6. előadás
A baktériumok genetikája
• A baktériumoknak fontos szerep jut a genetikai kutatásokban • Előny: – Haploid genom – Rövid generációs idő – Olcsón és egyszerűen nagy populációhoz juthatunk
A prokarióták örökítő anyagának jellemző tulajdonságai • Örökítő anyaguk két szálú (általában) körkörös DNS – 1 kromoszóma – egyes baktériumoknál lineáris (Borrelia)
• Mérete fajtól függ – E. coli kb. 2000 fehérje kódolása – linearizált formában kb. 1100 mikrométer
• A gének általában nem tartalmaznak intronokat • A bakteriális kromoszóma a citoplazmában szuperhélixet képezve erősen feltekeredett állapotban helyezkedik el • Extrakromoszomális elemek: episzómák és plazmidok – Plusz tulajdonság – pl. antibiotikum rezisztencia
A bakteriális kromoszóma feltekeredése
DNS RNS
A genetikai anyag szerepe • A genetikai információ tárolása és átörökítése, a meghatározott tulajdonságok kifejeződésének szabályozása • A baktériumok nagyon jó alkalmazkodó képességgel rendelkeznek • A generációs idő rövidsége miatt a genetikai változás következtében előnyhöz jutott sejt utódai hamar túlnövik a populáció többi tagját • A baktériumok genetikai változás nélkül is képesek a környezeti feltételek megváltozásához alkalmazkodni
• Genotípus – sejtben tárolt genetikai információk összessége.
– Genotípus megváltozása (mutáció) egyetlen sejtet érint, végleges változást jelent (irreverzibilis), öröklődő
• Fenotípus – az összes megnyilvánuló sajátságot jelenti.
– Fenotípusos változás az egész populációt érinti és visszafordítható (reverzibilis), nem öröklődik
• A genotípus változása vezethet a fenotípus megváltozásához. • A fenotípus változása nem szükségszerűen a genotípus megváltozásának a következménye.
A baktériumok változékonysága • Fenotípusos változás • Genotípusos változás – Mutáció – Genetikai anyag átvitele
• Módosulás – genotípus megváltozása nélkül bekövetkező fenotípusos változás. – Környezethez való alkalmazkodás. – biokémiai tulajdonságok, alaki változások. – bakteriális gének működése legnagyobb nem működik folytonosan, hanem csal akkor ha szükség van kérdéses tulajdonságra • Konstitutív gének: állandóan működnek • Induktív gének: csak akkor működnek, ha működésükre szükség van
Mutációk • a DNS szekvenciában bekövetkező változások • a mutáció eredménye maradandó, független a környezeti tényezők változásától – öröklődik • fenotípusos kifejeződés → megváltozik-e egy adott génfunkció a mutáció következtében • ha a mutáció előnyös a baktériumsejt utódai dominánssá válhatnak az illető populációban
Mutáció • megjelenés alapján: – spontán (beavatkozás nélkül fellépő mutációk) – indukált (mutagén tényezők hatására kialakult mutációk) - ultraibolya besugárzás - kémiai mutagén tényezők
Vad típus (vad törzs) → az a mikroorganizmus, amelyik természetes, nem mutált tulajdonságokkal rendelkezik. Mutáns törzs → valamilyen változást mutat a morfológiai bélyegek, a táplálkozási igények, a különböző vegyszerekkel szembeni ellenállóság, hőmérsékleti igény stb. szempontjából.
GENETIKAI ANYAG ÁTVITELE BAKTÉRIUMOK KÖZÖTT
vertikálisan: az utódoknak (=sejtosztódás)
Horizontálisan: a donor sejtből a befogadó sejtbe • DNS felvétele közvetlenül a környezetből
• Donor és recipiens baktérium sejtek között DNS csere
• Bakteriofág ok által átvitt DNS
Tranformáció
Konjugáció
Transzdukció
• Baktériumoknál – nagyfokú genetikai diverzitás! • Az átvitt DNS szakaszok rezisztencia géneket, virulencia faktorokat hordozhatnak, a recipiens sejtnek új tulajdonságot kölcsönöznek.
Klasszikus génátviteli módszerek • egyirányúak – donortól a recipiens fele
• a donor nem adja át a teljes kromoszómát • genetikai anyag átvitele különböző fajok között is lehetséges.
1. Transzformáció • a baktérium közvetlenül DNS-t vesz fel a környezetéből. • DNS származhat: – környezetben elpusztult és szétesett sejtekből – mesterségesen előállított DNS fragmentumok.
• befolyásoló tényezők: – DNS mérete és állapota • nukleázokkal szembeni érzékenység
– kompetencia állapota a recipiensnél • a kompetencia genetikailag meghatározott tulajdonság, specifikus fehérjék meglétét és működését igényli
• Szakaszok – DNS felvétele • Gram + • Gram -
– Rekombináció
• Jelentőség Rekombináns DNS technológia Videó: http://www.youtube.com/watch?v=MRBdbKFisgI&f eature=related
2. Transzdukció • Bakteriofág (= baktériumok vírusai) közvetítésével történő génátvitel • Nukleázok nem károsítják a DNS-t • A bakteriofágok a baktériumok vírusai
A bakteriofág Szerkezet Feji rész/kapszid
Kontraktilis rész
farok
Nyúlványok alaplemez
Bakteriofág • Litikus fág – replikálódik a gazdasejtben és feloldja azt • Temperált fág: nem minden esetben okoz litikus fertőzést, képes a gazdasejt kromoszómájába integrálódni – Profág – fágnukleinsav integrálódott a genomba – Lizogén állapot – profág hordozás jelensége
a. Általános transzdukció • Az elbomló gazdasejtből véletlenszerűen integrálódnak DNS darabok a fág genomjába 1. A donor fertőződése 2. A fág replikációja, donor DNS fragmentációja 3. Fágrészecskék összeépülése 4. Fágok kiszabadulása 5. A recipiens fertőződése 6. Rekombináció
– elméletileg a donorsejt bármilyen génje átvihető
b. Specializált transzdukció • Megkülönböztetett szakaszokat vesz fel a fág, és a saját genomjának darabjait visszahagyja • A profágot tartalmazó lizogén sejt immunis a többi, hasonló típusú bakteriofággal szemben.
3. Konjugáció • Donor és recipiens közötti intercelluláris kapcsolat során plazmidok közvetítésével történő genetikai anyag átvitel – Donor
Donor
• F faktor (fertilitási faktor) – F (szex) pilus
– Recipiens • Nem rendelkezik F faktorral
Recipiens
F faktor • Autonóm állapotban (F+) – F+ x F • F- F+-vá válik, F+ megőrzi jellegét • F faktor csak a saját replikációjához és átviteléhez szükséges információt tartalmazza • Csak véletlenül és ritkán vesz fel kromoszomális géneket
F+
F faktor • Integráltan (Hfr) – Hfr x F• F- ritkán lesz Hfr • A donorsejt kromoszomális génjei nagy gyakorisággal adódnak át
F+
Hfr: high frequency of recombination – nagy gyakorisággal rekombinálódó.
Hfr
F faktor • Autonóm állapotban donor géneket tartalmaz (F’) – F’ x F- crosses • F—ból F’ lesz, F’ megmarad F’-nek • Nagy gyakorisággal adódnak át a plazmidon levő donor gének, a kromoszomális gének ritkán jutnak át a recipiensbe
Hfr
F’
F+ x F• Párképződés – konjugációs híd
• DNS átadás
F+
F+
F-
F+
F+
F-
F+
F+
Hfr x F• Párképződés – konjugációs híd
• DNS átadás
Hfr
F-
Hfr
F-
• Rekombináció Hfr
F-
Hfr
F-
F’ x F• Párképződés •Konjugációs híd
• DNS átadás
F’
F-
F’
F-
F’
F’
F’
F’
Konjugáció jelentősége • Gram - baktériumoknál – Antibiotikum rezisztencia
• Gram + baktériumoknál – Adhéziót biztosító molekulák képződése
Videó http://www.youtube.com/watch?v=uBXddg7KakY&fea ture=related
Mobilis genetikai elemek • Olyan genetikai elemek, amelyek képesek a genom egyik részéről a másikra áthelyeződni. • Önálló replikációra nem képesek
Inszerciós szekvenciák (IS) • Csak a transzpozícióhoz szükséges gént hordozzák • végeiken fordítottan ismétlődő szekvenciák vannak • képesek áthelyezni önmagukat a kromoszóma egyik végéről a másikra, vagy a kromoszómáról plazmidra, és fordítva is. ABCDEFG
Transposase
- blokkolják azokat a géneket, amelyekbe beépültek, de poláros hatással lehetnek a szomszédos génekre is.
GFEDCBA
Transzpozonok (Tn) • Nemcsak a transzpozícióhoz szükséges információt hordozzák, hanem az inszerciós elemek által közrefogott géneket is! • Jelentőség – antibiotikum rezisztencia IS
Resistance Gene(s)
IS
IS
Resistance Gene(s)
IS
A prokarióták változatossága
• Meghatározási módszerek – Klasszikus módszerek: morfológiai vizsgálatok, sejtfestés, diagdosztikai reakciók (pl. különböző anyagok lebontásának képessége), szelelktív tenyésztési módszerek alapján – Modern módszerek: genetikai analízis (a DNS nukleotid sorrend alapján), kemotaxonómia
• Elnevezés: Latin Bacillus subtilis – Génusznév fajnév – Szerotípus (serovar, serotype) = valamely antigén sajátosságban különbözik – Patotípus (patovar, pathotype) = valamely patogenitást érintő sajátosságban különbözik – Biotípus (biovar, biotype) = valamely biokémiai vagy fiziológiai tulajdonságban különbözik
Klasszikus meghatározási módszerek • Morfológia: – Sejtek: Alak, méret, a sejtek elrendeződése (csoportosulása), a sejtek mozgékonyságaű – Telep: alak, szín, általános morfológia
• Festés: gram+/-, tok jelenléte, endospórák jelenléte és elhelyezkedése • Biokémiai tesztek, metabolokus vizsgálatok – Különböző táptalajokon, tápoldatokban vizsgáljuk a baktérium tenyésztéséhez szükséges feltételeket – Bizonyos enzimek (pl. zselatináz, amiláz…) és toxinok (pl. hemolizinek ) jelenlétének a vizsgálata
Kemotaxonómiai és molekuláris módszerek • A sejt kémiai összetétele: – Gram- a lipopoliszaharidok vizsgálata – Gram + teichoinsavak, bizonyos felszíni poliszaharidok vizsgálata – Sejtmembrán összetétel
• rRNS-ek vizsgálata: a prokarióták két nagy csoportra oszthatóak – Archaebaktériumok (ősbaktériumok) – Eubaktériumok (valódi baktériumok)
I. Ősbaktériumok (Archaebaktériumok) •
Habár prokarióták, sok közös molekuláris jellegzetességük közös az eukariótákkal – Közös ős
• • •
•
Szélsőséges viszonyok között élnek (magas hőmérséklet, nagy sókoncentráció, savas környezet) Legtöbb Sejtfaluk összetétele nagyon változatos, soha nincs benne murein Alakjuk hasonló mint az eubaktériumoknak – gömb, pálca, fonalas, spirális, szokatlan alak
Metántermelő (metanogén) ősbaktériumok Őskénbaktériumok Halofil ősbaktériumok Sejtfal nélküli ősbaktériumok
METÁNTERMELŐ (METANOGÉN) ŐSBAKTÉRIUMOK
• Széndioxid, szénmonoxid vagy hangyasav metánná alakítása • Obligált anaerobok • Mezifilek, termofilek • Szerves anyagokban gazdag környezetben élnek (kérődzők bendője, mocsarak, tavak üledéke)
Methanobrevibacter ruminantium Kérődzők bendőjében él Mezofil, anaerob
Methanospirillum Szennyvíz iszap
Methanosarcina Szennyvíz iszap, kérődzők bendője
ŐSKÉNBAKTÉRIUMOK
Sulfolobus Termoacidofilek, savas kéngőzös forrásokban élnek (70 – 80°) Gömb alakú, felszínén lebenyek vannak Ként, kénhidrogént,
Thermoproteus,
Tenger alatti kénkiválások környékén élő anaerob élőlények Litotrófok, de szerves anyagokat is képesek felhasználni
HALOFIL ŐSBAKTÉRIUMOK
• Nagy sókoncentrációjú tavakban, a Holt tengerben • Optimális sókoncentráció 20 – 30% • Jellegzetes vörös szín – pigmentek (vedi a sejteket az erős fénytől) • Aerobok, fakultatív anaerobok
Halococcus
Sejtfal nélküli ősbaktériumok • Fakultatív aerob, obligált termacidofil • Sejtfal nélkül, mannózban gazdag glikoprotein és lipopoliszaharid tartalmú membrán – poliszaharid réteg a sejt felszínén
Thermoplasma acidophilum Szénbányák meddőhányóiról izolálták Genommérete legkisebb az összes ismert élőlény közül
