Генетика микроорганизмов бактерий и вирусов

Генетика бактерий и вирусов.

Молекулярная биология, изучающая фундаментальные основы жизни, является в значительной степени детищем микробиологии. В качестве основных объектов изучения в ней используют вирусы и бактерии, а основное направление- молекулярная генетика основана на генетике бактерий и фагов.

Бактерии- удобный материал для генетики. Их отличает:

- относительная простота генома (сопокупности нуклеотидов хромосом);

- гаплоидность (один набор генов), исключающая доминантность признаков;

- различные интегрированные в хромосомы и обособленные фрагменты ДНК ;

- половая дифференциация в виде донорских и реципиентных клеток;

- легкость культивирования, быстрота накопления биомасс.

Общие представления о генетике.

Ген- уникальная структурная единица наследственности, носитель и хранитель жизни. Он имеет три фундаментальные функции .

1. Непрерывность наследственности - обеспечивается механизмом репликации ДНК.

2. Управление структурами и функциями организма - обеспечивается с помощью единого генетического кода из четырех оснований (А- аденин, Т- тимин, Г- гуанин, Ц- цитозин). Код триплетный, поскольку кодон - функциональная единица, кодирующая аминокислоту, состоит из трех оснований (букв).

3. Эволюция организмов- благодаря мутациям и генетическим рекомбинациям.

В узкоспециальном плане ген чаще всего представляет структурную единицу ДНК, расположение кодонов в которой детерминирует первичную структуру соответствующей полипептидной цепи (белка). Хромосома состоит из особых функциональных единиц- оперонов.

Основные этапы развития (усложнения) генетической системы можно представить в виде следующей схемы:

кодон  ген  оперон  геном вирусов и плазмид  хромосома прокариот (нуклеоид)  хромосомы эукариот (ядро).

Генетический материал бактерий.

1. Ядерные структуры бактерий - хроматиновые тельца или нуклеоиды (хромосомная ДНК). У бактерий одна замкнутая кольцевидная хромосома (до 4 тысяч отдельных генов). Бактериальная клетка гаплоидна, а удвоение хромосомы (репликация ДНК) сопровождается делением клетки. Вегетативная репликация хромосомной (и плазмидной) ДНК обусловливает передачу генетической информации по вертикали- от родительской клетки- к дочерней. Передача генетической информации по горизонтали осуществляется различными механизмами- в результате конъюгации, трансдукции, трансформации, сексдукции.

2.Внехромосомные молекулы ДНК представлены плазмидами, мигрирующими генетическими элементами- транспозонами и инсервационными (вставочными) или IS - последовательностями.

Плазмиды- экстрахромосомный генетический материал (ДНК), более просто устроенные по сравнению с вирусами организмы, наделяющие бактерии дополнительными полезными свойствами. По молекулярной массе плазмиды значительно меньше хромосомной ДНК, содержат от 40 до 50 генов.

Их объединение в одно царство жизни с вирусами связано с наличием ряда общих свойств- отсутствием собственных систем мобилизации энергии и синтеза белка, саморепликацией генома, абсолютным внутриклеточным паразитизмом.

Их выделение в отдельный класс определяется существенными отличиями от вирусов.

1.Среда их обитания- только бактерии (среди вирусов , кроме вирусов бактерий- бактериофагов имеются вирусы растений и животных).

2.Плазмиды сосуществуют с бактериями, наделяя их дополнительными свойствами. У вирусов эти свойства могут быть только у умеренных фагов при лизогении бактерий, чаще же всего вирусы вызывают отрицательный последствия, лизис клеток.

3.Геном представлен двунитевой ДНК.

4.Плазмиды представляют собой “голые” геномы, не имеющие никакой оболочки, их репликация не требует синтеза структурных белков и процессов самосборки.

Плазмиды могут распространяться по вертикали (при клеточном делении) и по горизонтали, прежде всего путем конъюгационного переноса. В зависимости от наличия или отсутствия механизма самопереноса (его контролируют гены tra- оперона) выделяют конъюгативные и неконъюгативные плазмиды. Плазмиды могут встраиваться в хромосому бактерий- интегративные плазмиды или находиться в виде отдельной структуры- автономные плазмиды ( эписомы ).

Классификация и биологическая роль плазмид.

Функциональная классификация плазмид основана на свойствах, которыми они наделяют бактерии. Среди них- способность продуцировать экзотоксины и ферменты, устойчивость к лекарственным препаратам, синтез бактериоцинов.

Основные категории плазмид.

1.F- плазмиды - донорские функции, индуцируют деление (от fertility - плодовитость). Интегрированные F - плазмиды- Hfr- плазмиды (высокой частоты рекомбинаций).

2.R- плазмиды (resistance) - устойчивость к лекарственным препаратам.

3.Col- плазмиды- синтез колицинов (бактериоцинов)- факторов конкуренции близкородственных бактерий (антогонизм). На этом свойстве основано колицинотипирование штаммов.

4.Hly- плазмиды- синтез гемолизинов.

5.Ent- плазмиды- синтез энтеротоксинов.

6.Tox- плазмиды- токсинообразование.

Близкородственные плазмиды не способны стабильно сосуществовать, что позволило объединить их по степени родства в Inc- группы (incompatibility- несовместимость).

Биологическая роль плазмид многообразна, в том числе:

- контроль генетического обмена бактерий;

- контроль синтеза факторов патогенности;

- совершенствование защиты бактерий.

Бактерии для плазмид- среда обитания, плазмиды для них- переносимые между ними дополнительные геномы с наборами генов, благоприятствующих сохранению бактерий в природе.

Мигрирующие генетические элементы - отдельные участки ДНК, способные определять свой перенос между хромосомами или хромосомой и плазмидой с помощью фермента рекомбинации транспозазы . Простейшим их типом являются инсерционные последовательности ( IS - элементы) или вставочные элементы , несущие только один ген транспозазы, с помощью которой IS- элементы могут встраиваться в различные участки хромосомы. Их функции- координация взаимодействия плазмид, умеренных фагов, транспозонов и генофора для обеспечения репродукции, регуляция активности генов, индукция мутаций. Величина IS- элементов не превышает 1500 пар оснований.

Транспозоны ( Tn - элементы) включают до 25 тысяч пар нуклеотидов, содержат фрагмент ДНК, несущий специфические гены, и два Is- элемента. Каждый транспозон содержит гены, привносящие важные для бактерии характеристики, как и плазмиды (множественная устойчивость к антибиотикам, токсинообразование и т.д.). Транспозоны- самоинтегрирующиеся фрагменты ДНК, могут встраиваться и перемещаться среди хромосом, плазмид, умеренных фагов, т.е. обладают потенциальной способностью распространяться среди различных видов бактерий.

Понятие о генотипе и фенотипе.

Генотип- вся совокупность имеющихся у организма генов.

Фенотип - совокупность реализованных (т.е. внешних) генетически детерминированных признаков, т.е. индивидуальное (в определенных условиях внешней среды) проявление генотипа. При изменении условий существования фенотип бактерий изменяется при сохранении генотипа.

Изменчивость у бактерий может быть ненаследуемой ( модификационной) и генотипической ( мутации, рекомбинации).

Временные, наследственно не закрепленные изменения, возникающие как адаптивные реакции бактерий на изменения окружающей среды, называются модификациями (чаще - морфологические и биохимические модификации). После устранения причины бактерии реверсируют к исходному фенотипу.

Стандартное проявление модификации- распределение однородной популяции на две или более двух типов- диссоциация. Пример- характер роста на питательных средах: S- (гладкие) колонии, R- (шероховатые) колонии, M- (мукоидные, слизистые) колонии, D- (карликовые) колонии. Диссоциация протекает обычно в направлении S R. Диссоциация сопровождается изменениями биохимических, морфологических, антигенных и вирулентных свойств возбудителей.

Мутации - скачкообразные изменения наследственного признака. Могут быть спонтанные и индуцированные, генные (изменения одного гена) и хромосомные (изменения двух или более двух участков хромосомы).

Одновременно у бактерий имеются различные механизмы репарации мутаций , в том числе с использованием ферментов- эндонуклеаз, лигаз, ДНК- полимеразы.

Генетические рекомбинации- изменчивость, связанная с обменом генетической информации. Генетические рекомбинации могут осуществляться путем трансформации, трансдукции, конъюгации, слияния протопластов.

1.Трансформация- захват и поглощение фрагментов чужой ДНК и образование на этой основе рекомбинанта.

2.Трансдукция- перенос генетического материала фагами (умеренными фагами- специфическая трансдукция).

3.Конъюгация- при непосредственном контакте клеток. Контролируется tra (transfer) опероном. Главную роль играют конъюгативные F- плазмиды.

Геном вирусов содержит или РНК, или ДНК (РНК- и ДНК- вирусы соответственно). Выделяют позитивную (+) РНК, обладающую матричной активностью и соответственно- инфекционными свойствами, и негативную ( - ) РНК, не проявляющую инфекционные свойства, которая для воспроизводства толжна транскрибироваться (превращаться) в +РНК. Механизмы репродукции различных вирусов очень сложные и существенно отличаются. Основные их схематические варианты представлены ниже.

1. вирионная (матричная) +РНК  комплементарная -РНК (в рибосомах)  вирионная +РНК.

2. - РНК  вирусная (информационная) +РНК  - РНК (формируется на геноме зараженной клетки).

3. однонитевая ДНК: +ДНК  +ДНК -ДНК  +ДНК -ДНК +ДНК  +ДНК.

4. ретровирусная однонитевая РНК: РНК  ДНК (провирус)  РНК.

5. двунитевая ДНК: разделение нитей ДНК и формирование на каждой комплементарной нити ДНК.

Генофонд вирусов создается и пополняется из четырех основных источников:

двух внутренних (мутации, рекомбинации) и двух внешних (включение в геном генетического материала клетки хозяина, поток генов из других вирусных популяций).

Комплементация - функциональное взаимодействие двух дефектных вирусов, способствующее их репликации и горизонтальной передаче.

Фенотипическое смешивание - при заражении клетки близкородственными вирусами с образованием вирионов с гибридными капсидами, кодируемыми геномами двух вирусов.

Популяционная изменчивость вирусов связана с двумя разнонаправленными процессами - мутациями и селекцией, связанными с внешней средой как индуктором мутаций и фактором стабилизирующего отбора. Гетерогенность вирусных популяций- адаптационный генетический механизм, способствующий пластичности (устойчивости, приспособляемости) популяций, фактор эволюции и сохранения видов во внешней среде.

Генофонд вирусных популяций сохраняется за счет нескольких механизмов:

- восстановления изменчивости за счет мутаций;

- резервирующих механизмов (возможность перехода любых, даже негативных мутаций в следующую генерацию)- комплементация, рекомбинация;

- буферных механизмов (образование дефектных вирусных частиц, иммунных комплексов и др.), способствующие сохранению вируса в изменяющихся внешних условиях.

5.1. Особенности генетики микроорганизмов

Генетика – это наука о наследственности и наследуемой и ненаследуемой изменчивости.

В настоящее время генетика является подлинным фундаментом для молекулярной и клеточной биологии. В свою очередь, результаты исследований в области генетики микроорганизмов (бактерий, вирусов, грибов и простейших) оказались весьма важными для выяснения всех основных генетических закономерностей и принципов.

Это связано с тем, что изучение структуры и функции генетического материала, который может самовоспроизводиться, подвергаться изменениям и проявляться самыми разными способами, является чрезвычайно сложной задачей. Поэтому более простой по устройству организм является и наиболее удобной моделью для изучения этих процессов. Впоследствии было выявлено, что механизмы наследования признаков у высших организмов и бактерий имеют очень много общего. Бактерии и вирусы (в том числе вирусы бактерий – бактериофаги) оказались наиболее подходящими объектами для изучения природы генетического материала, его организации и функционирования.

Это было обусловлено следующими преимуществами работы с микроорганизмами:

Гаплоидное строение генома, т.е. у бактерий имеется лишь одна хромосома-нуклеоид, что позволяет оценить генетические изменения уже в первом поколении бактериальных клеток.

Высокая скорость размножения.

Относительно простое строение (особенно у вирусов).

Удобство культивирования с возможностью быстрого изменения внешних условий.

Высокая разрешающая способность генетического анализа микроорганизмов с обнаружением мутаций, возникающих с частотой 10 -9 и менее.

Способность к комбинативной и мутационной изменчивости.

Наиболее интенсивно изучаемый вид в генетике микроорганизмов – это нормальный обитатель кишечника человека Escherichia coli. Данная бактерия легко культивируется в жидкой питательной среде, содержащей некоторые соли и простой источник углерода, например глюкозу. Из этих соединений Е.coli способна синтезировать все сложные органические молекулы, образующие клетку. За сутки культивирования популяция, возникшая из одной-единственной клетки Е.coli, может достигнуть 2-3*10 9 бактерий на 1 мл среды.

Полученную культуру засевают на чашку Петри с питательной средой. После инкубации бактерии начинают быстро делиться и дают на агаре колонии, которые являются потомками единственной микробной клетки. Отсюда можно получить чистую культуру любой мутантной бактерии, присутствовавшей в исходной бактериальной взвеси.

Помимо экспериментов на бактериях, существенный вклад в генетику внесли исследования с помощью бактериофагов – вирусов бактерий. Заражая фагом (в том числе – и с измененным геномом) чувствительную культуру микроорганизмов, можно получить большую популяцию фаговых частиц. После инкубации бактерии, размножаясь, образуют на агаре сплошной газон клеток. В местах, инфицированных бактериофагом, образуются негативные колонии или бляшки. При определенных условиях каждая негативная колония на бактериальном газоне содержит потомство одной индивидуальной частицы фага. Тем самым осуществляется накопление генетического материала фага для его последующего изучения.

Использование микробиологических систем привело к выдающимся открытиям в генетике.

На бактериях впервые была установлена химическая природа наследственного материала и заложен фундамент молекулярной генетики (О. Эвери, К. Мак-Леод, М. Мак-Карти, 1944)

На бактериях и фагах решена проблема генетического кода (Дж. Уотсон, Ф. Крик, 1953)

Доказан полуконсервативный способ репликации ДНК (М. Мезелсон, Ф. Сталь, 1958).

Изучена тонкая структура гена (С. Бензер, 1955)

Установлен механизм мутаций и рекомбинаций.

Разработана концепция оперона как модели организации генов в хромосоме (Ф. Жакоб, Ж. Моно, 1961)

Выявлено наличие информационной (матричной) РНК. Она впервые была обнаружена в 1961 г. Ф.Жакобом и Ж.Моно у бактерий, зараженных фагом, а позднее у высших организмов.

Исследования в области генетики микроорганизмов привели к созданию важнейшей прикладной отрасли современной генетики – генной инженерии.

Презентация была опубликована 7 лет назад пользователемintranet.tdmu.edu.ua

Презентация на тему: " Кафедра медицинской биологии, микробиологии, вирусологии и иммунологии ГЕНЕТИКА БАКТЕРИЙ И ВИРУСОВ. ОСНОВЫ БИОТЕХНОЛОГИИ И ГЕННОЙ ИНЖЕНЕРИИ. Лектор ас." — Транскрипт:

1 Кафедра медицинской биологии, микробиологии, вирусологии и иммунологии ГЕНЕТИКА БАКТЕРИЙ И ВИРУСОВ. ОСНОВЫ БИОТЕХНОЛОГИИ И ГЕННОЙ ИНЖЕНЕРИИ. Лектор ас. Е.В. Покрышко

2 План лекции Строение генетического аппарата клетки. Строение генетического аппарата клетки. Внехромосомные элементы наследственности. Внехромосомные элементы наследственности. Мутации. Мутации. Рекомбинации. Рекомбинации. Основы генной инженерии. Основы генной инженерии. Генетика вирусов. Генетика вирусов.

3 История развития молекулярной биотехнологии ГодСобытие 1917 Карл Ереки ввёл термін биотехнология Карл Ереки ввёл термін биотехнология 1944 Евери, МакЛеод, МакКарти доказали, что генетическим материалом является ДНК 1953 Уотсон и Крик расшифровали структуру ДНК 1970 Виделена пераая рестриктирующая эндонуклеаза 1973 Бойєр, Коэн заложили основу технологии рекомбинантных ДНК (гибрид фага λ м E. coli) 1978 Получено первый человеческий инсулин 1982 Первая вакцина для животных 1988 Открыто метод ПЦР

4 История развития молекулярной биотехнологии ГодСобытие 1990Начало работы над проектом Геном человека 1996Продажа первого рекомбинантного белка эритропоэтина перевысила 1 млрд долларов США 1996Определено генетическую последовательность всех хромосом эукариотического организма Saccharomyces srevisiae 1997 Клоновано млекопитающего из соматической клетки

5 F. Crick i J. Watson

7 Генетический материал бактерий Генетический материал бактерий представлен: одна, замкнутая в кольцо 1.хромосомой ( одна, замкнутая в кольцо ) 2.внехромосомными элементами наследственности: плазмидами транспозонами IS-элементами

8 Плазмиды Плазмиды необязательные компоненты микробных клеток, могут иметь линейную или кольцевую структуру, и неспособны к самостоя- тельной репликации. Транспозоны – мигрирующие элементы, имеют гены для переноса внутри клеток и одновременно содержат гены резистентности к антибиотикам, ионам тяжелых металов. – IS-элементы – мигрирующие гены, которые способны на перенос внутри клеток и с одного участка ДНК на другой; е - плазмиды - обязательный компонент микробных клеток, в состав которых входит ДНК и РНК.

9 Транспозон и IS элемент Транспозон содержит структурные гены иповторяющиеся участки

10 1. Координирующая: взаимодействие транспозонов, плазмид, умеренных фагов между собой и хромосомой бактерии, обеспечивая их репликацию. 1. Координирующая: взаимодействие транспозонов, плазмид, умеренных фагов между собой и хромосомой бактерии, обеспечивая их репликацию. 2. Регуляторная: вызывают инактива- цию генов, или служат промоторами (участки ДНК, которые регулируют экспрессию клеточных генов). 2. Регуляторная: вызывают инактива- цию генов, или служат промоторами (участки ДНК, которые регулируют экспрессию клеточных генов). 3. Индуцируют мутации по типу делеции или инверсии 3. Индуцируют мутации по типу делеции или инверсии Функции IS-элементов

11 1. Регуляторная. 1. Регуляторная. 2. Кодирующая. 2. Кодирующая. 3. Индуцируют мутации. 3. Индуцируют мутации. 4. Вызывают хромосомные аберрации. 4. Вызывают хромосомные аберрации. Функции транспозонов

12 Классификация плазмид По размещению в клетке: внехромосомные внехромосомные интегрироованные интегрироованные По типу передачи: конъюгативные конъюгативные (трансмиссивные, имеют tra-ген) неконъюгативные неконъюгативные По признакам, обуславливают По признакам, что обуславливают определённые свойства определённые свойства микроорганизмов микроорганизмов

13 Види плазмід Сol – продукция колицинов Сol – продукция колицинов HLy – продукция гемолизинов HLy – продукция гемолизинов Tol – расщепление толлуола, ксилола Tol – расщепление толлуола, ксилола Ent – продукция энтеротоксина Ent – продукция энтеротоксина Nif – связывание азота у K. pneumoniae Nif – связывание азота у K. pneumoniae Ti – образование опухолей у растений Ti – образование опухолей у растений Плазмиды деградации: Плазмиды деградации: Саm – расщепление камфоры Саm – расщепление камфоры Oct - расщепление октана Oct - расщепление октана Sal - расщепление салицина Sal - расщепление салицина Виды плазмид

14 Функциональные свойства плазмид Антибиотико- резистентность пенициллин Гибель клетки пенициллин Пролиферация антибиотико- резистентных штаммов R-плазмида Фертильность Реципиент F-плазмида F-пили Донор Вирулентность Нетоксигенный штамм Плазмида вирулентности Токсин Метаболизм

15 Види плазмід 1. Регуляторная 1. Регуляторная 2. Кодирующая. 2. Кодирующая. Функции плазмид

16 По происхождению: спонтанные индуцированные индуцированные По локализации: нуклеоидные цитоплазматические цитоплазматические По количеству генов, которые мутировали: генные генные хромосомные хромосомные По величине: большие (хромосомные) малые (точковые) малые (точковые) Мутации

17 Види плазмід Инверсия Инверсия Дупликация Дупликация Делеция Делеция Дислокация Дислокация Хромосомные мутации :

18 Види плазмід делеция делеция инсерция (вставка) инсерция (вставка)замена: транзиция (пуриновая основа – на пуриновую, пиримидиновая – на пиримидиновую) транзиция (пуриновая основа – на пуриновую, пиримидиновая – на пиримидиновую) трансверзия (пуриновая основа – на пиримидиновую и наоборот) трансверзия (пуриновая основа – на пиримидиновую и наоборот) Точковые мутации :

19 Мутагенные факторы Физические: 1. УФО (λ-2600 А) – наиболее сильное мутагенное действие; образуются димеры тимина, смена основ 2. Ионизирующее излучение (рентгеновское, гамма-лучи)

20 Мутагенные факторы Химические: 1. Азотистая кислота 2. N-нитрозометилмочевина – супермутаген, канцероген 3. Этилметансульфонат 4. Акридины 5. Нитрозогуанидин 6. Аналоги основ (5-бромурацил, 2-аминопурин) 7. Лекарственные препараты (нитрофураны, некоторые антибиотики

21 Мутагенные факторы Биологические: перекись водорода перекись водорода антибиотики антибиотики бактериофаги бактериофаги

22 Действие разных мутагенов на бактерии Различные физические и химические факторы повышают частоту мутаций. Ультрафиолетовое излучение и диоксин являются мутагенами и вызывают образование мутантов (коасные клетки)

23 R- и S- формы колоний

24 Свойства микробов S-колоний Клетки нормальной морфологии Клетки нормальной морфологии Диффузное помутнение бульона Диффузное помутнение бульона У подвижных видов есть жгутики У подвижных видов есть жгутики У капсульных вариантов есть капсулы У капсульных вариантов есть капсулы Биохимически более активны Биохимически более активны Полноценны в антигенном отношении Полноценны в антигенном отношении У патогенных видов – вирулентны У патогенных видов – вирулентны Выделяют в остром периоде заболевания Выделяют в остром периоде заболевания Чувствительны к бактериофагам Чувствительны к бактериофагам Менее чувствительны к фагоцитозу Менее чувствительны к фагоцитозу

25 Методы выявления мутантов По разнице скорости роста (посев на минимальную среду) По разнице скорости роста (посев на минимальную среду) Различная способность к выживанию Различная способность к выживанию Метод реплик Ледерберга Метод реплик Ледерберга

26 Метод реплик Полноценная среда Минимальная среда для обнаружения ауксотрофов

27 Световая репарация - рассоединение тиминовых димеров ферментами в присутствии света

28 Темновая репарация 1. деградация прилегающих к поврежденному участку ДНК 2. вырезание при помощи рестриктаз поврежденных участков, 3. востановление удаленного участка при помощи фермента ДНК зависимой ДНК полимеразы 4. сшивание ДНК- лигазами

29 SOS-реактивация При множественных повреждениях участки с мутациями переводятся в неактивное состояние, а их роль выполняет неповрежденный участок ДНК

30 Трансформация Трансформация ( опыты Гриффитса, 1928; Евери Мк Леода и Макарти, 1944)

32 ТРАНСДУКЦИЯ ТРАНСДУКЦИЯ (Циндер и Ледерберг, 1952) Виды: общая общая (генерализированная) специфическая специфическая абортивная абортивнаяВызывают умеренные, дефектные фаги

35 ОТЛИЧИЯ ТРАНСДУКЦИИ и ФАГОВОЙ КОНВЕРСИИ Трансдукция – перенос генетической информации из клетки в клетку при помощи фага Фаговая конверсия - экспрeссия в клетке генов бактериофага (Corynebacterium diphtheriae, Clostridium botulinum, Staphylococcus spp., Salmonella spp.)

36 КОНЪЮГАЦИЯ КОНЪЮГАЦИЯ – (Ледерберг и Тейтум, 1946)

38 рекомбинациии Трансдукция Конъюгация Трансформация

39 Трансдукция – передача генетического материала от донора реципиенту при помощи бактериофага. Трансформация – передача генетического материала от донора реципиенту при помощи изолированной ДНК. Трансформация – передача генетического материала от донора реципиенту при помощи изолированной ДНК. Конъюгация - это передача генетического материала от бактерии- донора к бактерии-реципиенту путем непосредственного контакта.

40 Молеку-лярнаябиология Микро-биология Биохимия Химическаяинженерия Генетика Клеточнаябиология Молекулярнаябиотехнология Высоко-урожайныекультурыЛекарст- венные пре- паратыВакциныДиагно-стическиеметодыВысо-копродуктив- ные сельскохо- зяйственныеживотные

41 ПРОДУЦЕНТЫ, которые чаще всего используются в биотехнологии ЭУКАРИОТЫ – ЭУКАРИОТЫ – дрожжи, плесневые грибы, культуры клеток животных, людей и растений ПРОКАРИОТЫ – ПРОКАРИОТЫ – кишечная палочка, аэробные бациллы, псевдомонады, актиномицеты.

42 Хромосомная карта E. coli

43 Биотехнологические продукты микроорганизмов - продуцентов сами клетки как источник продукта крупные молекулы (ферменты, токсины, антигены, антитела, пептидогликаны и др.) низкомолекулярные метаболиты, необходимые для роста клеток (аминокислоты, витамины, нуклеотиды, органические кислоты). антибиотики, алкалоиди, токсины, гормоны

44 СФЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БИОТЕХНОЛОГИИ

45 Основные продукты, которые получают при помощи биотехнологии В медицине В ветеринарии та с/х В пищевой промышлености В химической промышлености и энергетике АнтибиотикиВитаминыАминокислотыГормоныВакцины Компоненты крови Диагностические препараты Нуклеиновые кислоты Противоопухоле вые агенты. Кормовий белок Пищевые антибиотики ВитаминыГормоныВакцины Биологические средства защиты растений ИнсектицидыАмінокислоти Пищевой белок ФерментыАцетонЭтиленБутанолБиогазСпирты

46 Некоторые гормоны человека, продуцируемые рекомбинантнимы микроорганизмами Белок Название препарата Инсулин Гумулин, Новолин Соматостатин Протропин, Гуматроп Интерферон-альфа Роферон, Велферон Интерферон-гаммаАктимун Интерферон-бета Фрон, Бетасерон Интерлейкин-2Пролейкин Фактор некроза опухолей - Эритропоэтин Прокрит, Эпоген Гранулоцит колоние- стимулюющий фактор Филграстин, Ньюпоген Плазминоген активатор Актилиз

47 Генная инженерия – направленное изменение генома продуцента в нужном для человека направлении: пересадка в геном продуцента генов других организмов (человека, животного, растения), кодирующих синтез необходимого человеку продукта.

48 ИНСТРУМЕНТЫ" ДЛЯ ГЕННОЙ ИНЖЕНЕРИИ ФЕРМЕНТЫ (рестриктазы, лигазы, обратная транскриптаза) ФЕРМЕНТЫ (рестриктазы, лигазы, обратная транскриптаза) ВЕКТОРЫ (плазмиды, умеренные бактериофаги, космиды, транспозоны, вирусы) ВЕКТОРЫ (плазмиды, умеренные бактериофаги, космиды, транспозоны, вирусы)

49 СХЕМА ГЕННО - ИНЖЕНЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА определение локализации необходимого гена (сиквенс, генетическая карта) - клонирование (выделение) необходимого гена при помощи рестриктакз определение локализации необходимого гена (сиквенс, генетическая карта) - клонирование (выделение) необходимого гена при помощи рестриктакз взможно выдиление иРНК и комплементарный синтез необходимого гена при помощи обратной транскриптазы взможно выдиление иРНК и комплементарный синтез необходимого гена при помощи обратной транскриптазы соединение изолированного гена с геномом вектора при помощи ферментов (рестриктаз, лигаз) соединение изолированного гена с геномом вектора при помощи ферментов (рестриктаз, лигаз) введение рекомбинантного вектора в клетку- продуцент введение рекомбинантного вектора в клетку- продуцент

53 ГЕНЕТИКА ВИРУСОВ Способы увеличения информации: двухразовое считивание одной иРНК с других инициирующих кодонов двухразовое считивание одной иРНК с других инициирующих кодонов сдвиг рамки трансляции сдвиг рамки трансляции сплайсинг (вырезание интронов) сплайсинг (вырезание интронов) транскрипция с участков ДНК, что перекрываются транскрипция с участков ДНК, что перекрываются

54 У вирусов могут быть: Модификации (изменение состава белков капсида, суперкапсида под влиянием клеток) Модификации (изменение состава белков капсида, суперкапсида под влиянием клеток) Мутации (размер бляшек под агаровым покрытием, нейровирулентность для животных, чувствительность к действию химиотерапевтических агентов, ts-мутации – температурочувствительные – вирус теряет способность размножаться при повышенной температуре Мутации (размер бляшек под агаровым покрытием, нейровирулентность для животных, чувствительность к действию химиотерапевтических агентов, ts-мутации – температурочувствительные – вирус теряет способность размножаться при повышенной температуре Рекомбинации Рекомбинации

55 ВИДЫ ГЕНЕТИЧЕСКИХ РЕКОМБИНАЦИЙ У ВИРУСОВ 1. РЕКОМБИНАЦИИ: междугенная – междугенная – обмен генами обмен генами внутригенная – внутригенная – обмен частями генов обмен частями генов

56 ВИДЫ ГЕНЕТИЧЕСКИХ РЕКОМБИНАЦИЙ У ВИРУСОВ 2. Множественная реактивация: вирусная инфекция вызывается путём заражения вирионами с поовреждённым геномом, так как функцию этого гена выполняет вирус, у которого ген не повреждён. Потомство – неповреждённые вирусы. 3. Пересортировка генов: между вирусами, имеющими сегментированные геномы (вирусы гриппа человека, уток, свиней, буньявирусы, аренавирусы, реовирусы). Гибридные формы називают реасортанты.

57 ВИДЫ РЕКОМБИНАЦИЙ У ВИРУСОВ 4. Гетерозиготность: одновременной репродукции нескольких вирионов, разных по наследственным свойствам, образуются вирионы, которые содержат геном одного из родитеских штаммов и часть генома другого вируса (диплоидные или полиплоидные вирусы). Такое объединение не наследуется, но разрешает дать потомство с разными свойствами. Это вирусы гриппа, болезни Ньюкасл.

58 ВИДЫ РЕКОМБИНАЦИЙ У ВИРУСОВ 5. Транскапсидація: частЬ чужеродного генетического материла, заключённого всередину капсида другого вируса, способна переноситься в стабильной форме в чувствительные к основному вирусу клетки. Аденовирусы человека не размножаются в клетках обезьян. Но при одновременном культивировании аденовирусов и вирусов SV-40 под одним капсидом оьразуется вирус, содержащий геномы обоих вирусов, способный размножаться в клетках обезьян.

59 ВИДЫ РЕКОМБИНАЦИЙ У ВИРУСОВ 6. Кросс-реактивация (спасение маркера): реактивация инактивированного генома неинактивированным.

60 ВИДЫ НЕГЕНЕТИЧЕСКОГО ВЗАЄМОДЕЙСТВИЯ ВИРУСОВ 1. Фенотипическое смешивание 2. Негенетическая реактивация 3. Комплементация 4. Стимуляция 5. Интерференция