Генетика прокариот

Репликация плазмид  может быть синхронизирована с репликацией бактериальной хромосомы, но может быть и независимой. Соответственно, распределение плазмид по дочерним клеткам может быть точным или статистическим. Точная сегрегация характерна для крупных малокопийных плазмид, а статистическая сегрегация – для мелких мультикопийных. В последнем случае одна дочерняя клетка получает избыточную (дублированную) генетическую информацию, а другая клетка может вообще утратить некоторые плазмидные гены  

Единство  хромосомной и  плазмидной подсистем  прокариотического генома  

Некоторые плазмиды могут находиться в автономном и в интегрированном состоянии. В последнем случае плазмида включается в состав бактериальной хромосомы в определенных точках attB. Таким образом, одна и та же плазмида может включаться в состав хромосомы и может вырезаться из нее.

Это обеспечивает обмен генетической информацией  между разными подсистемами прокариотического  генома: хромосомной и плазмидной.    

3. Вирусы. Геномика вирусов. Разнообразие форм и жизненных циклов вирусов. Рекомбинация в разных группах вирусов  

Вирусы  – это особая форма  жизни, объединяющая организмы с неклеточным  строением.

Вирусы способны существовать в двух формах: вне  клеток (свободные вирусы, или вирионы) и внутри клеток.

Вирионы состоят  из нуклеиновых кислот, заключенных в белковую оболочку – капсид. Вирионы не проявляют свойств биологических систем: у них отсутствует обмен веществ, и они неспособны к самовоспроизведению.

В состав капсида  входит строго определенное количество повторяющихся белковых субъединиц – капсомеров. Например, у вируса полиомиелита в состав капсида входит 60 капсомеров, у аденовируса – 252,  у вируса табачной мозаики – 2000.

Размеры вирусов  колеблются от 20 до 350 нм. По морфологии различают следующие формы вирусов: сферическую, палочковидную, кубоидальную, сперматозоидную. По характеру симметрии капсида различают вирусы со спиральным, кубическим (икосаэдрическим) и комбинированным типом симметрии.

Степень сложности  вириона может быть различной. У простых вирусов в состав вириона входит только нуклеиновая кислота и белки, которые связаны в единую нуклеопротеиновую структуру – нуклеокапсид. У сложных вирусов имеется дополнительная липопротеиновая оболочка – суперкапсид. В состав сложных вирионов могут входить углеводы и некоторые ферменты. Однако вирусы никогда не содержат метаболических систем, обеспечивающих обмен веществ.  

Для собственного воспроизведения вирусы должны проникнуть в клетку. Сначала происходит адсорбция (фиксация) вирионов на поверхности  клетки, а затем внутрь клетки проникает  или весь вирион или только вирусная нуклеиновая кислота. В большинстве случаев вирусы проникают в клетку путем виропексиса (этот механизм проникновения вирусов в клетку сходен с фагоцитозом).

После проникновения  в клетку вирусы вступают в вегетативно-репродуктивную фазу, то есть приобретают способность к обмену веществ и воспроизведению, причем, метаболизм вирусов неразрывно связан с метаболизмом клетки-хозяина. Таким образом, вирусы являются облигатными (обязательными) внутриклеточными паразитами. По типам клеток-хозяев различают: вирусы бактерий (бактериофаги), растений, животных и человека.  

В ряде случаев  нуклеиновые кислоты вирусов  встраиваются (интегрируются) в состав хромосом хозяина. В интегрированном  состоянии вирус называется провирусом. Провирусы неотличимы от генетического материала хозяина и воспроизводится вместе с ним.

В интегрированном (вирогенном) состоянии вирусы могут  находиться долгое время. Но в ряде случаев (при изменении физиологического состояния клетки, например, при  облучении) начинается репродукция вируса. С помощью ферментов и пластических веществ клетки идет репликация вирусных нуклеиновых кислот и вирусных белков. Путем самосборки из этих молекул формируется множество вирионов, которые покидают клетку. При этом клетка может погибнуть или сохраниться.   

Значение  вирусов. Вирусы – возбудители многих инфекционных заболеваний растений, животных и человека. В то же время, вирусы – возбудители заболеваний у нежелательных для человека организмов («враги наших врагов»). Вирусы широко используются как объекты молекулярно-генетических исследований. В генной инженерии вирусы применяются для переноса генетического материала.  

Происхождение вирусов. Существует ряд теорий происхождения вирусов. Согласно одной из теорий, вирусы – крайне упрощенные прокариотические организмы, утратившие цитоплазму. Противоположные теории рассматривают вирусы как часть генетического материала клетки, вынесенного за ее пределы.  

Значение  вирусов в первую очередь связывается с их патогенностью – способностью вызывать заболевания. Различают острые вирусные заболевания (например, грипп), хронические и латентные (скрытые). Борьба с вирусными заболеваниями человека и животных ведется с использованием неспецифических препаратов (например, интерферона), специфических сывороток и препаратов, подавляющих репродукцию вирусов. Для профилактики вирусных заболеваний применяют различные вакцины. Антибактериальные препараты (сульфаниламиды, антибиотики) на вирусы не действуют.  

Геномика  вирусов

Геном вирусов может быть представлен различными типами ДНК или РНК. На этом основании различают: ДНК-содержащие вирусы, геном которых представлен различными типами ДНК, и РНК-содержащие вирусы, геном которых представлен различными типами РНК. Нуклеиновые кислоты (ДНК или РНК) представляют собой вирусные хромосомы  

ДНК-содержащие вирусы

1 тип: геном  представлен кольцевой двухцепочечной  ДНК длиной около 5 тпн. Представители:

– обезьяний  вирус SV 40 – мелкий эукариотический вирус (кодирует 5 белков), используется в генной инженерии как вектор переноса генов.

– вирусы бородавок  человека.

2 тип: геном  представлен кольцевой одноцепочечной  ДНК длиной около 5 тпн, которая  может быть как кодирующей (+), так и антикодирующей (–). Представители:

– мелкие бактериофаги типа М13; не разрушают клетку; плюс-цепь кодирует 8 белков

– вирус золотистой мозаики фасоли.

3 тип: геном  представлен линейной двухцепочечной  ДНК длиной 30–150 тпн. Представители:

– крупные бактериофаги (типа Т4, в капсиде 130 белков) ;

– бактериофаги средних размеров (типа «лямбда», в  капсиде 38 белков);

– аденовирусы  млекопитающих и человека; средних  размеров;

– вирусы оспы, герпеса и им подобные; вирионы  крупные, есть липопротеиновая оболочка.

4 тип: геном  представлен линейной одноцепочечной  ДНК длиной около 5 тпн, которая  может быть как кодирующей (+), так и антикодирующей (–). Представители:

– спутники аденовирусов человека

5 тип: геном  представлен двухцепочечной ДНК  длиной 3–8 тпн, которая замкнута в кольцо из перекрывающихся сегментов. Представители:

– вирус гепатита В; кодирует 5 белков; имеется суперкапсид, включающий вирусные и клеточные  белки;

– вирус мозаики  цветной капусты.  

РНК-содержащие вирусы

1 тип: геном  представлен линейной двухцепочечной РНК длиной около 10 тн, которая может быть сплошной или фрагментированной. Представители:

– мелкие бактериофаги;

– вирусы полиэдроза насекомых;

– реовирусы  птиц, млекопитающих и человека (РНК  фрагментированная)

2 тип: геном  представлен одноцепочечной плюс-РНК, которая может быть сразу использована для  трансляции белков. Представители:

– вирус табачной мозаики;

– арбовирусы (вирусы клещевого энцефалита, желтой лихорадки) ;

– вирус бешенства;

– некоторые  бактериофаги

3 тип: геном  представлен одноцепочечной минус-РНК, которая используется для синтеза плюс-цепи РНК. Представители:

– вирусы гриппа (А, В, С);

– вирус кори;

– вирус чумы; 

– вирус паротита (свинки);

– вирус чумы плотоядных животных (чумки)

4 тип: ретровирусы  – геном представлен одноцепочечной плюс-РНК, которая используется для синтеза ДНК и её интеграции в хромосомы хозяина. Представитель:

– вирус иммунодефицита человека (ВИЧ)  

Жизненные (вегетативно-репродуктивные) циклы и особенности  рекомбинации у некоторых  бактериофагов  

Вегетативно-репродуктивный цикл и особенности рекомбинации у вирулентных фагов

(на примере  фага Т4)  

Фаги фиксируются  на поверхности бактериальных клеток и впрыскивают свою ДНК в цитоплазму. Происходит репликация фаговой ДНК  и синтез фаговых белков. После  достижения определенной концентрации компонентов фагов происходит самосборка новых фагов. После окончания сборки фаговых частиц происходит лизис клетки, поэтому такой жизненный цикл называется литическим.

Клетка может  быть заражена одновременно двумя и  более штаммами вируса, различающимися по некоторым признакам, например, по устойчивости к повышенной или пониженной температуре. Тогда в зараженной клетке синтезируется два типа вирусной ДНК. Эти два типа вирусной ДНК способны к рекомбинации с образованием новых типов ДНК: AB +ab → Ab + aB.

При самосборке вирионов из общего пула ДНК образуется четыре типа фагов:

исходные:

– чувствительные к повышенной температуре

– чувствительные к пониженной температуре

и рекомбинантные

– чувствительные к любым изменениям температуры

– устойчивые к любым изменениям температуры.

В результате рекомбинации происходит изменение наследственно  обусловленных свойств фагов.  

Вегетативно-репродуктивный цикл и особенности  рекомбинации у умеренных  фагов

(на  примере фага «лямбда»)  

Умеренные фаги имеют два цикла развития:

– литический (как у вирулентных фагов)

и

– лизогенный, при котором ДНК фага интегрируется в прокариотический геном  

Лизогенный  цикл умеренных фагов  включает:

– фиксацию вирионов на поверхности бактериальной клетки; введение вирусной ДНК в клетку бактерии;

– встраивание (интеграцию) вирусной ДНК в прокариотический геном;

– размножение  вирусной ДНК в составе прокариотического  генома;

– при определенных условиях фаг активируется: синтезируется  свободная вирусная ДНК и происходит синтез вирусных белков, а затем самосборка вирионов;

– вирионы выходят  во внешнюю среду и заражают новые  бактериальные клетки.  

При вырезании  фаговой ДНК из прокариотического  генома фаг ведет себя подобно  плазмиде. В некоторых случаях  происходит рекомбинация фаговой и прокариотической ДНК: обмен генами фага и бактерии. Тогда фаг будет содержать часть генов прокариотической клетки.

Фаг, содержащий рекомбинантную ДНК, включающую часть  генов прокариотической клетки, способен инфицировать новые клетки, но не способен к интеграции в прокариотическую ДНК. Для интеграции прокариотических генов в геном другой клетки необходим фаг-помощник «дикого типа».

Умеренные фаги, несущие прокариотическую ДНК, способны осуществлять трансдукцию – перенос генетической информации от одного прокариотического штамма к другому.   
 

4. Рекомбинация у  прокариот. Трансформация,  конъюгация, трансдукция  

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.