляется эллиптическая оболочка, окружающая участок цитоплазмы с изменённой плотностью и тинкториальными свойствами.

3) Формирование оболочки

4) Стадия созревания споры – происходит её уплотнение и прекращение любых перемещений в #–спорангии.

5) Разрушение родительской #.

6) В оптимальных условиях происходит прорастание споры. Сначала она активно поглощает воду и набухает, усиливается дыхание, возрастает активность ферментов, происходит выделение АК – активация метаболизма (в этот период спора УТРАЧИВАЕТ ТЕРМОРЕЗИСТЕНТНОСТЬ). Затем спора лопается и из неё выходит вегетативная форма.

Рекомбинация – совокупность процессов, связанных с замещением участка исходной нуклеиновой кислоты на гомологичный (сходный) участок.

При этом степень гомологии может быть различной: от полной идентичности исходной и новой нуклеотидных последовательностей до заметных расхождений, приводящих к изменению фенотипа. В результате рекомбинации образуются новые сочетания аллелей, например: AB + ab → Ab + aB.

У прокариот существует три способа включения в геном чужеродной ДНК: трансформация, конъюгация и трансдукция.

Трансформация

Трансформацией называется перенос чистой ДНК из одних клеток в другие. Трансформация была открыта бактериологом Ф. Гриффитсом в 1928 г. в опытах с пневмококками. У пневмококков известно два типа штаммов: S– и R–формы.

S–форма характеризуется наличием полисахаридной капсулы, благодаря чему при искусственном культивировании она образует гладкие блестящие колонии; эта форма патогенна для мышей. R–форма не имеет капсулы, при искусственном культивировании она образует шероховатые колонии; эта форма непатогенна для мышей. Но если мышам одновременно ввести убитые S-клетки и живые R-клетки, то мыши погибают. Следовательно, генетические свойства одного штамма влияют на генетические свойства другого штамма.

В 1944 г. О. Эвери, К. МакЛеод и М. МакКарти доказали, что изменение наследственных свойств клеток связано с переносом ДНК.

Способность клетки к трансформации возможна при особом ее состоянии, которое называется компетентностью. У компетентных клеток изменяется состав клеточной стенки и плазмалеммы: стенка становится пористой, плазмалемма образует многочисленные впячивания, а на внешней поверхности появляются особые антигены – факторы компетентности (в частности, специфические белки с низкой молекулярной массой).

В природных условиях внеклеточная чистая ДНК образуется при гибели (лизисе) прокариот.

Как правило, трансформация происходит в пределах одного вида прокариот, но при наличии гомологичных генов наблюдается и межвидовая трансформация.

Процесс трансформации включает следующие стадии:

1. Присоединение трансформирующей двунитевой ДНК к рецепторам на поверхности клетки–реципиента.

2. Превращение двунитевой ДНК в однонитевую.

3. Проникновение однонитевой ДНК в клетку.

4. Интеграция трансформирующей ДНК в хромосому реципиента и рекомбинация генетического материала.

Длина трансформирующей ДНК должна быть от 500 до 200 тысяч пн. Энергия, выделяющаяся при деградации одной из нитей ДНК, используется для активного транспорта оставшейся нити вовнутрь клетки.

Первые три стадии трансформации не зависят от нуклеотидного состава ДНК. Однако процесс интеграции трансформирующей ДНК в хромосому реципиента более вероятен при высокой гомологичности этой ДНК по отношению к ДНК реципиента.

Процесс трансформации изображен на схеме. Каждый отрезок прямой соответствует одной цепи ДНК. Трансформирующая ДНК обозначена черным цветом, а ДНК клетки–реципиента – серым цветом.

На первой стадии трансформирующая ДНК присоединяется к рецепторным сайтам на поверхности клетки–реципиента.

На втором этапе двунитевая ДНК на поверхности клетки превращается в однонитевую за счет расщепления одной из нитей бактериальными нуклеазами.

На третьем этапе оставшаяся нить ДНК транспортируется через мембрану в цитоплазму. При этом используется энергия, выделившаяся при деградации комплементарной цепи.

При репликации бактериальной хромосомы трансформирующая нить ДНК присоединяется к гомологичному (частично комплементарному) участку ДНК клетки–реципиента. При этом из-за отсутствия полной комплементарности образуется гетеродуплекс («молекулярная гетерозигота») – участок двунитевой ДНК, на котором не во всех нуклеотидных парах азотистые основания связаны водородными связями. Остальная часть ДНК реплицируется нормальным образом.

После окончания репликации ДНК клетка–реципиент делится с образованием двух клеток: частично трансформированной клетки с хромосомой, включающей гетеродуплексный участок ДНК, и нетрансформированной клетки. При репликации ДНК в частично трансформированной клетке на обеих цепях ДНК происходит достраивание комплементарных цепей. Одна цепь сохраняет исходные последовательности нуклеотидов, а другая становится полностью трансформированной. После деления частично трансформированной клетки образуется одна нетрансформированная клетка и одна полностью трансформированная, у которой исходная последовательность нуклеотидов замещена на последовательность нуклеотидов трансформирующей ДНК.

Таким образом, при трансформации происходит замещение генов реципиента на гомологичные нуклеотидные последовательности. Чем выше степень гомологии, тем успешнее протекает трансформация.

Частота трансформации у прокариот зависит от свойств трансформирующей ДНК, от ее концентрации, от состояния клетки–реципиента, от вида бактерий. Максимальная частота трансформированных клеток не превышает 1 на 100 клеток.

Трансформация известна и для эукариот. Однако на поверхности эукариотических клеток отсутствуют рецепторные сайты, и трансформирующую ДНК вводят в клетки искусственно. Например, в яйцеклетки животных ДНК вводят путем прямой микроинъекции, а в яйцеклетки растений – путем микроинъекции в пыльцевую трубку. Широко используются методы биобаллистики (биолистики), позволяющие вводить любые фрагменты ДНК в культуры тканей растении.

Конъюгация

Конъюгацией у прокариот называется прямой контакт двух разнокачественных клеток, сопровождаемый хотя бы частичным переносом генетического материала от клетки-донора к клетке-реципиенту. (Процесс конъюгации был открыт в 1946 г. Дж. Ледербергом и Э. Татумом).

У кишечной палочки клетка-донор («мужская») имеет продолговатую форму, клетка-реципиент («женская») – изодиаметрическую. Клетка-донор образует половые ворсинки (пили), которые притягивают ее к клетке-реципиенту и образуют цитоплазматические каналы. По этим каналам ДНК из клетки-донора переходит в клетку-реципиент. Существует три типа клеток-доноров: F + (эф–плюс), Hfr (эйч–эф–а) и F ′ (эф–прим).

F + -доноры содержат в цитоплазме половой фактор – специфическую F–плазмиду.

F–плазмида – это автономный репликон длиной около 100 тпн. В составе F–плазмиды изучено более 20 генов. Примерно половина из них образует гигантский оперон tra (длиной около 30 тпн); продукты этого оперона контролируют образование контакта между донором и реципиентом и собственно перенос ДНК. Остальные гены регулируют работу tra–оперона.

Клетка-реципиент не содержит F–плазмиды и обозначается как F – –клетка.

При образовании цитоплазматического мостика одна из цепей F–плазмиды надрезается в определенной точке (точка О), а на комплементарной цепи начинается репликация ДНК по принципу «катящегося кольца». Копия комплементарной цепи по цитоплазматическому мостику переходит в цитоплазму клетки–реципиента, и на ней достраивается недостающая цепь. После окончания репликации двунитевая плазмидная ДНК замыкается в кольцо, и F – –клетка превращается в F + –клетку. Полное время переноса копии F–плазмиды в клетку–реципиент составляет примерно 5 минут.

Однако при скрещивании F + × F – в клетку–реципиент попадают только гены, содержащиеся в F –плазмиде; гены домашнего хозяйства, локализованные в бактериальной хромосоме, в клетку–реципиент не переносятся.

В то же время F–плазмида может встраиваться в бактериальную хромосому, то есть переходить в интегрированное состояние. В бактериальной хромосоме имеется около 20 сайтов интеграции F–плазмиды. Тогда при переносе копии одной из цепей F–плазмиды в клетку–реципиент за ней увлекается и копия одной из цепей бактериальной хромосомы. Клетки с интегрированной F–плазмидой называются Hfr–доноры (от англ. «высокая частота рекомбинаций»). В зависимости от условий возможен полный или частичный перенос копии бактериальной хромосомы Hfr–донора в цитоплазму реципиента. В результате образуется клетка с одной исходной двунитевой бактериальной хромосомой и одной полной или неполной гомологичной однонитевой молекулой ДНК. Такая клетка называется мерозигота («частичная зигота»). Далее при репликации ДНК протекает рекомбинация. Этот процесс принципиально не отличается от рекомбинации при трансформации.

Перенос копии ДНК начинается примерно с середины F–плазмидной ДНК (с точки О, в которой одна из цепей ДНК надрезается, и начинается репликация F–плазмидной ДНК). Таким образом, половина F–плазмидной ДНК проникает в клетку–реципиент в начале конъюгации, а вторая половина – только после полного переноса копии хромосомной ДНК. Для полного завершения этого процесса при t = 37 0 С требуется более 100 минут. Однако в природных условиях конъюгация прерывается значительно раньше, в клетку–реципиент переходит только часть копии хромосомы донора и только первая половина F–плазмидной ДНК. Таким образом, клетка-реципиент не принимает свойства Hfr–донора.

Однако существуют штаммы бактерий, у которых копия бактериальной хромосомы вместе с копией F–плазмидной ДНК переносится полностью. Такие клетки называются vHfr–доноры (от англ. «очень высокая частота рекомбинаций»).

Вероятность переноса определенного гена в клетку–реципиент зависит от его удаления от F–плазмидной ДНК, а точнее, от точки О, в которой начинается репликация F–плазмидной ДНК. Чем больше время конъюгации, тем выше вероятность переноса данного гена. Это дает возможность составить генетическую карту бактерий в минутах конъюгации. Например, у кишечной палочки ген thr (оперон из трех генов, контролирующих биосинтез треонина) находится в нулевой точке (то есть непосредственно рядом с F–плазмидной ДНК), ген lac переносится через 8 мин, ген recE – через 30 мин, ген argR – через 70 мин и т.д.

F–плазмида может переходить из интегрированного состояния в автономное путем самовырезания из бактериальной хромосомы. В этом случае возможен захват и части хромосомной ДНК (до 50 % хромосомных генов). F–плазмида, включающая хромосомные гены, называется F ′ –фактором. Перенос генетического материала при скрещиваниях F ′ × F – называется сексдукция.

Кроме F–плазмиды у прокариот известны и другие типы половых факторов (R, Ent, Hly, Col), обеспечивающих перенос генетического материала от бактерии к бактерии. На основе природных плазмид (в том числе ДНК хлоропластов и митохондрий) получены полусинтетические молекулы ДНК, обеспечивающие перенос генетического материала из одной клетки в другую, называются векторы. Векторы должны обеспечивать не только устойчивый перенос генов, но и регуляцию их транскрипции.

Прокариотические плазмиды могут реплицироваться только в прокариотических клетках. В то же время, существует необходимость переноса генов от эукариот к прокариотам и наоборот. Для этого используются челночные плазмиды, которые содержат два репликатора (прокариотический и эукариотический) и способны реплицироваться и в прокариотических, и в эукариотических клетках, например, Ti– и Ri–плазмиды, способные к репликации в прокариотических и растительных клетках, и полусинтетические векторы, созданные на их основе. Для защиты векторов от разрушения нуклеазами их заключают в фосфолипидные пузырьки – липосомы.

Трансдукция

Трансдукцией называется перенос генетического материала с помощью вирусов из клетки-донора в клетку-реципиент. (Явление трансдукции открыл в 1951 г. Н. Зиндер (ученик Дж. Ледерберга)).

При трансдукции в вирионы попадает ДНК клетки-хозяина. Вирионы заражают другие клетки, и ДНК исходной бактериальной клетки проникает в другую бактериальную клетку. Вирусная ДНК интегрируется в бактериальную хромосому, а привнесенная бактериальная ДНК рекомбинирует с ДНК бактериальной хромосомы. В результате 50% клеток оказываются трансформированными.

Различают общую (неспецифическую), ограниченную (специфическую) и абортивную трансдукцию.

Общая трансдукция

При общей трансдукции фрагменты бактериальной ДНК донора случайно включаются в созревающую фаговую частицу вместе с фаговой ДНК или вместо фаговой ДНК. Фрагменты бактериальной ДНК образуются при ее разрезании ферментом, контролируемым фагом. В состав фаговой частицы может включаться до 100 бактериальных генов.

Ограниченная трансдукция

При ограниченной трансдукции происходит рекомбинация – бактериальная ДНК замещает часть фаговой ДНК. В состав рекомбинантной ДНК входит небольшое количество бактериальных генов, прилежащих к фаговой ДНК, интегрированной в бактериальную хромосому.

При общей и ограниченной трансдукции донорская ДНК замещает гомологичные участки ДНК реципиента. Этот процесс сходен с трансформацией.

Абортивная трансдукция может быть и неспецифической, и специфической. Ее сущность заключается в том, что трансдуцируемый фагом фрагмент ДНК не включается в хромосому реципиента, а существует как цитоплазматический репликон. Рано или поздно этот репликон утрачивается.

Явление трансдукции вирусами широко используется при переносе генов у эукариот. Если применяется вирус, неспособный формировать капсид (то есть существующий только в форме ДНК), то трансдукция принципиально не отличается от трансформации или от конъюгативного переноса генетического материала с помощью плазмид–векторов. Созданы системы векторов на основе модифицированных вирусов SV40 (они образуют в клетке до 100 тысяч копий), герпеса, осповакцины, вирус мозаики цветной капусты.

Следует еще раз подчеркнуть, что все описанные типы рекомбинации связаны не с добавлением новых участков ДНК, а с замещением уже имеющихся нуклеотидных последовательностей. Чем выше степень гомологии трансформирующей и исходной ДНК, тем выше вероятность успешной рекомбинации. Легче всего удается рекомбинация ферментов, имеющихся у всех организмов. Труднее ввести в геном новые регуляторы, отличающиеся высокой специфичностью. Поэтому для внедрения в геном новых генов используются более сложные методы, связанные с биохимическими модификациями ДНК.

Тема 7: Цитоплазматическое наследование. Генетика соматических клеток и тканей.

1. Цитоплазматическое наследование. Генетический материал полуавтономных органоидов. Пластидное наследование. Наследование через митохондрии. Цитоплазматическая мужская стерильность

2. Особые типы наследования. Предетерминация цитоплазмы. Наследование через инфекцию и эндосимбионтов

3. Генетика соматических клеток. Соматические мутации. Химеры. Генетика онкологических заболеваний.

микроб пищеварение инфекция

Рекомбинация -- процесс обмена генетическим материалом путем разрыва и соединения разных молекул. Рекомбинация происходит при репарации двунитевых разрывов в ДНК и для продолжения репликации в случае остановки репликационной вилки у эукариот, бактерий и архей. У вирусов возможна рекомбинация между молекулами РНК их геномов.

Рекомбинация у эукариот обычно происходит в ходе кроссинговера в процессе мейоза, в частности, при формировании сперматозоидов и яйцеклеток у животных. Рекомбинация, наряду с репликацией ДНК, транскрипцией РНК и трансляцией белков, относится к фундаментальным, раноГомологичная рекомбинация

Гомологичная рекомбинация

Классификация типов гомологичной рекомбинации: аллельная, эктопическая и гомеологичная; реципрокная (кроссинговер) и нереципрокная (генная конверсия).

Реципрокная рекомбинация. Ранние представления о природе кроссинговера: гипотезы “разрыв и соединение” и “выборочное копирование”. Опыты Мезелсона по доказательству механизма “разрыв и соединение”. Разработка методических подходов к изучению молекулярных механизмов рекомбинации. Два этапа формирования рекомбинантной ДНК: “состыкованная” (joint) и первичная рекомбинантная молекулы.

Генетический контроль гомологичной рекомбинации у бактериофагов. Система Red у бактериофага l. Экзонуклеаза l. Система Orf. Бактериофаг Т4: роль генов 30, 32, 43, 46, 47, 49 и uvsX. Энзимология рекомбинационных реакций: эндо- и экзонуклеазы, ДНК-полимераза, ДНК-лигаза, белок UvsX, белок SSB и другие белки. Процессы “вытеснения нити”, образования D-петли, “миграции ветвления”, коррекции гетеродуплекса. Основные стадии кроссинговера: пресинапсис, синапсис и постсинапсис. Схемы кроссинговера у бактериофагов. Общность процессов рекомбинации и репарации ДНК.

Основные модели гомологичной рекомбинации. Модель Холлидея. Предпосылки модели, сущность, значение. Развитие модели в последующих исследованиях, ее современное состояние. Модель Мезелсона-Рэдинга. Модель репарации двунитевых разрывов (ДНР) ДНК у дрожжей (Жостак и др.) применительно к кроссинговеру и конверсии.

Рекомбинация при трансформации хромосомной ДНК у бактерий. Параметры рекомбинации. Размеры интегрируемых фрагментов донорной ДНК. Кинетика и эффективность трансформации. Доказательства интеграции однонитевых фрагментов донорной ДНК. Генетический контроль и основные этапы процесса трансформации у Bacillus subtilis и Streptococcus pneumoniae. Донорно-реципиентный комплекс. Генетический контроль и механизм рекомбинации при трансформации у Haemophilus influenzae. Трансформосома.

Рекомбинация при конъюгации у Escherichia coli. Характеристика конъюгационного переноса ДНК. Механизмы интеграции донорной ДНК в хромосому реципиентной клетки.

Генетический контроль гомологичной рекомбинации у E.coli. Гены, участвующие в пресинапсисе: recA, recB, recC, recD, recE, recJ и др. Плейотропный эффект мутаций recB и recC. АТФ-зависимая RecBCD-нуклеаза, ее актвности, механизмы действия и роли в различных генетических процессах. Chi-сайт как горячая точка рекомбинации. Универсальность АТФ-зависимых нуклеаз для бактерий. Гены, контролирующие процесс синапсиса: recA, recF, recO, recR, ssb и др. Свойства recA-мутантов. Белок RecA, его характеристика. Реакции, катализируемые белком RecA, его ключевая роль в первых этапах процесса кроссинговера: пресинапсисе и синапсисе. Природа синапсиса при гомологичной рекомбинации. RecA-ДНК-филаменты, их структура и функции в рекомбинации. Схема кроссинговера у E.coli с участием RecBCD-нуклеазы и белка RecA. RecA-гомологи у других прокариотических и эукариотических организмов. Роль белка SSB. Гены постсинапсиса: ruvA, ruvB, ruvC, recG и их продукты. Pоль в осуществлении миграции полухиазмы Холлидея и в ее разрешении.

Супрессорные мутации sbcA, sbcB, sbcC и sbcD. Экзонуклеазы I и VIII. SbcCD-нуклеаза. Три пути рекомбинации хромосомной ДНК у E.coli K-12 по Кларку: RecBCD, RecF и RecE, их характеристика. Роль путей RecF и RecE в гомологичной рекомбинации плазмид.

Особенности процесса кроссинговера у эукариот. Мейотический кроссинговер. Роль синаптонемного комплекса. Генетический контроль мейотической рекомбинации. Разнообразие RecA-подобных белков (рекомбиназ) у эукариот.

Митотический кроссинговер: соотношение между реципрокной и нереципрокной рекомбинацией. Кроссинговер в G1-клетках. Различия в генетическом контроле мейотического и митотического кроссинговера у дрожжей-сахаромицетов.

Горячие точки рекомбинации у эукариот. Роль ДНР ДНК в инициации мейотического и митотического кроссинговера.

Рекомбинационная репарация ДНР в хромосомной и плазмидной ДНК у дрожжей. Генетический контроль и разнообразие механизмов: модель Жостака и др. и ее модификации, механизмы “разрыв и копирование”, “отжиг комплементарных цепей ДНК” (“single-strand annealing”), “гомолог-зовисимое лигирование”.

Эктопическая рекомбинация, ее генетический контроль, молекулярные механизмы и биологическое значение.

Конверсия гена (коррекция рекомбинационного гетеродуплекса). Нереципрокность внутригенной рекомбинации. Гипотеза коррекции неспаренных оснований (Холлидей). Генетический контроль и пути коррекции гетеродуплексов у E.coli. Системы репарации неспаренных оснований с образованием и застройкой протяженных брешей в гетеродуплексе. Система Mut HLSU, ее характеристика. Молекулярная модель коррекции гетеродуплекса с участием системы MutHLSU. Эволюционный консерватизм белков MutL и MutS. Роль белков MutL и MutS в процессах коррекции неспаренных оснований и в регуляции гомеологичной рекомбинации. Системы коррекции неспаренных оснований у E.coli с формированием и застройкой коротких брешей. Коррекция гетеродуплексов при бактериальной трансформации, ее генетический контроль (система Hex), влияние на результаты генетического картирования. Коррекция и высокая отрицательная интерференция.

Конверсия гена у эукариот. Тетрадный анализ межаллельных скрещиваний. Типы тетрад. Полярность конверсии, ее причины. Коконверсия. Протяженность участка конверсии. Вопрос о связи мейотической конверсии с реципрокной рекомбинацией фланговых маркеров. Митотическая аллельная генная конверсия. Эктопическая мейотическая и митотическая конверсия. Переключение локусов MAT у гомоталличных дрожжей. Генетический контроль конверсии гена у экариот на примерах дрожжей и человека. Эукариотические гомологи бактериальных белков MutL и MutS - семейства белков PMS, MHL, MHS и др., их функции в рекомбинации и других клеточных процессах. Сложность систем коррекции неспаренных оснований у эукариот, основанная на участии разнообразных гомологов батериальных белков MutL и MutS.

Роли конверсии в эволюции и в онтогенезе. Соотношение между процессами кроссинговера и конверсии в различных генетических системах. Конверсионные процессы, осуществляющиеся независимо от кроссинговера.

Рекомбинационные процессы, не нуждающиеся в гомологии для синапсиса

Сайт-специфическая рекомбинация. Распространение сайт-специфических рекомбинационных систем у прокариот и эукариот, их функции. Сайт-специфические топоизомеразы типа I как ключевые белки сайт-специфической рекомбинации у бактериофагов, бактерий и дрожжей. Два семейства сайт-специфических топоизомераз I - интегразы и резолвазы.

Сайт-специфическая рекомбинация при интеграции и эксцизии фага l. Схема Кемпбела. Различия между генетическими картами вегетативного фага и профага. Структура сайтов attP и attB. Система Int. Int-белок как представитель семейства интеграз. Белок IHF E.coli. Интасома. Молекулярная модель интеграции и эксцизии фага l. Антипараллельное выстраивание att-сайтов при синапсисе. Природа синапсиса при сайт-специфической рекомбинации.

Сайт-специфические инверсии ДНК у бактериофагов и бактерий (система Din) и у дрожжей. Ключевые белки рекомбинации - инвертазы как представители семейства резолваз. Рекомбинационные энхансеры для сайт-специфических инверсий. Белок Fis E.coli. Инвертасома. Молекулярная модель рекомбинации, осуществляемой резолвазами. Роль сайт-специфических инверсий в регуляции экспрессии генов.

Транспозиции подвижных генетических элементов. Транспозиции у прокариот. Подвижные генетические элементы: IS-элементы, транспозоны (Tn), фаг Мu. Структура подвижных элементов. Функции, контролируемые различными подвижными элементами. Транспозаза. Участие белков клетки-хозяина в транспозиции. Вопрос о специфичности интеграции подвижного элемента в ДНК-мишень. Общность реакций, составляющих процессы транспозиции у разных типов подвижных элементов прокариот и эукариот.

Генетическая организация простых транспозонов семейства Tn3. Гены tnpA и tnpR, их продукты. Репликативная транспозиция, два этапа процесса. Молекулярная модель Шапиро. Генетический контроль и молекулярный механизм нерепликативной транспозиции у сложных транспозонов Tn5, Tn9 и Tn10. Генетический контроль и механизмы транспозиции у фага Mu. Транспозосома.

Конъюгативные транспозоны грамположительных и грамотрицательных бактерий, их классификация. Генетический контроль и механизмы транспозиции. Биологическое значение.

Подвижные генетические элементы эукариот (дрожжи, растения, дрозофила, млекопитающие). Классификация эукариотических подвижных элементов. Элементы со структурой прокариотического типа. Ретротранспозоны типа I у дрожжей, растений и животных, их структура, генетический контроль и механизм транспозиции, классификация. Ретротранспозоны типа II: особенности строения, распространение, механизм транспозиции.

Генетические эффекты, вызываемые подвижными элементами у прокариот и эукариот: изменения экспрессии генов, генные мутации, хромосомные перестройки, гибридный дисгенезиз. Участие подвижных элементов в организации структуры хромосом. Роль в онтогенезе живых организмов и в эволюции генетического материала. Подвижные элементы как инструмент генетических исследований.

Незаконная рекомбинация. Круг явлений, относимых к незаконной рекомбинации. Негомологичная рекомбинация у бактерий, катализируемая ДНК-гиразой. Молекулярная модель (Икеда). Негомологичная рекомбинации с участием ДНК-зависимой протеинкиназы у позвоночных. Роль в репарации двунитевых разрывов, интеграции экзогенной ДНК в хромосомы и в перестройках иммуноглобулиновых последовательностей ДНК.

Запрограммированные рекомбинационные перестройки генетического материала в онтогенезе

Состыковка разобщенных частей генов с помощью сайт-специфической рекомбинации в процессе споруляции у Bacillus subtilis и при формировании гетероцист у нитчатых цианобактерий. Перестройка генетического материала при образовании макронуклеуса у ресничных инфузорий. Диминуция хроматина у ряда представителей беспозвоночных.

Сайт-специфическая рекомбинация у позвоночных, участвующая в перестройках иммуноглобулиновых последовательностей ДНК. Структура молекул иммуноглобулинов. Организация и структура последовательностей ДНК, участвующих в формировании генов, кодирующих иммуноглобулины. Роль продуктов генов RAG1 и RAG2. Механизм сайт-специфической рекомбинации при состыковке кодирующих сегментов генов иммуноглобулинов. Участие других генетических процесов в формировании генов иммуноглобулинов: гомологичная рекомбинация (эктопический митотический кроссинговер, эктопическая митотическая конверсия), незаконная рекомбинация, гипермутагенез, альтернативный сплайсинг. Приуроченность этих процессов к определенным стадиям дифференцировки B-лимфоцитов.

Трансформация -- процесс поглощения клеткой организма свободной молекулы ДНК из среды и встраивания её в геном, что приводит к появлению у такой клетки новых для неё наследуемых признаков, характерных для организма-донора ДНК. Иногда под трансформацией понимают любые процессы горизонтального переноса генов, в том числе трансдукцию, конъюгацию и т. д.

Трансформация прокариот

В любой популяции лишь часть бактерий способна к поглощению из среды молекул ДНК. Состояние клеток, при котором это возможно, называют состоянием компетентности. Обычно максимальное число компетентных клеток наблюдается в конце фазы логарифмического роста.

В состоянии компетентности бактерии вырабатывают особый низкомолекулярный белок (фактор компетентности), активизирующий синтез аутолизина, эндонуклеазы I и ДНК-связывающего белка. Аутолизин частично разрушает клеточную стенку, что позволяет ДНК пройти через неё, а также снижает устойчивость бактерий к осмотическому шоку. В состоянии компетентности также снижается общая интенсивность метаболизма. Возможно искусственное приведение клеток в состояние компетентности. Для этого применяют среды с высоким содержанием ионов кальция, цезия, рубидия, электропорацию или заменяют клетки реципиента протопластами без клеточных стенок.

Эффективность трансформации определяется количеством колоний, выросших на чашке Петри после добавления к клеткам 1 мкг суперскрученной плазмидной ДНК и рассева клеток на питательную среду. Современные методы позволяют добиваться эффективности 106--109.

Поглощаемая ДНК должна быть двухнитевой (эффективность трансформации однонитевой ДНК на порядки ниже, однако несколько возрастает в кислой среде), её длина -- не менее 450 пар оснований. Оптимальное pH для прохождения процесса -- около 7. Для некоторых бактерий (Neisseria gonorrhoeae, Hemophilus) поглощаемая ДНК должна содержать определённые последовательности.

ДНК необратимо адсорбируются на ДНК-связывающем белке, после чего одна из нитей разрезается эндонуклеазой на фрагменты длиной 2--4 тыс. пар оснований и проникает в клетку, вторая полностью разрушается. В случае, если эти фрагменты имеют высокую степень гомологии с какими-либо участками бактериальной хромосомы, возможна замена этих участков на них. Поэтому эффективность трансформации зависит от эволюционного расстояния между донором и реципиентом. Общее время процесса не превышает нескольких минут. Впоследствии, при делении, в одну дочернюю клетку попадает ДНК, построенная на основе исходной нити ДНК, в другую -- на основе нити с включённым чужеродным фрагментом (выщепление)

Трансформация эукариотических клеток с использованием синтетических полимерных катионов

Доставка чужеродных нуклеиновых кислот внутрь интактных клеток, или трансформация, лежит в основе многих методов генной инженерии. Транспортировка функциональных генов в ткани может сделать возможной коррекцию генной недостаточности и мутаций, следствием которых являются тяжелые наследственные патологии или раковые опухоли. В настоящее время разработан целый ряд приемов для введения ДНК в клетки, среди которых наиболее распространены преципитация фосфатом кальция или диэтиламиноэтил-декстраном (ДЕАЕ-декстраном), электропорация, микроинъекция, встраивание ДНК в реконструированную оболочку вирусов или липосомы (искусственные мембранные липидные везикулы).

Несмотря на разнообразие этих методов, поиск новых путей трансформации про- и эукариотических клеток продолжается. С одной стороны, это вызвано необходимостью повышения эффективности трансформации, с другой - перечисленные выше методы применимы лишь для ограниченного числа клеточных линий и неэффективны при попытках введения в клетки РНК. Наконец, большинство этих подходов не может быть использовано для генетической трансформации in vivo.

В качестве переносчиков ДНК используются ретровирусные векторы, векторы на основе ДНК-содержащих вирусов и ВИЧ, липосомы на основе катионных липидов, полимерные ДНК-связывающие катионы. Использование синтетических полимеров в качестве переносчиков ДНК имеет ряд преимуществ: удобство хранения и очистки, простота тестирования токсичности и безопасности и, что особенно важно для генной терапии, снижение риска патогенетических и иммунологических осложнений.

При смешивании растворов линейных поликатионов и ДНК формируются интерполиэлектролитные комплексы (ИПЭК) за счет образования кооперативной системы межцепных электростатических связей. При этом поликатионные цепи окружают молекулу ДНК, образуя сферы или тороиды, в зависимости от типа полимера. Включение в ИПЭК приводит к компактизации ДНК, повышению ее устойчивости к действию нуклеаз, способствует усилению ее взаимодействия с клеточной мембраной и повышению трансформирующей активности по отношению как к прокариотическим, так и эукариотическим клеткам. Соединяя молекулы поликатиона с лигандами, способными к специфическому связыванию с клеточной мембраной, можно обеспечить проникновение ИПЭК в клетку по рецепторному пути, а в организме - адресную доставку к клеткам-мишеням.

Системы доставки ДНК для применения в генной терапии должны обеспечивать проникновение ДНК в нужный орган, ткань, или в конкретную группу клеток, а затем - в клеточное ядро. Антисмысловые олигонуклеотиды, а именно они чаще всего используются в генной терапии, должны найти ту мРНК или участок хромосомной ДНК, против которой они направлены. Введенный ген должен войти в состав конструкции, способной его экспрессировать.

Однако это довольно сложная проблема. При введении нуклеиновой кислоты или олигонуклеотида в организм они не попадут преимущественно к нужной ткани или нужному органу, а та их часть, которая окажется в нужном месте, лишь в незначительной мере сможет пройти сквозь гидрофобную клеточную мембрану. Кроме того, в ходе эволюции были выработаны механизмы защиты клеток организма от вторжения факторов внешней среды, в том числе и чужеродной ДНК. Оказавшись внутри клетки, чужеродная ДНК может локализоваться не там, где это необходимо и, более того, может оказаться в лизосомах, где будет разрушена под действием нуклеаз.

Проникновение в клетку и внутриклеточный транспорт ИПЭК происходит, возможно, за счет образования и последовательного разрушения эндосом. На каждом из этапов этого процесса существенная часть материала теряется. Скудное высвобождение векторов из эндосом в цитоплазму и неэффективный перенос их в ядро приводят к низкой эффективности трансгенной экспрессии.

Рестрикционная карта плазмиды pBR 322:

цифрами указана нумерация нуклеотидов;

тонкие черточки - единичные сайты, узнаваемые рестриктазами;

толстые серые стрелки сверху - направление транскрипции;

Pbla - промотор гена Ampr - устойчивость к ампициллину;

Ptet- промотор гена Tetr- устойчивость к тетрациклину;

TТ1 - Rho-независимый терминатор транскрипции (положение 3140-3160); ТТ2 - положение 3080-3110; ROP - белок, способствующий образованию дуплексов между РНК 1 и РНК 2 (негативный регулятор копийности); РНК 1 - контрольная РНК (контролирует копийность плазмиды); РНК 2 - «праймерная» РНК (служит затравкой для репликации); толстые черные стрелки - направление транскрипции РНК 1 и РНК 2

Векторы на основе фага М13

Можно выделить три пути повышения эффективности переноса ДНК в эукариотические клетки с помощью синтетических поликатионов. Во-первых, это повышение специфичности трансфекции за счет лигандов, соединенных с молекулой поликатиона и обеспечивающих избирательное взаимодействие комплексов с клетками определенного фенотипа. Во-вторых - повышение эффективности трансформации за счет подбора генов или олигонуклеотидов, внедряемых в клетку. В-третьих - повышение частоты трансфекции, которое достигается за счет применения лигандов, более эффективно взаимодействующих с клеточной мембраной, и веществ, дестабилизирующих мембрану. Кроме того, возможен синтез новых поликатионов.

В лаборатории молекулярной вирусологии и генной инженерии НИИ гриппа РАМН в Санкт-Петербурге проводится изучение средств доставки ДНК и вирусных частиц в клетки. В этой работе используется набор полимерных носителей, синтезированный сотрудниками Института высокомолекулярных соединений РАН. В качестве экспрессионных векторов использовались плазмиды: pUC 18, содержащая цитомегаловирусный промотор и ген b-галактозидазы, и pBR 322, содержащая цитомегаловирусный промотор и ген зеленого флуоресцирующего белка водорослей.

В результате проведенных исследований было выяснено, что наибольшую трансфекционную активность имеют ИПЭК поли-(2-(диметиламино)этил)метакрилата (PDMAEMA) с низкими молекулярными массами. Дальнейшие исследования позволят разработать новые подходы к решению актуальных проблем в вирусологии, молекулярной и клеточной биологии, генной инженерии, генной терапии.

Трансдукция (от лат. transductio -- перемещение) -- процесс переноса бактериальной ДНК из одной клетки в другую бактериофагом. Общая трансдукция используется в генетике бактерий для картирования генома и конструирования штаммов. К трансдукции способны как умеренные фаги, так и вирулентные, последние, однако, уничтожают популяцию бактерий, поэтому трансдукция с их помощью не имеет большого значения ни в природе, ни при проведении исследований.

Общая (неспецифическая) трансдукция

Осуществляется фагом P1, существующим в бактериальной клетке в виде плазмиды, фагами P22 и Mu, встраивающимися в любой участок бактериальной хромосомы. После индуцирования профага с вероятностью в 10?5 на одну клетку возможна ошибочная упаковка фрагмента ДНК бактерии в капсид фага, ДНК самого фага в нём в этом случае нет. Длина этого фрагмента равна длине нормальной фаговой ДНК, его происхождение может быть любым: случайный участок хромосомы, плазмида, другие умеренные фаги.

Попадая в другую бактериальную клетку, фрагмент ДНК может включаться в её геном, обычно путём гомологичной рекомбинации. Перенесённые фагом плазмиды способны замыкаться в кольцо и реплицироваться уже в новой клетке. В ряде случае фрагмент ДНК не встраивается в хромосому реципиента, не реплицируется, но сохраняется в клетке и транскрибируется. Это явление носит название абортивной трансдукции.

Специфическая трансдукция

Наиболее хорошо изучена специфическая трансдукция на примере фага л. Этот фаг встраивается только в один участок (att-сайт) хромосомы E. coli с определённой последовательностью нуклеотидов (гомологичной att-участку в ДНК фага). Во время индукции его исключение может пройти с ошибкой (вероятность 10?3--10?5 на клетку): вырезается фрагмент тех же размеров что и ДНК фага, но с началом не в том месте. При этом часть генов фага теряется, а часть генов E. coli захватывается им. Вероятность переноса гена в этом случае падает при увеличении расстояния от него до att-сайта.

Для каждого специфически встраивающегося в хромосому умеренного фага характерен свой att-сайт и, соответственно, расположенные рядом с ним гены, которые он способен передавать. Ряд фагов может встраиваться в любое место на хромосоме и переносить любые гены по механизму специфической трансдукции. Кроме того, в хромосоме обычно есть последовательности, частично гомологичные att-участку ДНК фага. При повреждении полностью гомологичного att-сайта можно добиться включения фага в хромосому по этим последовательностям и передачу в ходе специфической трансдукции генов, соседних уже с ними.

Когда умеренный фаг, несущий бактериальные гены, встраивается в хромосому новой бактерии-хозяина, она содержит уже два одинаковых гена -- собственный и принесённый извне. Поскольку фаг лишён части собственных генов, часто он не может индуцироваться и размножиться. Однако при заражении этой же клетки «вспомогательным» фагом того же вида, индуцирование дефектного фага становится возможным. Из хромосомы выходят и реплицируются как ДНК нормального «вспомогательного» фага, так и ДНК дефектного, вместе с переносимыми им бактериальными генами. Поэтому около 50% образующихся фаговых частиц несут бактериальную ДНК. Это явление носит название трансдукции с высокой частотой (HFT от англ. high frequency transduction).

Конъюгамция (от лат. conjugatio -- соединение), парасексуальный процесс -- однонаправленный перенос части генетического материала (плазмид, бактериальной хромосомы) при непосредственном контакте двух бактериальных клеток. Открыт в 1946 году Дж. Ледербергом и Э. Тайтемом. Имеет большое значение в природе, поскольку способствует обмену полезными признаками при отсутствии истинного полового процесса. Из всех процессов горизонтального переноса генов конъюгация позволяет передавать наибольшее количество генетической информации.

Механизм

Для успешного установления контакта двух клеток в клетке-доноре должна присутствовать конъюгативная (половая, трансмиссивная) плазмида. Первой из них была открыта F-плазмида: эписома (способная встраиваться в бактериальную хромосому), длиной около 100 тыс. пар оснований. Плазмида несёт гены, кодирующие ряд функций. Одна из них -- образование половых пилей, отвечающих за приклепление к клетке-реципиенту.

Конъюгативные плазмиды также кодируют белки, противодействующие прикреплению пилей других бактерий к клеточной стенке данной. Поэтому клетки, уже содержащие трансмиссивные плазмиды, на несколько порядков реже выступают в роли реципиентов при конъюгации.

Плазмидой кодируется эндонуклеаза, разрезающая одну из нитей её ДНК в определённой точке (oriT). Затем разрезанная цепь раскручивается и 5"-концом переносится в клетку-реципиент. Выдвигалось предположение, что ДНК передаётся по каналам в половых пилях, но к настоящему времени показано, что перенос идёт через поры в клеточной стенке. В первом сегменте поступающей в клетку реципиента нити ДНК расположены антирестрикционные гены. Эти гены должны транскрибироваться в реципиенте сразу же после своего поступления туда, чтобы обеспечить накопление белков, блокирующих процесс разрушения ДНК рестриктазами. Наконец, переданная цепь замыкается в кольцо и на её основе восстанавливается двунитевая структура ДНК плазмиды. Весь процесс длится несколько минут.

Конъюгативная плазмида может встраиваться в хромосому путём гомологичной рекомбинации с участием IS-элементов. Конъюгация при этом идёт по тому же механизу, однако реципиенту передаётся не только плазмида, но и хромосомный материала донора. В этом случае процесс затягивается на часы, часто происходит разрыв передаваемой нити ДНК. Путём искусственного прекращения передачи ДНК в разное время и наблюдения за тем, какие гены были при этом переданы, была получена карта хромосомы кишечной палочки (E. coli) и показано её кольцевое строение.

При выщеплении из хромосомы плазмида может захватывать её фрагмент и переносить его с собой в другую клетку (аналогия с трансдукцией). Данный процесс носит название сексдукции.

Некоторые мелкие плазмиды, называемые мобилизуемыми, могут быть перенесены при конъюгации с помощью аппарата переноса «хелперной» трансмиссивной плазмиды. Для этого они должны содержать последовательности, аналогичные oriT конъюгативной плазмиды и распознаваемые её эндонуклеазами.

Трансформация - изменение наследственных свойств клетки в результате проникновения или искусственного привнесения в нее чужеродной ДНК. Природу трансформирующего фактора установили Эвери, Мак-Леод в 1944. Трансформировать удается только те бактерии, в клетки которых может проникнуть высокомолекулярная, двуХцепочечная (интактная) ДНК. Способность поглощать ДНК – компетенция, и зависит от физиологического состояния клетки. ДНК может поглощаться в определенную короткую фазу изменения клеточной поверхности. С помощью ДНК могут передаваться такие признаки как: капсулообразование, синтез в-в, ферментативная активность, устойчивость к ядам, антибиотикам.. Любая ДНК может проникнуть в компетентную клетку, но рекомбинация роисходит только ДНК родственного вида. Конъюгация - перенос генетического материала путем прямого контакта между 2 клетками. Исследовали Ледерберг и Татум в 1946 на мутантах Кишечной палочки. Один мутант уждался в аминокислотах А и В, но был способен синтезировать Си Д, второй был ему компетентен (А-В-С+Д+). Эти мутанты не росли и не образовывали колоний на минимальной, питательной среде, но если внести на нее суспензию обоих мутантов, то колонии появлялись. Клетки этих колоний обладали наследственной способностью синтезировать все аминокислоты (А+В+С+Д+).Здесь предпосылкой рекомбинации служит конъюгация. При исследовании бактерий выяснили, что способность клетки быть донором связана с наличием фактора F (F +клетки, не содержащие фактора – F- и может функционировать, как реципиент) – плазмида, кольцевая, двухцепочечная молекула ДНК. Т.о. клетки реципиенты в результате конъюгации становятся донорами, а хромосомные признаки не передаются. F-плазмида обуславливает образование на клетке половых фимбрий/ F-пили, которые служат для узнавания при контакте м/у клеткой донором и клеткой реципиентом и делают возможным образование мостика, по которому ДНК переходит в клетку. Конъюгация распространена у энтеробактерий, прокариот. Трансдукция - пассивный перенос бактериальных генов из одной клетки в другую частицами бактериофага, что приводит к изменению наследственных свойств клетки. Различают 2 вида трансдукции: а) Неспецифический - при котором может быть перенесен любой фрагмент ДНК хозяина (ДНК клетки хозяина включается в частицу фага/ к его собственному гену/ вместо него) ; б) Специфический – может быть перенесен строго определенный фрагмент ДНК некоторые гены фага заменяются генами хозяина). В обоих случаях фаги дефектны, т.е. теряют способность лизировать клетку.

38. Факторы резистентности(r-факторы). Свойства плазмидов. Транспозоны.

1. Резистентность – устойч.орг-мов к каким-либо антигенам. Бактерии устойч.к некотор.антаибиотикам были откр. В 50-е годы в Японии(возбудители дезинтерии. Отмеч.множ.уст-ть бакт.дезинтерии и это может перед.др.бакт. R-факторы содержат гены, которые делают клетку устойчивой к некоторым антибиотикам. Некоторые R-факторы обуславливают резистентность сразу к 8 антибиотикам, а др. R-ф. придают уст-ть к тяж.мет.(ртуть, никель, кадмий) R-плазмида несёт 2 гр.генов:1)ген отв.за передачу плазмиды путём коньюгации(гены tra) и они обр.так назыв.»факторы переноса устойчивости(RTF), 2)гены котор.обусл.собственно резист-ть и они сост. Сост.лишь небольш.часть плазмиды.

RTF включ.все гены,ответств.за перенос фактора R из клетки в клетку, котор.осущ.путём коньюгации. Т.е фактор R также как и фактор F- инфекционен. Возможен перенос R-фактора между несколькими разными родами бактерий, что способств.их дальнейшему распр. Фермитативн.хим.модиф.антибиотиков явл.осн.причиной уст.к ним,обусл.плазмидами. Например канамицин и неомицин подверг.фосфорелиров-ю, а пинпиц.инактивиро.пеницилиназой. поск. При налич. R-факторов возможна генетт.рекомбинация, то может.возн.нов.сочет-е генов,котор.придадут.дополн.св-ва уст-ти. R-факторы имеют больш.знач-е для химио-терапии.

2. Бактериоцины . Многие бакт.синтез.белки,Юкотор. Убив.родств.виды или штаммы или тормозят их рост. Эти белки назыв-ся бактериоцинами. Они кодир. Особ.плазмидами, котор.назыв.бактериоциногенными факторами. Бактериоцины были выделены из эшрихиа коли(колицины) и др.бакт. Назв-е бактериоцинам даётся по продуцир.форме бакт.,напр.стафилококи произв.стафилоцины. неорг.в-ва, убив.бакт.назыв.антисептиками.

3. Др.призн., опр.плазмидами. Плазмиды могут содерж.гены,котор.обусл.ряд специф.биол.св-в,котор.в опр.усл-ях созд.селективное преимущество. Гены ферментов,необх.для расщепл-я камыфоры,салиц.к-ты и др.необ.субстратов могут наход.в плазмидах. Перечень св-в, наслед.с плазмидами, значит-й и включает: азотфиксацию,обр-е клубеньков, погл-е сахаров, синтез гидрогеназы и др. Некотор.из этих св-в могут опр.генами бактер. Хромасомы (обмен генами м-ду хромосомой и плазмидой). Плазмиды сыграли важн.роль в эвол.прокариотов.

4. Несовместимость. Многие бакт.содерж.плазмиды разл.велич. Сосущ.разн.плазмидов в одной клетке говорит о том, что такие плазмиды совместимы между собой. Но 2 родств.плазмиды не могут сосущ.в одной клетке,они несовместимы. Все плазмиды подр.на гр.несов-ти: плазмиды,отн.к одной и тойже группе несовм.

Транспозоны – это послед-ти ДНК,котор.способны встр.во мног.уч-ки генома и могут «перепр.»с плазмиды на бакт.хромосому,на др.плазмиду. Транспазоны содержат гены,котор.опр.внешнерасп.признаки,а именно уст-ть к таким антибиотикам как пиниц.,тетрациклин и др. В с вязи с этим их легче обнар., чем IS – Эл-ты (чужеродн.ДНК,предст.собой инсерцион.посл-ти встреч в бакт.хромосомах и плазмидах.). По обе стороны от генов уст-ти, котор.нах.внутри транспозона распол 2 одинаков посл-ти,котор.могут идти в одном и томже или противопол.напр-ях. Эти повт.посл-ти оснований ДНК частично идентичны с IS – Эл-тами.

41. Эволюция м/оов.

Кл-ки всего живого от примитивных форм до высоко организованных состоят из одних и тех же структурных элементов и исп одни и теже механизмы для получения энергии и роста. В этом заключается биохимическое единство всех живых организмов. В процессе эволюции происходило становление и формирование различных форм живого. Для процесса эволюции жизни необходимо предст какие условия были на Земле, в кот оказалось возможным самозарождение жизни. В послед после формирования Земли период на ней происх активные биологич процессы, кот меняли ее облик и приводили к формированию земной коры, гидросферы и атмосферы. Когда органич в-ва на Земле накопились в большом количестве=>возникли условия, при котором мог совершиться переход от химич эволюции к возникновению первых самовоспроизводящихся живых существ. Для клет жизни характерно, что она всегда предст в виде опред структур, кот пространственно обособленны от внешней среды, но постоянно взаимод с ней по типу отк систем. Предполаг, что след этапом эволюции на пути возникн жизни было формирование определенной структурной организации – абиогенносинтезированных органических соединений. Они имели сферическую форму, диаметр 0,5-7мкм, напоминали кокковидные формы бактерий, содержали протеиноиды, кот обладали определенной стабильностью. При окрашивании по грамму было обнаружено, что микросферы, образованные из кислых протеиноидов - гр-, а основными протеиноидами – гр+. Этот этап переходный этап от химической к биологической эволюции и возникшая закономерность может быть определена как предбиологический естественный отбор. В дальнейшем предпол, что первыми прокариотами, кот могли появиться в водоемах, где было много органич в-ва были организмы, кот сущ за счет брожения и обладавшими основными функциями анаэробного обмена. Если предположить, что в водоемах имелись тогда и сульфаты, то след этапом эволюц явл эффективный транспорт электронов с созданием протонного потенциала как источника энергии для регенерации АТФ. Кроме того, было экспериментально показано, что на начальн этапе эволюц прокариоты могли воспроизводиться и передавать информацию потомству без участия нуклеиновых кислот. Для дальнейшей эволюции прокариот было необходимо создание специального аппарата, кот бы обеспечивал точное воспр полипептидов. Это привело к формированию нового механизма синтеза – матричного синтеза, в основе которого лежит использование свойств полинуклеотидов. Свойством полинуклеиновых молекул является способность к точному воспроизведению, основанное на принципе структурной комплиментарности.

Главное событие в эволюции: переход от первичной восстанавливающей атмосферы к атмосфере, содержащей кислород. У бактерий появился новый тип метаболизма – аэробное дыхание, что стало возможно в результате превр цитохромов в терминальные оксидазы, используя молекулы О 2 в качестве акцептора электронов. Предполагают, что 2 млрд лет назад уже сущ все фототрофные прокариоты, кот изв и сейчас. Прокариоты первично занимали много различ экологич ниш, кот затем постепенно уступили эукариотам. Выработка разнообразных типов метаболизма у прокариот была обусловлена простой структурной клеткой, высокоразвитой системой регуляции, быстрым ростом, наличием неск механизмов переноса генов.

42.ПАТОГЕН МИКРООРГ И ИММУНИТЕТ.

Иммунитет защищает нас от инфекционных агентов: бактерий, вирусов и простейших, т. е. защищает организм от всего чужеродного.

Инфекция – сложный биологический процесс, возникающий в результате проникновения патогенных микробов в организм и нарушения постоянства его внутренней среды.

Патогенность – это способность микроба определенного вида при соответствующих условиях вызывать характерное для него инфекционное заболевание. Следовательно, патогенность есть видовой признак.

В природной среде встречаются биологические загрязнители, вызывающие у человека различные заболевания. Это болезнетворные микроорганизмы, вирусы, гельминты, простейшие. Они могут находиться в атмосфере, воде, почве, в теле других живых организмов, в том числе и в самом человеке.

Наиболее опасны возбудители инфекционных заболеваний. Они имеют различную устойчивость в окружающей среде. Одни способны жить вне организма человека всего несколько часов; находясь в воздухе, в воде, на разных предметах, они быстро погибают. Другие могут жить в окружающей среде от нескольких дней до нескольких лет. Для третьих окружающая среда является естественным местом обитания. Для четвертых - другие организмы, например дикие животные, являются местом сохранения и размножения.

Часто источником инфекции является почва, в которой постоянно обитают возбудители столбняка, ботулизма, газовой гангрены, некоторых грибковых заболеваний. В организм человека они могут попасть при повреждении кожных покровов, с немытыми продуктами питания, при нарушении правил гигиены.

Типичные антибиотики	Продуценты	На кого действует	Механизм действии	Трудности терапевтического применения
Пенициллины, це-фалоспорины	Грибы родов Ре nicillium , Cephalosporum	Грамположитель-ные и грамотрицательные бактерии	Нарушение синте­за клеточной стенки	Аллергические реакции
Стрептомицин, гентамицин, канамицин, тобрамицин, амикацин	Актиномицеты ро­да Streptomyces , бактерии родов Micromonospora . Bacil ­ lus		Необратимое подавление синтеза белка	Токсическое дейст­вие на слуховой нерв и почки
Одноименные антибиотики	Актиномицеты ро­да Streptomyces	Грамположительные и грамотрицательные бактерии, риккетсии, хламидии, простейшие	Обратимое подав­ление синтеза белка	Распространение устойчивых штаммов
Антибактериаль­ные: эритромицин Противогрибковые и антипротозойные: полиены	Актиномицеты ро­да Streptomyces То же	Грамположительные бактерии Грибы, некоторые простейшие	Нарушение плаз­матической мемб­раны	Токсичность
Полимиксины, грамицидины, бацитрацины	Различные микро-организмы	В основном грамотрицательные бак­терии	Механизм дейст­вия различен	Высокая токсичность