Генетика микроорганизмов.
Генетика микроорганизмов – наука о законах наследственности и изменчивости, которая обладает присущими особенностями, отвечающими строению и их биологии. Больше всего исследована генетика бактерий. Бактерии характеризуются малыми размерами и большой скоростью размножения. Эти особенности позволяют отследить генетические изменения за незначительный отрезок времени на максимальном числе популяций. Клетка бактерии обладает одинарным набором генов, то есть отсутствуют аллели. Хромосома у бактерий представляет собой полинуклеотид (две связанные полинуклеотидные цепочки, которые образуют ДНК).
Длина хромосомы составляет 1000 мкм, а молярная масса примерно 1,5.2-10'Д. Она суперспирализована и сомкнута в кольцо, включает 3000 – 5000 генов. В цитоплазме бактерий подобно хромосоме расположены ковалентно замкнутые кольца ДНК, которые называются плазмидами (или внехромосомные факторы наследственности). Плазмиды обладают значительно меньшей массой, чем хромосомы. Хромосома и плазмида обладают способностью к независимому самокопированию, репликации, поэтому получили название репликоны. Свойства микроорганизмов, как у других организмов, обусловливаются их генотипом, то есть набором генов данной особи. Термин геном касательно микроорганизмов является практически синонимом понятия генотип.
Фенотип – следствие взаимодействия генотипа с окружающей средой, то есть проявление генотипа в определенных условиях обитания. Фенотип микроорганизмов зависит не только от окружающей среды, он так же контролируется генотипом. Характер и степень допустимых для данной клетки фенотипических изменений обусловливаются набором генов, представленный конкретным участком молекулы ДНК.
Основу генетической изменчивости составляет реакция генотипа на обстоятельства окружающей среды или видоизменение самого генотипа как результат мутации генов или их рекомбинации. Вследствие этого фенотипическую изменчивость можно разделить на ненаследственную и наследственную.
Ненаследственная или средовая, модификационная изменчивость определяется влиянием внутренних и внешних клеточных факторов на проявление генотипа. Если убрать причины, вызывающие модификацию, возникшие изменения исчезают. Наследственная или генотипическая изменчивость связанна с мутациями и называется мутационная изменчивость. Так в основе мутации лежит изменение порядка нуклеотидов в ДНК, полная или частичная их утрата, так как идет структурная перестройка генов, которая проявляется фенотипически как измененный признак. Наследственная изменчивость связана с рекомбинациями и называется рекомбинационной изменчивостью.
Мутации.
Информация, которую несёт ДНК, не является чем-то абсолютно стабильным. Если бы она была таковой, то диапазон реакций родственных микроорганизмов на внешнее воздействие был бы постоянным, а значит, внезапное изменение условий внешней среды для микроорганизмов с «застывшим» генотипом привело бы к исчезновению вида. Реальная нестабильность генома вызвана мутациями, обменом генетической информацией между донором и реципиентом (см. ниже).
Термин «мутация» предложил де Фриз как понятие «скачкообразного изменения наследственного признака» при изучении наследственности у растений. Позднее Бейеринк распространил это понятие и на бактерии. Мутация — изменение первичной структуры ДИК, проявляющееся наследственно закреплённой утратой или изменением какого-либо признака или группы признаков. Мутации подразделяют по происхождению, характеру изменений структуры ДНК, фенотипическим последствиям для клетки-мутанта и др. Факторы, вызывающие мутации, известны как мутагены.
Они обычно имеют физическую или химическую природу. По происхождению выделяют мутации индуцированные, то есть вызванные искусственно, и спонтанные {«дикие», возникают в популяции бактерий без видимого вмешательства извне).
Виды рекомбинаций у бактерий и вирусов.
Рекомбинация (ре + лат. combinatio. соединение). возникновение новых последовательностей ДНК в результате разрывов и последующих восстановлений ее молекул. В итоге таких изменений ДНК бактерий появляются так называемые рекомбинан-тные штаммы, или рекомбинанты. Процесс рекомбинации у бактерий имеет некоторые отличия, связанные с особенностями их генетического аппарата, форм генетического обмена.
Именно на микробных объектах были открыты формы переноса генетического материала - - трансформация,трансдукция, конъюгация, неизвестные классической генетике, с помощью которых изучаются молекулярные механизмы генетических рекомбинаций.В процессе генетического переноса участвуют бактерия-реципиент и бактерия-донор. Степень участия их неравномерна: в ре-ципиентную клетку попадает лишь фрагмент экзогенной ДНК бактерии-донора, который взаимодействует с цельной хромосомой реципиента, в результате чего происходит частичное перераспределение (рекомбинация) генетического материала с образованием рекомбинанта. Все этапы рекомбинации у бактерий обеспечиваются соответствующими ферментами: рестриктазами, лигазами и др.
У бактерий различают три типа рекомбинаций: общую, "незаконную" и сайт-специфическую.
Общая, или гомологичная, классическая, рекомбинация происходит, если в структуре взаимодействующей ДНК имеются гомологичные участки (от греч. homologia. соответствие).
Так называемая "незаконная" рекомбинация для своего осуществления не требует значительной гомологии ДНК взаимодействующих структур для интеграции с негомологичными участками репликонов. Транспозоны - - более сложные генетические структуры ДНК, І которые содержат в своем составе IS-элементы и дополнительные гены (например, гены лекарственной устойчивости и др). Подвижные генетические элементы вызывают повреждение или инактивацию генов, слияние репликонов, распространение re- jнов среди бактерий.Общая рекомбинация наиболее эффективна при внутривидовом генетическом обмене, "незаконная" рекомбинация играет важную роль не только в пределах отдельных видов, но и между бактериями различных видов и родов.
Третьей разновидностью рекомбинации является так называемая сайт-специфическая рекомбинация (от англ, seit. местоположение, участок), для осуществления которой необходимы строго определенные последовательности ДНК и специальные ферменты.Сайт-специфическая рекомбинация происходит в I менее протяженных участках генома (в пределах 10.20 пар нук-леотидов), например при включении профага в строго ограниченные участки (сайты) хромосомы.Наиболее изучены три типа передачи ДНК, отличающиеся I друг от друга способом ее транспортировки: трансформация, 1 трансдукция, конъюгация.