1. Організація клітини прокаріотів. Розмноження прокаріотів.
2. Геномика прокаріотів.
3. Віруси. Геноміка вірусів. Різноманітність форм і життєвих циклів вірусів. Рекомбінація в різних групах вірусів.
4. Рекомбінація у прокаріот: трансформація, кон'югація, трансдукція.
1. Організація клітини прокаріотів. розмноження прокаріотів
Прокаріоти - це організми, в клітинах яких відсутня оформлене ядро. Функції ядра виконує нуклеоїд (тобто «подібний ядру»); на відміну від ядра, нуклеоїд не має власної оболонки.
Одним з представників еубактерій є кишкова паличка (Escherichia coli). Кишкова паличка становить значну частину вмісту товстого кишечника людини, а також кишечника інших тварин. Ці бактерії виробляють деякі вітаміни і перешкоджають розвитку патогенних бактерій. Однак деякі форми кишкової палички викликають запалення кишечника - ентерити. Кишкова паличка зустрічається і поза організмом людини: у воді та грунті. Кишкова паличка широко використовується в біотехнології.
Загальна характеристика прокаріотів
Тіло прокаріотів, як правило, складається з однієї клітини. Розміри прокаріотів клітин змінюються від 01-015 мкм (мікоплазми) до 30 мкм і більше. Більшість бактерій має розміри 0,2-10 мкм. Однак при неповному розбіжності клітин, які діляться виникають нитчасті, колоніальні і полінуклеоідние форми (бактероїди). У прокаріотів клітинах відсутні постійні двумембранние і одномембранні органели: пластиди і мітохондрії, ендоплазматична мережа, апарат Гольджі і їх похідні. Їх функції виконують Мезосома - складки плазматичної мембрани. У цитоплазмі фотоавтотрофної прокариот є різноманітні мембранні структури, на яких протікають реакції фотосинтезу. Іноді їх називають бактеріальними хроматофорами. Специфічною речовиною клітинної стінки прокаріот є муреин, однак у деяких прокаріотів муреин відсутня. Поверх клітинної стінки часто є слизова капсула. Простір між мембраною і клітинною стінкою служить резервуаром протонів при фотосинтезі і аеробному диханні. У рухливих бактерій є джгутики, основою яких служить білки флажеліну.
У природних умовах мутанти, позбавлені клітинної стінки, нежиттєздатні. Тому такі мутанти широко використовуються в біотехнології, оскільки не можуть існувати поза лабораторними умовами (це один з аспектів генетичної безпеки).
Специфіка будови клітини прокаріотів дозволяє виділити прокаріотів в окреме надцарство (або домініон) живої природи. Вивчено близько 3 тисяч видів прокаріотів: еубактеріі, архебактерии, спірохети, рикетсії, мікоплазми, миксобактерии, актиноміцети, ціанобактерії, а також організми з невизначеним систематичним положенням. Це види, які культивуються в лабораторних умовах. Однак існують прокаріоти, які не виділені у вигляді чистих культур. Тому справжнє їх видове різноманіття може досягати 10. 100 тисяч видів, а, може бути, і набагато більше.
Для оцінки рівня біорізноманіття прокаріот використовуються методи метагеноміка. Метагеноміка - розділ систематики мікроорганізмів, заснований на виділенні фрагментів ДНК не окремих біологічних видів, а микробоценозов (спільнот мікроорганізмів).
Екологія прокаріотів визначається типами обміну речовин. Свободноживущие гетеротрофні прокаріоти (сапротрофи) повинні повністю забезпечувати себе усіма необхідними речовинами. Такі організми називаються прототрофнимі. Однак внаслідок мутацій (включаючи делеции протяжних ділянок ДНК; у кишкової палички можуть бути втрачені 15% генома) виникають ауксотрофності біотипи. Наприклад, ауксотрофи по лейцину не можуть самостійно синтезувати лейцин, а ауксотрофи по біотину не можуть синтезувати біотин. Подвійні і множинні ауксотрофи потребують надходження двох і більше необхідних органічних речовин ззовні.
У природних умовах мутанти-ауксотрофи можуть існувати тільки при наявності відсутніх речовин у зовнішньому середовищі (наприклад, при переході до комменсализмом або паразитизму). Ауксотрофи широко використовуються в біотехнології, оскільки не можуть існувати поза лабораторними умовами (це один з аспектів генетичної безпеки).
У природних умовах прокаріоти утворюють популяції (генетичні неоднорідні безлічі організмів одного виду) і спільноти з різних видів (микробоценозов). Тоді можливо явище Протокооперація: мутант-ауксотрофи може заповнювати дефіцит необхідних речовин за рахунок взаємодії з прототрофамі по даної речовини.
Безстатеве (вегетативне) розмноження прокаріотів відбувається шляхом ділення клітин, яке називається дробленням. У деяких прокаріотів (актиноміцети) безстатеве розмноження відбувається за допомогою спор (конідій).
При розмноженні бактерій в штучних умовах (в обмеженому обсязі живильного середовища) в розвитку культури виділяється 4 періоду, або фази.
1 фаза - лаг-фаза. Чисельність бактерій збільшується дуже повільно (іноді навіть знижується). Бактерії як би освоюють нову середу.
2 фаза - фаза експоненціального зростання. Чисельність бактерій збільшується лавиноподібно, в геометричній прогресії.
3 фаза - стаціонарна фаза. Чисельність бактерій стабілізується.
4 фаза - фаза відмирання. Чисельність бактерій починає зменшуватися і незабаром активних бактерій не залишається. Наявність стаціонарної фази і фази відмирання пов'язано зі зменшенням концентрації поживних речовин і накопиченням шкідливих продуктів обміну.
У деяких видів відомий статевий процес (кон'югація). При кон'югації одна з клітин передає генетичну інформацію іншій клітці. При цьому збільшення числа особин не відбувається. Перенесення генетичної інформації може відбуватися за допомогою вірусів (трансдукція) або шляхом прямого перенесення ДНК через мембрану (трансформація).
2. Геномика прокаріотів
(На прикладі кишкової палички Escherichia coli)
Основу генома кишкової палички становлять кільцеві молекули ДНК: прокариотические хромосоми і плазміди.
Безліч молекул ДНК утворює дві взаємопов'язані підсистеми: хромосомну і плазмидную.
Хромосомна підсистема прокариотического генома
Основу хромосомної підсистеми прокариотического генома становить прокаріотична (бактеріальна) хромосома (генофором), що входить до складу нуклеоида - ядерноподобной структури. Нуклеоїд по морфології нагадує суцвіття цвітної капусти і займає приблизно 30% обсягу цитоплазми.
Бактеріальна хромосома являє собою кільцеву двуспіральную правозакрученной молекулу ДНК, яка згорнута у вторинну спіраль. Вторинна структура хромосоми підтримується за допомогою гістоноподобних (основних) білків і РНК. Точка прикріплення бактеріальної хромосоми до Мезосоми (складці плазмалемми) є точкою початку реплікації ДНК (ця точка носить назву сайту OriC). Бактеріальна хромосома подвоюється перед поділом клітини. Реплікація ДНК йде в дві сторони від сайту OriC і завершується в точці TerC. Молекули ДНК, здатні себе відтворювати шляхом реплікації, називаються реплікони.
У прокариотических хромосомах число сайтів OriC може бути збільшено, наприклад, у сінної палички Bacillus subtilis їх не менше двох.
Довжина прокариотической хромосоми становить кілька мільйонів нуклеотидних пар (мпн); наприклад, мінімальна довжина ДНК прокариотической хромосоми E. coli штаму MG1655 становить 4639221 пн (фізична довжина близько 1,5 мм).
У різних прокаріот розмір генома змінюється від до 0,5 до 6 мпн:
Приблизно 11% ДНК прокариотической хромосоми E. coli представлено «некодуючими» (нетранскрібіруемимі) послідовностями. Решта 89% ДНК транскрибуються або можуть транскрибуватися з утворенням РНК. Приблизно 75% транскрипційних одиниць ДНК (ділянка ДНК від промотора до термінатора) містить 1 ген (зазвичай це гени "домашнього господарства», тобто гени, необхідні для підтримки життєдіяльності клітини), решта 25% є Оперон (геном E. coli містить 600 ... 700 оперонов).
У типових прокариот (наприклад, у кишкової палички) в клітці, що не є одна бактеріальна хромосома. Тому прокаріоти в цілому є гаплоїдії (гаплобіонтамі).
У гаплоидов кожен ген представлений одним алелем, тому в цілому до прокариотам незастосовні поняття «домінантності» і «рецессивности»: будь-який аллель проявляється в фенотипі, якщо даний ген експресується (спостерігається моноаллельное успадкування).
У лаг-фазі в клітці є одна бактеріальна хромосома, але в фазі експоненціального зростання ДНК реплікується швидше, ніж відбувається розподіл клітини; тоді число бактеріальних хромосом на клітину збільшується до 2. 4. 8. Такий стан генетичного апарату називається полігаплоідностью.
При розподілі клітини сестринські копії бактеріальної хромосоми рівномірно розподіляються по дочірнім клітинам за допомогою Мезосома.
Механізм сегрегації хромосомної підсистеми прокариотического генома забезпечує повне збереження обсягу і якості генетичної інформації, що міститься в бактеріальної хромосомі. В результаті відбувається пряме успадкування ознак
Наприклад, якщо в популяції нормальних прокаріотів (прототрофних, «дикого типу») в одній з клітин виникає мутація, яка визначає нездатність синтезувати амінокислоту лейцин, то все потомство (клон, штам) цієї клітини не може існувати на середовищі, позбавленої лейцину (зберігає ауксотрофності по лейцину).
З генетично гетерогенної популяції прокаріотів можливе виділення штамів (клонів, генетично однорідних чистих ліній), що зберігають гаплотип бактеріальної хромосоми вихідної клітини. У чистих лініях прокаріотів рекомбінація не відбувається. Тому неможливо поява нових гаплотипов, нових поєднань ознак. Наприклад, існують стійкі подвійні ауксотрофи по біотину і метіоніну.
У деяких випадках один і той же ген прокариотической хромосоми може бути представлений двома копіями. Такі клітини (гетерогеноти) можуть нести домінантні і рецесивні алелі одного гена. Тоді спостерігається діаллельное спадкування, наприклад, нормальний аллель прототрофності по лейцину домінує над мутантним алелем ауксотрофності.
Плазмідна підсистема прокариотического генома
Крім бактеріальної хромосоми до складу геному прокаріотів входять плазміди - кільцеві молекули ДНК довжиною в тисячі пар основ Плазміди такого розміру містять кілька десятків генів. Зазвичай це «гени розкоші», що забезпечують стійкість до антибіотиків, важких металів, які кодують специфічні токсини, а також гени кон'югації і обміну генетичним матеріалом з іншими особинами. Відомі також дрібні плазміди довжиною 2. 3 тпн, що кодують не більше 2 білків. У багатьох бактерій відкриті мегаплазміди довжиною близько мільйона пн, тобто трохи менше бактеріальної хромосоми. Існують плазміди, представлені однією копією - вони реплікуються синхронно з ДНК бактеріальної хромосоми. Інші плазміди можуть бути представлені багатьма копіями, і їх реплікація відбувається незалежно від реплікації бактеріальної хромосоми. Реплікація вільних плазмід часто протікає за принципом «кільця, що котиться» - з одного кільцевої матриці ДНК зчитується «нескінченна» копія.
Реплікація плазмід може бути синхронізована з реплікацією бактерійної хромосоми, але може бути і незалежною. Відповідно, розподіл плазмід по дочірнім клітинам може бути точним або статистичними. Точна сегрегація характерна для великих малокопійних плазмід, а статистична сегрегація - для дрібних мультікопійних. В останньому випадку одна дочірня клітина отримує надлишкову (дубльовану) генетичну інформацію, а інша клітина може взагалі втратити деякі плазмідні гени
Єдність хромосомної і плазмидной підсистем прокариотического генома
Деякі плазміди можуть перебувати в автономному та в інтегрованому стані. В останньому випадку плазмида включається до складу бактеріальної хромосоми в певних точках attB. Таким чином, одна і та ж плазміда може включатися до складу хромосоми і може вирізатися з неї.
Це забезпечує обмін генетичною інформацією між різними підсистемами прокариотического генома: хромосомної і плазмидной.