Наследственность и изменчивость микроорганизмов. Мутации. Генетические рекомбинации. Практическое значение. Понятие о генной инженерии и биотехнологии
НАВИГАЦИЯ ПО СТРАНИЦЕ
легко понять и запомнить
Наследственность и изменчивость микроорганизмов
Сохранение определенных специфических свойств организма на протяжении ряда поколений называют наследственностью. Наследственность неразрывно связана с изменчивостью, т.е. с изменением специфических свойств под действием различных факторов.
Фенотипечская изменчивость — модификационный тип, ocуществляется с помощью постоянно действующих механизмов репрессии и индукции структурных генов, не сопровождающихся их перестройкой. Это способствует выживанию тех клеток, которые лучше, адаптируются к изменяющимся условиям среды. После прекращения действий того или другого фактора микробные клетки утрачивают приобретенные признаки и возвращаются к первоначальному фенотипу. Их генотип при этом не подвергается изменениям.
Генотипическая изменчивость — мутационно-рекомбинационный механизм — связан с образованием в микробной популяции измененных генотипов, постоянно возникающих в результате мутаций, комбинаций, внесения внешней информации с транспозируемыми элементами. Прокариотам не свойственно половое размножение. Рекомбинация у них происходит в результате внутригеномных перестроек, заключающихся в изменении локализации генов в пределах хромосомы, или при проникновении в клетку реципиента части ДНК донора.
Мутации у бактерий
Мутации — это изменения в последовательности отдельных нуклеотидов ДНК, которые ведут к изменениям морфологии бактериальной клетки, возникновению потребностей в факторах роста (например, в аминокислотах, витаминах, т.е. ауксотрофности); к развитию устойчивости к антибиотикам, изменению чувствительности к температуре, снижению вирулентности (аттенуация) и т.д.
По протяженности повреждений ДНК различают мутации точечные, когда повреждения ограничиваются одной парой нуклеотидов, и протяженные, или аберрации. В последнем случае могут наблюдаться выпадения нескольких пар нуклеотидов, которые называются делецией, добавление нуклеотидных пар, т.е. дупликация, перемещение фрагментов хромосомы, транслокация, и перестановки нуклеотидных пар — инверсии.
Мутации могут быть спонтанными, т.е. возникающими самопроизвольно, без воздействия извне, и индуцированными.
Точечные спонтанные мутации возникают в результате ошибок при репликации ДНК, что связано с таутомерным перемещением электронов в азотистых основаниях.
Спонтанные хромосомные аберрации появляются вследствие перемещения подвижных генетических элементов.
Индуцированные мутации происходят под влиянием внешних факторов, которые называются мутагенами. Мутагены бывают физическими (УФ-лучи, γ-радиация), химическими (аналоги пуриновых и пиримидиновых оснований, азотистая кислота и ее аналоги и другие соединения) и биологическими — транспозоны.
На бактериях, подвергнутых УФ-облучению, было показано, что повреждения в бактериальных ДНК, вызванные облучением, могут частично исправляться благодаря наличию репарационных систем. У различных бактерий имеется несколько типов репарационных систем. Один тип репарации протекает на свету, он связан с деятельностью фотореактивирующегося фермента, который расщепляет тиминовый димер. При темновой репарации дефектные участки цепи ДНК удаляются, и образовавшаяся брешь достраивается при помощи ДНК-полимеразы на матрице сохранившейся цепи и соединяется с цепью лигазой.
Мутация, приводящая к потере функции, называется прямой мутацией. У мутантов может произойти восстановление исходных свойств, т.е. реверсия. Если происходит восстановление исходного генотипа, то мутация, восстанавливающая генотип и фенотип, является обратной или прямой реверсией. Если мутация восстанавливает фенотип, не восстанавливая генотип, то такая мутация называется супрессорной. Супрессорные мутации могут возникать как в пределах того самого гена, в котором произошла первичная мутация, так и в других генах или могут быть связаны с мутациями в тРНК.
По фенотипическим последствиям мутации подразделяют на нейтральные, условно-летальные и летальные.
Значение в диагностике: Мутации проявляются в фенотипе в виде утраты или изменения морфологических и биохимических признаков, например жгутиков, пилей, капсулы, клеточной стенки; способности ферментировать какие-либо углеводы, синтезировать определенные аминокислоты, витамины и другие соединения, возникновении устойчивости к лекарственным или дезинфицирующим веществам и т.д.
Рекомбинация у бактерий
Генетическая рекомбинация — это взаимодействие между двумя геномами, т.е. между двумя ДНК, обладающими различными генотипами, которое приводит к образованию рекомбинантной ДНК, формированию дочернего генома, сочетающего гены обоих родителей.
Отсутствие полового размножения и мейоза, в процессе которых у высших организмов происходит рекомбинация, а также гаплоидный набор генов и определяют особенности рекомбинации у бактерий. В процессе рекомбинации бактерии условно делятся на клетки-доноры, которые передают генетический материал, и клетки-реципиенты, которые воспринимают его. В клетку-реципиент проникает не вся, а только часть хромосомы клетки-донора, что приводит к формированию неполной зиготы — мерозиготы. В результате рекомбинации в мерозиготе образуется только один рекомбинант, генотип которого представлен в основном генотипом реципиента с включенным в него фрагментом хромосомы донора. Реципрокные рекомбинанты не образуются. По молекулярному механизму генетическая рекомбинация у бактерий делится на три вида: гомологичную, сайт-специфическую и незаконную.
Гомологичная рекомбинация. При гомологичной рекомбинации в процессе разрыва и воссоединения ДНК происходит обмен между участками ДНК, обладающими высокой степенью гомологичности. Процесс гомологичной рекомбинации находится под контролем генов, объединенных в REC-систему, состоящую из генов recA,B,C,D.
Сайт-специфическая рекомбинация происходит в определенных участках генома и не требует высокой степени гомологии ДНК. Не зависит от функционирования генов recA,B,C,D.
Незаконная или репликативная рекомбинация не зависит от функционирования генов recА,B,C,D. Примером ее является транспозиция подвижных генетических элементов по репликону или между ними.
Понятие о генной инженерии и биотехнологии
Биотехнология — наука, которая на основе изучения процессов жизнедеятельности живых организмов, главным образом микроорганизмов, животных и растительных клеток, использует эти биологические процессы, а также сами биологические объекты для промышленного производства продуктов, необходимых для жизни человека или воспроизведения биоэффектов, не проявляющихся в естественных условиях.
Из бактерий в биотехнологии чаще всего используются: род Acetobacter — для превращение этанола в уксусную кислоту, в углекислый газ и воду; род Bacillus — для получения ферментов (В. subtilis); молочно-кислые бактерии (Lactobacillus и др.); и др.
Из грибов для получения разнообразных антибиотиков применяют Penicilium chrysogenium, Cefalosporum acremonium, Streptomyces spp. и др. Препараты дрожжей используют в хлебопечении, пивоварении, виноделии, получении соков, кормового белка, питательных сред для выращивания бактерий и культур животных клеток.
Из культур клеток растений (так же как и из растений) можно получать разнообразные соединения, используемые в медицине (алкалоиды, противовоспалительные вещества, противоопухолевые, противобактериальные, сердечные и мочегонные средства, ферменты, опиаты, витамины и др.), сельском хозяйстве, химической и других отраслях промышленности.
Животные клетки используют как для получения продукции, синтезируемой клетками, так и для выращивания в клетках вирусов в целях создания из них вакцин и диагностических препаратов.
Генетическая инженерия является основой биотехнологии. Она, по существу, сводится к генетической рекомбинации.
Метод рекомбинации in vitro или генетической инженерии заключается в:
выделении или синтезе ДНК из отличающихся друг от друга организмов или клеток;
получении гибридных молекул ДНК;
введении рекомбинантных (гибридных) молекул в живые клетки;
создании условий для экспрессии и секреции продуктов, кодируемых генами.
Полезные ссылки:
