Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

17: Мікробна генетика

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    6677

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Поговоримо про секс. Бактеріальний секс. Ха! Це буде важко, оскільки бактерії не займаються сексом. Що представляє справжню проблему для бактерій (і архей теж) - як вони отримують генетичну мінливість, яка їм потрібна? Їм може знадобитися новий ген, щоб розщепити незвичайне джерело поживних речовин або деградувати антибіотик, який загрожує їх знищити - придбання гена може означати різницю між життям і смертю. Але звідки взялися б ці гени? Як би бактерії їх заволоділи? Ми вивчимо процеси, які бактерії використовують для придбання нових генів, механізми, відомі як Горизонтальний перенос генів (HGT).

    відмінювання

    Кон'югація - це процес, за допомогою якого донорська бактерія передає копію плазміди бактерії-реципієнту через пілус. Процес вимагає контакту між клітиною і клітиною. Донорська клітина (F+) має кон'югативну плазміду, екстрахромосомний шматок dsDNA, який кодує білки, необхідні для створення ниткоподібної нитки, відомої як пілус. Пілус використовується для зв'язування з реципієнтом (F-) клітиною, приводячи її в безпосередній близькості до донорської клітини. Вважається, що канал потім відкривається між двома клітинами, що дозволяє SSDNA копії плазміди проникати в клітини реципієнта. Обидві клітини потім роблять комплементарну копію до SSDNA, в результаті чого утворюються дві F+клітини, здатні до кон'югації.

    Conjugation-1024x928.png

    Відмінювання. Аденозин (Власна робота) [CC BY-SA 3.0], через Вікісховище

    Трансформація

    Процес трансформації також дозволяє бактеріальної клітині купувати нові гени, але вона не вимагає контакту клітини з клітиною. У цьому процесі нові гени набуваються безпосередньо з навколишнього середовища. Зазвичай процес вимагає донорської клітини, яка в якийсь момент лізувала і випустила оголену ДНК в навколишнє середовище. Клітина реципієнта - це та, яка здатна приймати ДНК з навколишнього середовища та включати її у власний геном, де клітина описується як компетентна.

    Існують механічні та хімічні засоби спонукання клітини до забору ДНК з навколишнього середовища, але природна компетентність визначається генетично. Процес зазвичай відбувається в кінці експоненціальної фази росту або початку стаціонарної фази, при наявності високої щільності клітин і обмежених поживних речовин. За цих умов виробляються специфічні білки, включаючи ДНК-зв'язуючі білки (транслокази ДНК), ендонуклеази та білки трансмембранних каналів. Грамонегативні клітини також роблять клітинну стінку аутолізин, для транспортування ДНК через зовнішню мембрану.

    transformation-v2-1024x488.png

    Придбання генів через трансформацію.

    Випадкові шматки ДНК зв'язуються з рецепторами на зовнішній стороні клітини, а потім транспортуються в клітину транслоказою ДНК, через трансмембранний канал, велику структуру, яка часто включає численні різні білки. Ендонуклеаза може бути використана для деградації однієї нитки dsDNA, якщо тільки SSDNA може пройти в клітину, або для розщеплення фрагмента ДНК на менші розміри.Після того, як всередині клітини ДНК повинна бути включена в бактеріальну хромосому шляхом ReCa (див. Молекулярна рекомбінація нижче), для гени, які потрібно виражати.

    Трансдукція

    Трансдукція передбачає використання вірусу, бактеріофага, який виступає в якості каналу для переміщення генів бактерій з однієї клітини в іншу, тим самим заперечуючи необхідність контакту між клітиною та клітиною. Існує два різних типи трансдукції: узагальнена трансдукція та спеціалізована трансдукція.

    Узагальнена трансдукція

    При генералізованій трансдукції бактеріальна клітина-господар інфікується або вірулентним, або помірним бактеріофагом, що бере участь у літичному циклі реплікації. Після перших трьох етапів реплікації (поглинання, проникнення і синтезу) вірус вступає в стадію збірки, під час якої виробляються повністю сформовані віріони. Під час цього етапу випадкові шматочки бактеріальної ДНК помилково упаковуються в головку фага, в результаті чого утворюється перетворююча частинка. Хоча ці частинки не здатні заразити клітину в звичайному розумінні, вони можуть зв'язуватися з новою бактеріальною клітиною-господарем і вводити їх ДНК всередину. Якщо ДНК (від першої бактеріальної клітини-господаря) включена в хромосому реципієнта, гени можуть бути експресовані.

    bacteriophage-v4-1024x750.png

    Узагальнена трансдукція.

    Спеціалізована Трансдукція

    Спеціалізована трансдукція може відбуватися тільки при помірному бактеріофазі, оскільки вона передбачає лізогенний цикл реплікації. Бактеріофаг випадковим чином прикріплюється до бактеріальної клітини-господаря, вводячи всередину вірусну ДНК. ДНК інтегрується в хромосому клітини-господаря, утворюючи профаг. У якийсь момент відбувається індукція, де профаг висічується з бактеріальної хрососоми. У спеціалізованій трансдукції висічення проводиться неправильно і частина бактеріальних генів, безпосередньо прилеглих до вірусних генів, також висічується. Оскільки ця ДНК використовується як шаблон для стадії синтезу, всі копії будуть гібридом вірусної та бактеріальної ДНК, а всі отримані віріони будуть містити як вірусну, так і бактеріальну ДНК.

    Після того, як клітина лізується, віріони виділяються для зараження інших бактеріальних клітин господаря. Кожен віріон прикріплюється до клітини-господаря і вводиться в гібрид ДНК, який може бути включений в хромосому господаря, якщо формується профаг. На цьому етапі друга бактеріальна клітина-господар може містити власну ДНК, ДНК попередньої бактеріальної клітини-господаря та вірусну ДНК.

    Specialized-Transduction-1-1024x730.png

    Молекулярна рекомбінація

    У кожному з випадків HGT процес є успішним лише в тому випадку, якщо гени можуть бути експресовані зміненою клітиною. У кон'югації гени розташовуються на плазміді, під контролем промоторів на плазміді. При трансформації та трансдукції, де оголена ДНК отримує доступ до клітини, ДНК може бути легко розщеплена клітиною без генетичної експресії. Для того щоб гени були експресовані, ДНК необхідно рекомбінувати з хромосомою реципієнта.

    Найбільш поширеним механізмом молекулярної рекомбінації є гомологічна рекомбінація, що включає білок ReCa. У цьому процесі ДНК з двох джерел парні, засновані на схожій нуклеотидній послідовності в одній області. Ендонуклеаза вибиває одну пасмо, дозволяючи ReCa з'єднувати основи з різних ниток, процес, відомий як вторгнення ниток. Перехресне між молекулами ДНК вирішується резольвазою, яка розрізає і знову з'єднує ДНК на дві окремі молекули dsDNA.

    Рекомбінація також може відбуватися за допомогою рекомбінації, специфічної для ділянки, процесу, який часто використовується вірусами для вставки свого геному в хромосому свого господаря. Цей тип рекомбінації також використовується транспозіруемимі елементами (див. Наступний розділ).

    Транспонуються елементи

    Нарешті, ми не повинні залишати тему мікробної генетики, хоча б не вивчивши роль транспозіруваних елементів або «стрибаючих генів». Хоча вони можуть відігравати дуже велику роль у активації та інактивації бактеріальних генів, найкраще пояснення походить від роботи Барбари МакКлінток у кукурудзі, яка отримала Нобелівську премію за свої дослідження в 1983 році. Вона продемонструвала, що транспозіруемие елементи можуть бути відповідальними за активацію або інактивацію генів всередині організму.

    Транспонуються елементи відносно прості за структурою, призначені для переміщення з одного місця в інше всередині молекули ДНК шляхом процесу, відомого як транспозиція. Усі транспозірувані елементи кодують для ферменту транспозази, ферменту, відповідального за транспозицію, і мають короткі перевернуті повтори (IRS) на кожному кінці.

    Transposition-1-1024x592.png

    Транспонування.

    Найпростішим транспозіруемим елементом є послідовність вставки (IS), яка містить транспозазу та IRS різної довжини. Транспозон, як правило, містить додаткові гени, з точним типом варіюється широко від транспозон до транспозон. Транспозон може бути видалений з одного місця і перемістити в інше (модель вирізати і вставити), процес відомий як консервативна транспозиція. Крім того, його можна скопіювати, коли копія вставляється на другий сайт, у процесі, відомому як реплікативна транспозиція.

    Ключові слова

    Горизонтальний перенос генів (HGT), кон'югація, донор, реципієнт, кон'югативна плазміда, F-, F, перетворення, гола ДНК, компетентна клітина, транслоказа ДНК, ендонуклеаза, аутолізин, ReCa, трансдукція, генералізована трансдукція, перетворююча частинка, спеціалізована трансдукція, молекулярна рекомбінація, гомологічна рекомбінація, резольваза, сайт-специфічна рекомбінація, транспозіруються елементи, транспозиція, транспозаза, інвертовані повтори (ІК), послідовність вставки (ІС), транспозон, консервативна транспозиція, реплікативна транспозиція.

    Основні питання/цілі

    1. Що таке горизонтальний перенос генів? Які три механізми, щоб це відбувалося у бактерій?
    2. Які компоненти необхідні для процесів перетворення, сполучення та трансдукції? Як відбувається кожен процес? Які гени беруть участь в кожному процесі?
    3. Чим відрізняються узагальнена і спеціалізована трансдукція? Який кінцевий результат кожного?
    4. Що таке рекомбінація? Яке значення мають бактерії та архей?
    5. Які існують два типи рекомбінації? Які деталі кожного типу? Які компоненти потрібні для кожного типу?
    6. Що таке транспонування? Що потрібно для того, щоб процес відбувся? Що таке транспозіруемий елемент?

    Дослідницькі питання (НЕОБОВ'ЯЗКОВО)

    1. Як можна використовувати транспозони при вивченні бактеріальної генетики?