Żymańczyk-Duda, mikrobiologia, GENETYKA BAKTERII.docx

(22 KB) Pobierz

GENETYKA BAKTERII

Jest bardziej złożona, bakterie mogą podlegać zmianą, ale zachodzi to drogą innych procesów niż replikacja

 

PODSTAWOWE POJĘCIA

Genotyp

Fenotyp

Typ dziki – występujący naturalnie

Mutant – powstały w wyniku mutacji – hodowla bakterii (klonu lub szczepu)

Adaptacja fenotypowa – do zmian środowiska, dotyczy wszystkich komórek (nie mutantów); zmiany metabolizmu zależne od środowiska w obrębie materiału genetycznego zawieranego przez bakterie – zmienia się na tyle, na ile pozwala jej genotyp (np. przy braku tlenu niektóre mogą przejść na metabolizm beztlenowy – mogą to być zatem zmiany w szerokim zakresie)

Zmiana genotypowa - kilka komórek, selektywnie preferowanych; dochodzi wtedy, gdy dojdzie do mutacji i ta mutacja powoduje, że komórki mają przewagę w danym środowisku

 

Fenotyp u bakterii to typ procesów metabolicznych

 

MUTACJE

Ukierunkowane – ściśle zaplanowany, zdefiniowany efekt (określone miejsce, zaplanowany efekt, może być racjonalnie zaprojektowane)

Nieukierunkowane – ogólne, trudno przewidzieć rezultat; zachodzą bez projektowania, planu działania, eksperymentów, nie wiadomo gdzie zajdzie mutacja; zachodzą najczęściej miedzy bakteriami ściśle ze sobą spokrewnionymi – musi być długi obszar homologii materiału genetycznego.

 

Gen – daje w efekcie jeden polipeptyd lub łańcuch RNA

 

MUTACJE

Mutacja – trwała zmiana w DNA – dziedziczona

Mutacje:

a) letalne – nie jest zmiana dziedziczna;) ; komórka nie może przetrwać w wyniku mutacji

b) warunkowo – letalne (auksotrofy; auksotrofia – typ mutacji) – auksotrofy – bakterie o zmienionych wymaganiach pokarmowych, mutanty (bakteria, która do swojego wzrostu będzie wymagała określonych związków; np. względem witamin (np. B12), azotu, czy aminokwasów); mogą rosnąć na podłożach minimalnych nawet bez dodatku tego składnika – będą rosły jednak tylko do pewnego momentu, nie dzielą się one i przetrwają dopóki przetrwają komórki, które przenieśliśmy (przetrwają tyle, ile czas generacji)

c) ciche – zmiany trwałe, nie ujawniają się fenotypowo, są przenoszone

 

SZYBKOŚĆ MUTACJI = CZĘSTOTLIWOŚĆ

Spontaniczne, różne

 

REWERSJA –REWERTANTY – powrót do fenotypu sprzed mutacji, powrót do fenotypu wyjściowego:

 

a) prawdziwe – zniwelowana mutacja, dokładna zamiana miejsca w którym zaszła mutacja na DNA, które było tam wcześniej, powrót do DNA wyjściowego (typu dzikiego, sprzed mutacji)

b) funkcjonalne – przywrócenie dzikiego fenotypu z zachowaniem pierwotnej mutacji, np. poprzez alternatywny szlak metaboliczny (brak zmian w materiale genetycznym; odpowiedni szlak umożliwia obejście tej mutacji, niweluje skutek mutacji)

c) supresorowe – inna mutacja, eliminuje pierwotną; chodzi o produkty genów, najczęściej enzymy, eliminują skutki wcześniejszej mutacji

 

MUTACJE

Wyłącznie punktowe (bo występuje tylko jeden chromosom bakteryjny):

addycja; delecja; substytucja

 

Czynniki mutagenne i sposoby ich działania

Bromouracyl – wywołuje zmiany DNA u eukariota i prokariota

Kwas azotawy HNO2

Oranż akrydynowy – ma zdolność wbudowywania się w cząsteczkę DNA (jej średnia pasuje w srednicę nukleotydów)

Promieniowanie UV

Promieniowanie X

 

BROMOURACYL

Bromouracyl jest analogiem Tyminy (może występować w formie ketonowej i enolowej; w formie ketonowej to nie ma problemu; ale gdy w postaci enolowej – ma zdolność do utworzenia 3 wiązań wodorowych – nastąpi zamiana układu tymina – adenina na cytozyna – guanina)

 

KWAS AZOTAWY

Bardzo silny utleniacz – powoduje oksydatywną deaminacji – usuwanie grupy aminowej z jednoczesnym procesem utleniania; Adenina z grupą aminową – mogła tworzyć wiązania wodorowe (czynnik + dla wodoru i ujemna dla N) – po deaminacji może dojść jedynie do jednego typu wiązania wodorowego; ponownie zamiana pary AT na GC. Podobnie może zajść deaminacja w C i wtedy CG zamienia się na AT po replikacji.

 

PROMIENIOWANIA UV

Parowanie tyminy – tworzenie kowalencyjnego wiązania między sąsiadującymi nukleotydami; powstaje układ nieprawidłowy – wiązanie kowalencyjne (a nie fosfodiestrowe); możliwe tylko wtedy, gdy sąsiadujące TT.

 

SYSTEMY NAPRAWCZE DNA

Fotoreaktywacja – naprawa zależna od światła – enzym aktywowany przez światło – ten sam czynnik, który wywołuje mutację, jest czynnikiem wywołującym naprawę; jest skierowany wyłącznie do mutacji wywoływanej przez UV; dimer TT jest rozłączany jednoenzymatycznie – rozkładane jest jedno wiązanie, które jest przyczyną mutacji – nic nie jest wycinane

Naprawa niezależna od światła – jeżeli dojdzie do mutacji w bardzo wielu miejscach, musi być aktywowany układ kilku enzymów: endonukleazy (rozkładają wiązanie wewnątrz DNA, tam gdzie mutacja) – skutek dwie długie fragmenty DNA; egzonuklezy (usuwanie fragmentu DNA); polimeraza DNA (dołącza poprawne nukleotydy); ligaza DNA (łączy nowe nukleotydy z łańcuchem)

 

NAPRAWA DNA

MECHANIZM SOS – wywołany – mechanizm totalny, zaburzeniu ulegają wszystkie procesy metaboliczne, hydrolizowane wszystkie białka; komórka bakteryjna może go nie przeżyć:

Obecnością fagów łagodnych

Silną mutacją

Zahamowaniem replikacji

Reakcja komórki:

Spadek procesów oddechowych – zahamowane procesy utleniania

Rozpad białek – hydroliza – też białka strukturalne

Indukcja enzymów naprawczych

Biosynteza białek regulatorowych: Rec A; Lex A

Rec A:

1. hamuje replikację – przyłącza się do nici DNA

2. aktywność hydrolityczna (niska specyficzność) – hydrolizuje inne białka niespecyficznie (białka nieprawidłowe czy obce i własne)

Lex A – represor transkrypcji genów związanych z odpowiedzią SOS; blokuje promotory genów białek związanych z odpowiedzią SOS

Koniec: proteoliza Lex A z udziałem Rec A

 

IZOLACJA MUTANTÓW

Ekspozycja na mutagen (bardzo proste, wystawić pod lampę UV)

Usunięcie komórek, które nie uległy mutacji (bardzo trudne; największy problem)

Izolacja, namnożenie (nie jest aż tak skomplikowane; można hodować na podłożu pełnym i na pewno sobie wyrosną)

 

METODA ROZDZIELANIA

Auksotrofy – nie rosną na minimalnych podłożach.

Hodowla poddana mutacji

Prototrofy będą rosły na podłożu minimalnym

 

Jeśli do podłoża minimalnego doda się penicyliny (będzie to czynnik selektywny) – zabije tylko te organizmy, które mogą się dzielić, czyli prototrofy (dzikie typy bakterii, które nie uległy mutacji); przy życiu zostaną auksotrofy (te zmutowane) (nie zostaną zabite, bo się nie dzielą i nie tworzą ściany komórkowej – czynnik inicjujący penicylinę)

Wykonano posiew – podłoże pełne ze wszystkimi składnikami. Hodowla wyjściowa jest odpowiednio rozcieńczona – zmniejszenie liczby komórek na płytce. Odciska się płytkę (hodowle bakteryjne) na replikatorze; potem odciska się to na innych podłożach (mineralnych – tam wyrośnie prototroficzna, z odpowiedniego kwadratu płytki); potem np. podłoże z tryptofanem (tam auksotrofy zależne od tryptofanu), potem np. z argininą.

W ten sposób można odizolować mutanty.

 

REKOMBINACJE GENETYCZNE – TRANSFERY DNA

Dawca; biorca

TYPY ZMIENNOŚCI (NIE MA NIC WSPÓLNEGO Z ROZMNAŻANIEM):

·         Transformacja – wolne DNA z otoczenia; najczęściej mamy komórkę, która jest dawcą i biorcą (tutaj dawca najczęściej jest komórką martwą)

·         Koniugacja

·         Transdukcja

 

1. REKOMBINACJA OGÓLNA – HOMOLOGICZNA – DŁUGI OBSZAR HOMOLOGII; nici ustawiają się na zasadzie komplementarności i może dojść do rekombinacji; występuje u organizmów blisko ze sobą spokrewnionych

2. REKOMBINACJA ZLOKALIZOWANA – włączenie materiału genetycznego w ściśle określonym miejscu; krótki obszar homologii pasujący do materiału genetycznego, do którego będzie włączany – organizmy nie muszą być ze sobą spokrewnione (np. bakteriofag typu lambda i E. coli)

 

TRANSFORMACJA

Zaobserwowano u Streptococcus pnaeumaniae G(+) – mogą żyć w dwóch odmianach: bezotoczkowej (r – szorstki) i otoczone śluzową otoczką (s). śluzowa otoczka warunkuje patogenność. Zabijano temperaturą szczep S, następnie wprowadzono szczep R; mysz zainfekowana taką mieszanka przejawia objawy choroby (szczep R przejmuje patogenność ze szczepu S)

TRANSFORMACJE U BAKTERII G(+)

1. Inicjacja – synteza czynnika kompetencji; większość bakterii gotowych do zmian genetycznych to bakterie w tzw. stanie kompetencji Czynniki białkowe aktywują: nukleazy, białka wiążące DNA oraz autolizyny – odsłania zewnętrzne odsłony komórki i receptory dla dsDNA; białko wiążące znajduje się na powierzchni komórki bakteryjnej

2. Choć receptor wiążą dsDNA to do wnętrza wnika ssDNA (jest zewnętrznie hydrolizowana; dsDNA nie wnika do wnętrza komórki); DNA jest cięty i jedna nić jest degradowana przez nukleazę a druga wnika do komórki

3. Między nową nicią a genomem zachodzi rekombinacja


TRANSFORMACJA U G(-)

Np. Haemophilus influenze – wywołuje objawy grypopodobne

Komórki muszą być w stanie kompetencji

11 par zasad warunkujących homologię – może być kilka obszarów homologii; w przypadku transformacji bakterie spokrewnione; do wnętrza komórki dostaje się dsDNA, w cytoplazmie już jako ssDNA jest włączany w genom. Taka bakteria daje początek kolejnej linii komórek bakteryjnych.

 

Sztuczne transformacje – u E. coli – utraciły naturalną zdolność pobierania DNA

Komórki są wprowadzane w stan kompetencji: do roztworu dodaje się jonów Ca2+, 0st.C – na 24h; po tym otrzymuje się struktury sferyczne, następnie 90 sekundowe ogrzewanie w 40st.C – następuje proces transformacji

Warunki - DNA musi być samoreplikujący się, żeby był pobrany do wnętrza komórki

Jest to typ transformacji kluczowy dla klonowania genów

 

PRZYKŁADY SZCZEPÓW ZDOLNE DO TRANSFORMACJI:

G(+)

Streptococcus pneumoniae i Bacillus subtilis – kluczowe

G(-)

 

 

Naturalnie transformacje: Haenophilus influenzę i szczepy z rodzaju Pseudomonas

Sztuczne: E. coli, Pseudomonas aeruginosa, Salmonella typhimotium

 

KONIUGACJA – JEDNOKIERUNKOWY PRZEPŁYW DNA

Musza uczestniczyć 2 komórki bakteryjne; w przypadku transdukcji pośrednikiem był wirus; w przypadku transformacji wolne DNA

Kanałem przez który pobierany jest materiału genetyczny są pille bakteryjne (zbudowane z białka pilliny). Pilus płciowy oznacza się symbolem F. Początkowy pilus płciowy jest bardzo długi. Poszczególne monomery oddysocjowują i bakterie się do siebie zbliżają. Zachodzi przekazanie materiału genetycznego. Dawcą jest określona komórka męska; przekazywane jest dsDNA.

 

PLAZMIDY, EPISOMY

Episom (pojęcie szersze) – pozachromosomalne DNA włączone w genom gospodarza lub wolne (plazmid – replikon; zdolny do samoreplikacji, niezależnie od genomu bakteryjnego); po koniugacji obie bakterie są bakteriami męskimi

Cechy:

 

·         Liczba kopii

·         Amplifikacja (powielenie liczby plazmidów w komórce) wymaga obecności białek stałych, biorących udział w replikacji genomu

·         Niezgodność – w jednej komórce nie mogą koegzystować blisko spokrewnione plazmidy – plazmidy, których sekwencja pokrywa się w mniej więcej 50% lub więcej; są pewne fragmenty na plazmidzie, których ekspresja powoduje, że blokowane jest przyjmowanie plazmidów bliskospokrewnionych

·         Zakres gospodarzy:

1. Wąski – najpowszechniejsze; generalnie w obrębie gatunku najczęściej; rzecz dla nas korzystna

2. Szeroki – niestety też pewne typy plazmidów mają szeroki zakres gospodarzy:

a) RP4 – koniugacyjny – warunkuje oporność na apicylinę, kanamycynę i tetracyklinę

b) RSF1010 – niekoniugacyjny – warunkuje oporność na streptomycynę i sulfonamidy; aktywny tylko w tej komórce, która go posiada

 

NIEZALEŻNA REPLIKACJA PLAZMIDÓW

Liczba kopii zależy tylko i wyłącznie od cech charakterystycznych plazmidów; nie od ilości genomu bakteryjnego DNA

Selektywny czynnik, który blokuje replikację plazmidów jest oranż akrydynowy – zmienia on ramkę odczytu; jego rozmiar świetnie pasuje do średnicy helisy i interkaluje z materiałem plazmidów w ściśle określonym miejscu: oriT – w początku miejsca replikacyjnego plazmidu

 

PLAZMID – kilka cech, które musi spełniać, aby był cyznnikiem koniugacyjnym

·         Region ori T – musi dojść do hydrolizy jednej z nici i pojedyncza nić jest przekazywana dalej

·         Region mob – mobilizacji; musi ulec ten fragment ekspresji – powstają białka; komórka jest kompetentna, gotowa do wymiany materiału genetycznego

·         Inc – fragment, który jest fragmentem inkorporacyjnym (wprowadzenie materiału genetycznego do fragmentu biorcy

·         Iterony – sekwencja, do której przyłączają się białka inicjujące samorepllikację

·         Tra – 13 genów

 

PLAZMIDY KONIUGACYJNE (REGION TRA)

Escherichia coli

Bacillus

Clostridium

Nocardia

Staphylococcus

Enterococcus

Streptomyces

F – plazmid koniugacyjny – płodności

F+ – dawca męski; zawierająca plazmid

F – biorca żeński; plazmidu nie zawiera

 

REPLIKACJA PLAZMIDU – model toczącego się koła (inny rodzaj replikacji, niż w przypadku normalnej replikacji, która powoduje zwykłe zwiększenie kopii)

Efektem tego jest to, że powstają 2 komórki F+

 

RÓŻNE TYPY PŁCIOWE U E. COLI

Komórka F+ (z plazmidem) – może ona być źródłem plazmidu dla komórki F-; może też dojść do rekombinacji plazmidu z materiałem genetycznym – otrzymujemy Hfr; następnie od Hfr może dojść do: prawidłowego wycięcia plazmidu – otrzymujemy F+; może też dojść do wycięcia nieprecyzyjnego – mamy plazmid z fragmentem genomu i genom z fragmentem plazmidu – jest to F’, a plazmid to czynnik F’; jeśli taka komórka F’ będzie koniugowała z komórką F- dojdzie do tego, że plazmid z fragmentem genomu zostanie przeniesiony do F- będzie miała podwojoną część genów – otrzymamy częściową diploidalność względem określonego fragmentu DNA – merozygotę; oprócz tego z komórki Hfr może dojść do przekazania materiału genetycznego całego genomu do komórki bakterii biorcy – komórka dawcy nie zostaje jednak bez genomu – model toczącego się koła (w naturze bardzo rzadko, ale sztucznie już tak)

 

GENETYKA BAKTERII

KONIUGACJA Hfr i F-

Po 100 minutach w określonych warunkach może dojść do przeniesienia całego genomu komórki bakteryjnej; stwierdzono to na podstawie badania fenotypu bakterii – sprawdzano, które produkty występują w większym stężeniu;

 

MOBILIZACJA PLAZMIDÓW – plazmidy niekoniugacyjne mogą być przekazywane przy udziale pomocniczych plazmidów koniugacyjnych. Jako osobna cząsteczka (gdy po rekombinacji z koniugacyjnym zyska fragmenty, które umożliwiają koniugację) lub jako kointegrat dwóch plazmidów (koniugacyjnego i niekoniugacyjnego), które ulegają rozpadowi w komórce biorcy, mogą jednak też występować w postaci całej cząsteczki.

 

TYPY PLAZMIDÓW:

Determinanta r – plazmid niekoniugacyjny, który niesie oporność na antybiotyki

RTF – czynnik przenoszenie transferowy – plazmid koniugacyjny, wrażliwy na antybiotyki.

Po dojściu do rekombinacji takich plazmidów i rekombinacji z F- otrzymujemy obie komórki oporne

 

BAKTERIOCYNY – związki antybakteryjne – białka, zabijają lub hamują wzrost blisko spokrewnionych bakterii. Najczęściej hamują transport, kanały transportowe związane z transportem cukrów, glukozy, hamują również transport jonów, np. żelaza. (chodzi o konkurencję, zasoby środowiska); zjawisko bardzo istotne – flora bakteryjna w układzie pokarmowym czy oddechowym wydziela bakteriocyny i zabija inne bakterie; u zdrowego człowieka nie dochodzi do zarażenia salmonellą, ponieważ mamy kolicyny wydzielane przez E. coli

Kolicyny – produkowane przez E. coli i blisko spokrewnione bakterie – kodowane przez col plazmidy

Piocyny – produkowane przez Pseudomonas aeruginosa

Megacynybacillus megaterium

Zgłoś jeśli naruszono regulamin