plik


ÿþGENETYKA MOLEKULARNA BAKTERII I WIRUSÓW M. Wdzony Notatki na podstawie ró\nych zródeB internetowych (m.in. Wikipedia), zmodyfikowane Organizacja materiaBu genetycznego bakterii Pojedynczy chromosom prokariotyczny zawiera praktycznie caB informacj genetyczn. Zdecydowana wikszo[ bakterii ma chromosom kolisty i nie posiada bBony oddzielajcej go od cytoplazmy, co daje mo\liwo[ bliskiego wystpowania procesu produkcji mRNA na matrycy DNA oraz maszynerii odpowiedzialnej za biosyntez biaBek. W komórkach prokariotycznych procesy transkrypcji i translacji zachodz jednocze[nie do tego stopnia, \e mo\liwe jest rozpoczcie translacji na jednym koDcu mRNA zanim zostanie zakoDczona transkrypcja na drugim koDcu. Kolisty chromosom bakteryjny jest podzielony na kilkadziesit ptli, które maj koDce unieruchomione w biaBkowym szkielecie. BiaBka wystpujce w chromosomach bakteryjnych tzw. biaBka histonopodobne, poza organizowaniem DNA w chromosomie peBni jeszcze pewne dodatkowe funkcje przypominajc dziaBaniem czynniki transkrypcyjne w komórkach eukariotycznych. Mapa chromosomu bakteryjnego daje pewne wiadomo[ci o jego organizacji. Poza niektórymi grupami genów skupionymi w operony, nie da si zaobserwowa konkretnego wzorca, wedBug którego nastpowaBaby lokalizacja genów w chromosomie bakteryjnym. Transkrypcja operonów mo\e zachodzi dla niektórych w jednym kierunku, a dla innych w przeciwnym. Miejsce replikacji chromosomu bakteryjnego jest [ci[le okre[lone tzw.ori (origin of replication) dla ka\dego typu bakterii, ponadto podobna dla wszystkich bakterii jest aran\acja genów zarówno w ori jak i w miejscu terminacji syntezy DNA. U niektórych bakterii wydaje si wa\ne, aby w przypadku pewnych regionów genomu kierunek transkrypcji byB taki sam jak kierunek poruszania si wideBek replikacyjnych DNA. Replikacja DNA bakteryjnego W replikacji DNA gBównym problemem jest precyzyjna duplikacja sekwencji nukleotydowych, co zachodzi dziki parowaniu komplementarnemu. Proces replikacji jest semikonserwatywny, co oznacza, \e wyprodukowane podwójne helisy zawieraj jedn ni rodzicielsk i jedn nowoutworzon. Replikacja zachodzi od 5' do 3' koDca dziki polimerazom DNA. Enzymy te nie mog rozpocz syntezy nowej nici bez primera (zwykle krótka czsteczka RNA). Dobrze poznany jest mechanizm replikacji u E. coli. Proces ten zaczyna si w ori (origin of replication, okoBo 300 bp rozpoznawanych przez specyficzne biaBka). W ori podwójna helisa DNA otwiera si i zachodzi inicjacja na obu niciach jednocze[nie z utworzeniem specyficznej struktury tzw. wideBek replikacyjnych. W kolistym DNA E. coli dwukierunkowa replikacja prowadzi do powstania struktur theta. U bakterii tej s trzy polimerazy DNA: I, II i III. Polimeraza DNA III dziaBa w wideBkach replikacyjnych dodajc nowe nukleotydy. W celu zaj[cia replikacji podwójna helisa DNA jest rozwijana przez helikaz i stabilizowana przez biaBko SSBP (single stranded binding protein). Pomidzy syntez DNA na obu niciach istniej wyrazne ró\nice. Synteza na nici wiodcej 5' 3' przebiega w sposób cigBy, gdy\ jest koniec 3'OH, do którego mo\na doda nowy nukleotyd. Na drugiej nici DNA jest syntetyzowane fragmentami, poniewa\ nie ma koDca 3'OH i konieczne jest zsyntetyzowanie maBego primera RNA, aby dostarczy wolne grupy 3'OH. Po syntezie primera, primeaza jest zastpowana przez polimeraz DNA III, która dodaje nukleotydy do momentu doj[cia do uprzednio zsyntetyzowanego DNA. Wtedy polimeraza DNA III jest odBczana a pojawia si polimeraza DNA I, która poza zdolno[ci do syntezy DNA, mo\e usuwa primer RNA znajdujcy si przed ni. Po usuniciu primera polimeraza DNA I jest uwalniania i ostatnie wizanie fosfodiestrowe zostaje wyprodukowane przy pomocy ligazy DNA. Podczas syntezy DNA w wideBkach replikacyjnych nastpuj zmiany w zwiniciu DNA spowodowane przez enzymy rozplatajce oraz topoizomerazy, które w pewnym stopniu reguluj proces replikacji. BBdy replikacyjne naprawiane s przez polimeraz DNA III, która poza zdolno[ci do syntezy DNA, ma aktywno[ 3' 5' egzonukleazy, co oznacza, \e usuwa ona zle wstawiony nukleotyd i zastpuje go nukleotydem prawidBowym. System naprawczy nie zawsze zdoBa wychwyci wszystkie bBdy, co mo\e spowodowa powstanie mutacji. Regulacja ekspresji genów u bakterii Transkrypcja u bakterii Pierwszym etapem ekspresji ka\dego genu jest transkrypcja. Prowadzi ona do powstania RNA na matrycy DNA. Proces ten jest przeprowadzany przez polimeraz RNA, a prekursorami s ATP, GTP, UTP, CTP. W przeciwieDstwie do polimerazy DNA polimeraza RNA mo\e zacz now ni bez primera. Wszystkie polimerazy RNA u bakterii s skomplikowanymi enzymami skBadajcymi si z wielu podjednostek. Enzym ten u E. coli zawiera podjednostki ² , ² ', ± w dwóch kopiach oraz à , która jest luzno zwizana z pozostaBymi i Batwo mo\e oddysocjowa. Wizanie polimerazy RNA do DNA odbywa si w specjalnych miejscach promotorowych. Czsteczka à bierze udziaB tylko w formowaniu pocztkowego kompleksu polimerazy RNA z DNA i jest odpowiedzialna za rozpoznanie promotorów: sekwencji -35 od miejsca inicjacji i sekwencji Pribnow box w regionie -10 od miejsca inicjacji. W wyniku dziaBania polimerazy RNA w kierunku 5' 3' powstaje mRNA. U Prokaryota pojedyncza molekuBa mRNA czsto koduje wicej ni\ jedno biaBko ze wzgldu na wystpowanie grup genów zwanych operonami. Polimeraza RNA transkrybuje wtedy wszystkie geny z danego operonu na pojedyncz molekuB mRNA (tak zwane policystroniczne mRNA). W mRNA u Prokaryota zazwyczaj nie wystpuj introny, jednak je[li ju\ si tam znajd to s samoistnie wycinane przez RNA (zwane rybozymem). mRNA podlega na ogóB bezpo[redniej translacji natomiast tRNA i rRNA powstaj jako dBugie czsteczki prekursorowe, które s nastpnie cite w kilku miejscach w celu utworzenia dojrzaBych czsteczek RNA. Translacja u bakterii Translacja zachodzi w kilku etapach: inicjacja, elongacja, terminacja, uwolnienie i sfaBdowanie polipeptydu przy wykorzystaniu caBej maszynerii jak jest m.in. rybosom. U Prokaryota rybosomy skBadaj si z dwóch podjednostek: 30S i 50S dajcych w poBczeniu rybosom 70S. Podjednostka 30S zawiera 16S rRNA i okoBo 21 biaBek, natomiast podjednostka 50S zawiera 5S i 23S rRNA i okoBo 34 biaBek. Inicjacja syntezy biaBek zaczyna si od uformowania kompleksu zawierajcego podjednostk 30S, mRNA, tRNA dla formylometioniny i czynniki inicjatorowe. Do tego kompleksu przyBcza si podjednostka 50S. Zwizanie mRNA z rybosomem zale\y od tzw. sekwencji Shine-Dalgarno (3 do 9 nukleotydów zlokalizowanych przed kodonem inicjacyjnym na mRNA). Ta sekwencja jest komplementarna do 3' koDca 16S RNA rybosomu i pozwala komórkom prokaryotycznym na translacj policystronicznego mRNA. Proces inicjacji rozpoczyna si przyBczeniem aminoacylo-tRNA do kodonu start. U bakterii inicjatorowym aminoacylo-tRNA jest formylometionina. Terminacja syntezy biaBek zachodzi, gdy osignity zostanie kodon nonsensowny inaczej zwany kodonem stop. BiaBka uwalniaj si, a rybosom dysocjuje na dwie podjednostki. Zgromadzenie powizanych ze sob funkcyjnie genów bakteryjnych w jednym miejscu zwizane jest z regulacj przeprowadzan przez specyficzne czsteczki, umo\liwiajc kontrol ekspresji genów jednego szlaku metabolicznego. Tego typu regulacja ekspresji genów bakteryjnych bierze si z konieczno[ci efektywnego wykorzystania ograniczonych zapasów i energii oraz produkcji wyBcznie niezbdnych zwizków. PrawidBowo funkcjonujca komórka bakteryjna nie powinna syntetyzowa enzymów do metabolizmu laktozy, je\eli brak jest laktozy w po\ywce. Podobnie bezsensowne byBoby produkowanie enzymów do syntezy tryptofanu je[li znajdowaBby si on w wystarczajcej ilo[ci. Dlatego te\ komórki bakteryjne opracowaBy precyzyjne mechanizmy kontroli syntezy ró\nych zwizków oparte na strukturze ich informacji genetycznej, w której geny odpowiedzialne za konkretny szlak metaboliczny znajduj si w jednym miejscu i tworz tzw. operon. Pierwszym poznanym mechanizmem regulacji operonowej u bakterii jest proces rozkBadu laktozy u E.coli. Laktoza jest disacharydem ulegajcym rozBo\eniu na dwa cukry skBadowe: galaktoz i glukoz, pod wpBywem enzymu beta-galaktozydazy. Je[li w [rodowisku nie ma laktozy, w komórce E.coli znajduje si tylko kilka czsteczek tego enzymu. Natomiast w momencie, gdy w [rodowisku znajduje si laktoza, w komórce pojawiaj si tysice czsteczek beta-galaktozydazy. Dodatkowo zwiksza si w komórce ilo[ pozostaBych enzymów zaanga\owanych w szlak laktozowy (galaktozydopermeazy i transacetylazy galaktozydowej). Ka\dy z tych enzymów jest kodowany przez oddzielny gen jednak ich ekspresja ulega wspólnej regulacji. Geny tych trzech enzymów znajduj si w jednym liniowym odcinku na chromosomie E.coli i zostaBy oznaczone wedBug kolejno[ci wystpowania: " Z - beta galaktozydaza " Y - beta galaktozydopermeaza (biaBko transportowe) " A - transacetylaza galaktozydowa. Ekspresja wszystkich trzech genów podlega mo\e jednoczesnej indukcji przez czsteczk laktozy. Na tej podstawie stwierdzono, \e przed tymi genami musi si znajdowa niezale\ny element genetyczny, który reguluje ich ekspresj. W koDcu okazaBo si, \e w regulacji szlaku metabolicznego laktozy bierze udziaB kilka genów: " gen regulatorowy (gen lacI), który koduje czsteczk represora zdoln do przej[cia w inne miejsce, do operatora, gdzie indukuje ona sygnaB wyBczajcy operon " gen operatora, który otrzymuje sygnaB wyBczajcy z represora " trzy geny kodujce biaBka, które s transkrybowane na jedno mRNA " promotor (cz[ciowo nachodzcy na gen operatorowy), gdzie przyBcza si RNA polimeraza i indukuje syntez mRNA Operon laktozowy, lac, dziaBa w nastpujcy sposób. Gen regulatorowy produkuje czsteczk represora, która mo\e przenie[ si do miejsca wystpowania operatora, przyBczy si do niego i zahamowa transkrypcj genów strukturalnych w tym operonie. Je\eli w pobli\u nie ma czsteczek laktozy, czsteczka represora przyjmuje konformacj zdoln do zwizania si z operatorem. Gdy represor zwi\e si z operatorem, promotor jest cz[ciowo zasBonity, wobec czego polimeraza RNA nie mo\e si z nim zwiza i nie dochodzi do transkrypcji mRNA a nastpnie syntezy trzech biaBek. Je\eli natomiast w [rodowisku obecna jest laktoza, represor wi\e si z ni i przyjmuje inny ksztaBt, który nie pozwala na poBczenie si z operatorem. Promotor pozostaje odsBonity, wi\e si z polimeraz RNA i dochodzi do ekspresji genów, które nastpnie prowadz do rozkBadu laktozy. Jest to przykBad regulacji ekspresji genów na poziomie transkrypcyjnym. Ten mechanizm jest prosty i Badnie tBumaczy dlaczego komórka E.coli produkuje tylko tyle beta-galaktozydazy ile jest jej potrzebne. Jednak w rzeczywisto[ci sytuacja staje si nieco bardziej skomplikowana gdy\ komórka bakterii mo\e jednocze[nie otrzyma laktoz i glukoz. Co wtedy? Dla bakterii korzystniejsze jest rozBo\enie glukozy ni\ laktozy, poniewa\ glukoza mo\e by natychmiast zu\yta w metabolizmie, a laktoza musi zosta najpierw rozBo\ona w skomplikowanych reakcjach chemicznych. Bakteria zdolna do zu\ycia glukozy pomimo obecno[ci laktozy w po\ywce bdzie rosBa szybciej ni\ inne bakterie tym samym zdobywajc pewn nad nimi przewag. Dlatego te\ nie nale\y si dziwi, \e powstaB mechanizm tzw. represja kataboliczna, który umo\liwia bakterii zu\ywanie na pocztku glukozy, nawet gdy jest laktoza. Mechanizm represji katabolicznej opiera si na fakcie, \e polimeraza RNA Bczy si z promotorem w operonie lac du\o lepiej w obecno[ci specyficznego biaBka CAP (catabolite gene activator protein), które musi by zwizane ze specyficznym miejscem DNA poBo\onym w pobli\u tzw.CBS (CAP binding site). BiaBko CAP wi\e si z tym miejscem je[li do tego biaBka przyBcz si czsteczki cAMP, co zachodzi przy braku glukozy. Je\eli natomiast glukoza znajduje si w po\ywce, spada poziom cAMP, biaBko CAP zmienia ksztaBt, nie wi\e si z CBS, polimeraza RNA gorzej wi\e si z promotorem i synteza enzymów szlaku laktozowego zostaje spowolniona. Istniej wic trzy ró\ne poziomy aktywno[ci operonu lac, zale\ne od obecno[ci laktozy i glukozy w po\ywce oraz regulowane przez trzy ró\ne biaBka: lac represor, polimeraz RNA i CAP. Najni\szy poziom ekspresji zachodzi pod nieobecno[ laktozy: nie ma substratu, niepotrzebne s enzymy do katalizy, represor lac jest poBczony z operonem i blokuje wizanie si polimerazy RNA. Najwy\szy poziom ekspresji obserwuje si przy obecno[ci laktozy, lecz braku glukozy: laktoza wi\e represor uniemo\liwiajc mu zwizanie si z operatorem, co z kolei pozwala na przyBczenie polimerazy RNA, a dodatkowo wysoki poziom cAMP i Bczenie si go z CAP i CAP z CBS co w rezultacie uaktywnia polimeraz RNA. Model regulacji rozkBadu laktozy w operonie lac jest jednym z wielu, jakie funkcjonuj w komórkach bakteryjnych. Jest to przykBad pozytywnej regulacji ekspresji gdy\ obecno[ substratu w po\ywce indukuje produkcj enzymów. Ponadto mamy do czynienia z innymi modelami regulacji ekspresji genów równie\ wynikajcymi z d\enia komórki do efektywnego wykorzystania surowców, ale jednocze[nie nie nadprodukowania jakiej[ substancji bez wyraznej potrzeby. Ten typ mechanizmu regulacji to represja, czyli zahamowanie syntezy enzymów szlaku biosyntetycznego w odpowiedzi na nadmiar koDcowego produktu. PrzykBadem operonu regulowanego w ten sposób jest operon tryptofanowy (trp). Operon tryptofanowy zawiera pi genów (E,D,C,B,A) kodujcych enzymy, które prowadz do syntezy aminokwasu - tryptofanu. W przypadku operonu tryptofanowego równie\ mamy do czynienia z czsteczk represora kodowan w niewielkiej odlegBo[ci od operonu. Czsteczka represora trp podobnie jak lac mo\e istnie w dwóch konformacjach: jedna powoduje Bczenie z operatorem i zablokowanie transkrypcji, natomiast druga konformacja nie pozwala na zwizanie si represora z operatorem i umo\liwia zaj[cie transkrypcji. W obecno[ci tryptofanu czsteczka represora wi\e si z tym aminokwasem i zmienia konformacj, na tak która umo\liwia zwizanie si z operatorem i zablokowanie syntezy enzymów. Je\eli tryptofan jest nieobecny, represor nie mo\e zwiza si z operatorem. Dochodzi wtedy do przyBczenia polimerazy RNA i syntezy enzymów, które w nastpstwie doprowadz do syntezy tryptofanu. Oba opisane mechanizmy regulacji ekspresji genów czyli indukcja operonu lac i represja operonu trp s przykBadami na kontrol negatywn. Oznacza to, \e ekspresja genów podlegajcych takiej kontroli zachodzi dopóki nie zostanie wyBczona przez czsteczk represora. Istnieje jeszcze model pozytywnej regulacji ekspresji genów, co z kolei oznacza, \e geny znajdujce si pod tak kontrol ulegaj ekspresji dopiero pod wpBywem dziaBania specyficznego biaBka regulatorowego. PrzykBadem tego typu regulacji mo\e by opisana ju\ wcze[niej aktywacja kompleksu promotor-polimeraza RNA operonu lac przez wizanie si biaBka CAP do CBS. Innym przykBadem regulacji pozytywnej jest katabolizm maltozy u E.coli. Enzymy do rozkBadu maltozy s syntetyzowane dopiero po dodaniu maltozy do po\ywki. Ich synteza jest regulowana na poziomie transkrypcji przez biaBko aktywujce (AP-activator protein). AP nie mo\e zwiza si z DNA dopóki nie poBczy si z czsteczk maltozy. Gdy AP zwi\e si z czsteczk maltozy, kompleks taki Bczy si z DNA i umo\liwia polimerazie RNA rozpoczcie transkrypcji. Aktywator podobnie jak represor rozpoznaje specyficzn sekwencj DNA tzw. miejsce wizania aktywatora. Geny potrzebne do katabolizmu maltozy znajduj si w kilku operonach wobec czego aktywator kontroluje wicej ni\ jeden operon. Grupa operonów regulowanych przez jedno biaBko aktywujce nazywana jest regulonem. Atenuacja Atenuacja jest typem regulacji opartym na fakcie, \e w organizmach prokariotycznych transkrypcja i translacja s procesami wzajemnie poBczonymi. Atenuacja zostaBa zaobserwowana w niektórych operonach kontrolujcych biosyntez aminokwasów. Najlepiej zbadanym przykBadem jest atenuacja w operonie tryptofanowym. Poza wspomnianymi ju\ wcze[niej genami i strukturami znajdujcymi si w tym operonie, operon ten zawiera tzw. sekwencj liderow, w obrbie której znajduje si region atenuatora kodujcy polipeptyd zawierajcy przy koDcu kodony tryptofanu. Je\eli w komórce znajduje si du\o tryptofanu peptyd liderowy zostanie zsyntetyzowany. Natomiast przy braku tryptofanu nie powstanie peptyd liderowy. Jakie s tego rezultaty? Synteza peptydu liderowego prowadzi do zahamowania transkrypcji genów tryptofanowych. W jaki sposób? Proces ten jest mo\liwy ze wzgldu na fakt, \e transkrypcja i translacja w komórkach bakterii zachodzi praktycznie jednocze[nie. Sekwencja liderowa jako pierwsza ulega transkrypcji i gdy nastpnie transkrypcja idzie dalej, mRNA sekwencji liderowej ulega ju\ translacji. Jednak\e w przypadku mRNA sekwencji liderowej, gdy jest ju\ uwolnione z DNA i poBczy si z rybosomem ulega ono sfaBdowaniu w podwójn ptl, która sygnalizuje zatrzymanie transkrypcji dalszych genów (tryptofanowych). Je[li nie ma tryptofanu to nie dojdzie do translacji caBej sekwencji liderowej gdy\ zostanie ona zatrzymana na kodonie tryptofanowym, co powoduje przyjcie innej konformacji przez mRNA sekwencji liderowej. Ta konformacja nie blokuje polimerazy RNA, która przechodzi dalej do transkrypcji genów tryptofanowych. Mechanizmy represji i atenuacji operonu tryptofannowego w precyzyjny sposób kontroluj syntez enzymów szlaku biosyntezy tryptofanu. Podobne modele atenuacji odkryto w innych szlakach metabolicznych bekterii np. w biosyntezie histydyny czy fenyloalaniny. Antysensowne RNA Wikszo[ systemów kontrolujcych czy to transkrypcj czy translacj wykorzystuje biaBka jako czsteczki regulatorowe. Jednak niekiedy zdarza si, \e w regulacj zostanie zaanga\owane RNA. Jednym z rodzajów regulatorowego RNA jest RNA antysensowne u\ywane w kontroli ró\nych genów bakteryjnych. Antysensowne RNA oddziaBuje jako regulator poprzez parowanie z komplementarn, sensown nici RNA. Je\eli t komplementarn nici jest mRNA, to parowanie z antysensownym RNA mo\e zapobiec zaj[ciu translacji. Antysensowne RNA mo\e by syntetyzowane z tego samego genu, co mRNA przez zastosowanie drugiego promotora zorientowanego w przeciwnym kierunku do pierwszego lub poprzez drugi gen z promotorem na przeciwnym koDcu. PLAZMIDY Plazmidy s to elementy genetyczne zdolne do autonomicznego powielania si i istnienia pozachromosomalnego. Wikszo[ plazmidów ma koliste, superzwinite dsDNA, a niektóre liniowe dsDNA. Wiele plazmidów mo\e by przenoszonych w procesie koniugacji z jednej do drugiej komórki. Niektóre plazmidy maj zdolno[ do wintegrowywania si w chromosom bakteryjny i wtedy ich replikacja podlega kontroli bakterii. Jednym z najlepiej poznanych plazmidów jest plazmid F z E.coli. Jest tp plazmid typu koniugacyjnego i mo\e by transferowany z komórki donora do akceptora nawet z fragmentami chromosomalnego DNA donora. Plazmid F jest kolist czsteczk (dB.100bp) i zawiera ró\ne geny niezbdne do procesu replikacji i transferu , a ponadto sekwencje, które pozwalaj na rekombinacj z chromosomem bakteryjnym w celu utworzenia Hfr. Plazmidy zdolne do integracji w chromosom gospodarza nazywane s episomami. Wikszo[ plazmidów w bakteriach gramujemnych przechodzi replikacj dwukierunkow wedBug modelu theta z zastosowaniem enzymów komórkowych. Natomiast plazmidy bakterii gramdodatnich w wikszo[ci replikuj wedBug modelu obracajcego si koBa. Plazmidy, które posiadaj materiaB genetyczny w formie liniowej replikuj w sposób podobny do adenowirusów. Pomimo, \e plazmidy s niezale\nie replikujcymi elementami genetycznymi, ilo[ ich czsteczek w komórce jest do pewnego stopnia okre[lona przez dan komórk a ponadto przez warunki zewntrzne. Plazmidy s w biologii molekularnej bardzo istotnym narzdziem sBu\cym do badania ró\norodnych procesów genetycznych czy ekologii i \ycia bakterii. Ponadto stosowane s w biotechnologii. Obecno[ plazmidów w komórce mo\e mie znaczny wpByw na jej fenotyp np. u Rhizobium to plazmidy umo\liwiaj wspóBdziaBanie z ro[linami. Ze wzgldu na zró\nicowanie wielko[ci plazmidów oraz posiadanych przez nie genów na: " produkcj toksyn " uodpornienie komórki gospodarza na antybiotyki i inne substancje " katabolizm nietypowych substratów np. pestycydów " kontrol procesu koniugacji i wiele innych. Nie jest Batwo sklasyfikowa plazmidy wedBug jakiej[ charakterystycznej cechy, jednak dokonuje si podziaBu na pewne grupy. Plazmidy koniugacyjne Plazmidy te maj zdolno[ do przenoszenia si z komórki donora do akceptora w procesie koniugacji. Za ten proces odpowiedzialne s geny w regionie tra znajdujce si w plazmidach. Geny te zwizane s midzy innymi z syntez pili np. F i I Pili typu F bior udziaB w transferze plazmidu F oraz niektórych plazmidów z odporno[ci na antybiotyki. Pili typu I s zaanga\owane w przenoszenie plazmidów z oporno[ci na antybiotyki i innymi wBa[ciwo[ciami. Plazmidy oporno[ciowe (R - resistance) Plazmidy te nadaj komórce oporno[ na antybiotyki i inne inhibitory wzrostu. Plazmidy R mog posiada ró\norodne geny oporno[ci na antybiotyki. Geny te koduj zazwyczaj biaBka które inaktywuj antybiotyk albo wpBywaj na pobranie antybiotyku przez komórk. Plazmid R100 niesie oporno[ na sulfonamidy, streptomycyn, tetracyklin, chloramfenikol i inne. Plazmid ten mo\e by przenoszony pomidzy bakteriami z Enterobakteriaceae: Escherichia, Klebsiella czy Salmonella. Poza tym znane s plazmidy z oporno[ci na kanamycyn, penicylin czy neomycyn. Ponadto plazmidy typu R posiadaj geny, które hamuj wprowadzanie plazmidu tego samego typu do komórki, plazmid dodatkowy zostaje zgubiony w procesie replikacji, co nie przeszkadza wspóBistnie w jednej komórce plazmidom z dwóch ró\nych grup. Mo\liwa jest rekombinacja genetyczna pomidzy dwoma R, co mo\e prowadzi do powstania organizmów opornych na wiele leków. Plazmidy R s odpowiedzialne za uzyskiwanie przez bakterie chorobotwórcze oporno[ci na leki (antybiotyki). Komórki bakteryjne mog wymienia midzy sob materiaB genetyczny w trzech procesach, które zachodz naturalnie: koniugacja, transdukcja i transformacja. mechanizmy przekazywania materiaBu genetycznego nie s zwizane z procesem reprodukcji komórki bakteryjnej, zachodz one w konkretnych warunkach i polegaj na przekazaniu niewielkiej cz[ci materiaBu genetycznego z komórki dawcy do biorcy. REKOMBINACJA DNA U BAKTERII " Proces rekombinacji jest to przeprowadzanie wymiany pomidzy homologicznymi odcinkami DNA. Jest to podstawowy mechanizm wymiany genów pomidzy chromosomami w \ywych organizmach. Powoduje on zwikszenie ró\norodno[ci genetycznej, a ponadto w sytuacjach ekstremalnych przy du\ym zniszczeniu DNA umo\liwia prze\ycie organizmu. W trakcie rekombinacji u bakterii uczestniczy specyficzne biaBko RecA. BiaBko to ma zdolno[ do niespecyficznego (czyli niezale\nego od sekwencji) wizania si z jednoniciowym DNA. Nastpnie kompleks biaBko- DNA atakuje losowo drug czsteczk DNA, powodujc rozplecenia nici. Je\eli natrafi na sekwencj komplementarn to zapocztkowuje powstanie DNA rekombinowanego z nici atakujcej i atakowanej. Powstaje przej[ciowa struktura krzy\owa (rysunek). Po czym struktura ta zostaje pocita przez endonukleazy i powstaj dwie zrekombinowane czsteczki DNA. W organizmach bakteryjnych rekombinacja zachodzi na trzy sposoby: " koniugacja " transformacja " transdukcja Koniugacja Koniugacja u bakterii jest to proces transferu genetycznego zachodzcy podczas kontaktu dwóch komórek. Przenoszonym materiaBem genetycznym mo\e by plazmid lub fragment chromosomu, który jest transferowany dziki plazmidowi. W koniugacji jedna z komórek tzw. donor przekazuje informacj genetyczn komórce biorcy. Komórka dawcy posiada specyficzn struktur powierzchniow tzw. pilus pBciowy, który pozwala na kontakt pomidzy komórkami. Natomiast komórka biorcy posiada na swej powierzchni specyficzne receptory dla pilusa pBciowego. Znane s dwa typy dawców: " F+ plazmid w tej komórce funkcjonuje jak typowy plazmid i tylko on jest przenoszony w procesie koniugacji " Hfr plazmid jest wintegrowany w chromosom dawcy i umo\liwia on przekazanie DNA chromosomalnego podczas koniugacji. Gdy komórki koniugujce ju\ si ze sob zetkn, zostaje zainicjowana synteza DNA i zachodzi przej[cie pojedynczej nici DNA z jednej do drugiej komórki. Synteza DNA w obu komórkach prowadzi do zachowania dwuniciowej natury DNA i zapewnia zachowanie peBnej informacji genetycznej w komórce dawcy. Przekazanie materiaBu genetycznego zachodzi sekwencyjnie zaczynajc od okre[lonego miejsca w chromosomie dawcy. Transfer DNA z F+ do F- Podczas koniugacji musi zaj[ synteza DNA. Odbywa si to wedBug modelu obracajcego si koBa. Koliste DNA plazmidowe zostaje nacite i jedna ni rodzicielska jest przekazywana do komórki biorcy. Gdy komórki koniugujce ju\ si ze sob zetkn, zostaje zainicjowana synteza DNA i zachodzi przej[cie pojedynczej nici DNA z jednej do drugiej komórki. Synteza DNA w obu komórkach prowadzi do zachowania dwuniciowej natury DNA i zapewnia zachowanie peBnej informacji genetycznej w komórce dawcy. Przekazanie materiaBu genetycznego zachodzi sekwencyjnie, w konkretnym miejscu na chromosomie dawcy. Koniugacja pomidzy komórkami typu F+ i F-, zachodzi podobnie do modelu replikacji obracajcego si koBa. Gdy dojdzie do kontaktu pomidzy dwiema komórkami, zostaje nacite DNA plazmidowe i jedna ni jest przekazywana do komórki biorcy. Synteza DNA wedBug modelu obracajcego si koBa odbudowuje drug ni DNA u dawcy. Podobnie komplementarna ni jest tworzona u biorcy. Obecno[ plazmidu F w komórce powoduje ró\ne zmiany: " komórka ma zdolno[ do syntezy pilii pBciowych " istnieje mo\liwo[ przeniesienia fragmentów DNA do innej komórki " zmiana receptorów komórkowych uniemo\liwiajca pobieranie kolejnych plazmidów Plazmid mo\e by zintegrowany z chromosomem w konkretnych miejscach, które charakteryzuj si homologi DNA komórkowego do plazmidowego. Po zintegrowaniu plazmidu mamy do czynienia z komórk typu Hfr (high frequency of recombination), która nie mo\e w koniugacji przeksztaBci komórki F- w F+ lub Hfr, poniewa\ bardzo rzadko zachodzi w takich sytuacjach transfer caBego plazmidu. (SzczegóBowe wyja[nienie procesu w prezentacji z wykBadu) W procesie koniugacji przerywanej przeprowadzanym do[wiadczalnie mo\liwe jest zmapowanie uBo\enia genów na chromosomie. Transdukcja W procesie transdukcji DNA midzy bakteriami jest przekazywane przy udziale bakteriofagów. Wyró\niamy dwa typy transdukcji: ogóln i ograniczon. Transdukcja ogólna polega na przeniesieniu przez faga dowolnych genów zlokalizowanych w przypadkowym miejscu w genomie bakterii do komórki biorcy, z nisk efektywno[ci. Transdukcja ograniczona wystpuje tylko w przypadku fagów Bagodnych i polega na tym, \e fag wintegrowuje si w specyficzne miejsce w genomie bakterii, nastpnie jako profag jest replikowany wraz z genomem komórki gospodarza. Potem zachodzi proces uwolnienia profaga, który mo\e by na tyle nieprecyzyjny, \e spowoduje wycicie profaga wraz z pobliskim fragmentem chromosomu. Kolejnym etapem jest liza komórki i uwolnienie czsteczek fagowych z konkretnymi fragmentami chromosomów. FIG 7 16 7 17 Transformacja Transformacja jest to proces pobierania przez komórki bakteryjne wolnego DNA z podBo\a lub uwolnionego przez inne bakterie. Niektóre komórki maj naturaln zdolno[ do przeprowadzania tego procesu dziki specyficznym systemom w bBonie, uBatwiajcym pobranie DNA. S to tzw. bakterie kompetentne. W in\ynierii genetycznej stosuje si ró\ne metody umo\liwiajce równie\ innym bakteriom przeprowadzenie transformacji. Podczas pojedynczej transformacji mo\e doj[ do pobrania niewielkiej ilo[ci DNA, która jednak wydatnie ro[nie przy zastosowaniu bakterii kompetentnych.

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
lab6wyklad Genetyka bakterii fermentacji mlekowej
SIMR RR EGZ 2009 06 18
SIMR RR EGZ 2009 09 14
Zagadnienia Egz 2009 10
SIMR RR EGZ 2009 06 25
Genetyka bakterii fermentacji mlekowej
genetyka test 1 19 01 2009
Genetyka bakterii
SIMR ALG1 EGZ 2009 01 30a rozw
patomorf egz 2009
Giełda prof 2009(pytania na egz ustny)
2009 EGZ WSTĘPNY NA AM (2)
egz zawodowy tinf 2009
2009 EGZ WSTĘPNY NA AM (1)
IM jednolity tekst 2009

więcej podobnych podstron