1_2_5 (Комплект полезных материалов по микробиологии)

1. Наследственная и ненаследственная изменчивость. Мутационная природа изменчивости. Частота мутантов и типы мутаций Спонтанный и индуцированный (радиационный и химический) мутагенезы.

Изменчивость:

1). модификационная (=адаптационная)

При изменении внешних условий большинство клеток в популяции претерпевает изменения, имеющие приспособительный харак­тер. Адаптации не затрагивают генотип и вызваны регуляцией кле­точного метаболизма. Они не наследуются.

2). мутационная

Мутации-наследственные изменения в нуклеотидной последовательности генома организма. Большая часть повреждений восстанавливается репаративными системами (фотореактиваци , темновая репарация). Для проявления мутации необходимо, чтобы произошла реп­ликация ДНК и изменение закрепилось в дочерней молекуле, т.е. если репаративная система не успеет репарировать повреждение до следующего раунда репликации – повреждение превратится в мутацию и будет передаваться по наследству. Для фенотипического проявлении мутации требуется прохождение транскрипции и трансляции. Так как микроорганизмы существу­ют не в виде отдельных особей, а в виде популяций, то, как пра­вило, нужно несколько клеточных делений, чтобы новый при­знак проявился. Если клетка имеет несколько копий хромосомы, то мутация также проявится в фенотипе клеток только через несколько кле­точных делений.

Типы мутаций:

Замены: транзиции (пурин→пурин, пиримидин→пиримидин), трансверсии (пурин→пиримидин. пиримидин→ пурин);

нонсенс-мутации: образование бессмысленного кодона => терминация трансляции, миссенс-мутации: изменение кодона, приводящее к изменению а/к.

Кроме точковых мутаций хромосомные перестройки (аберрации), геномные перестройки.

Мутагенез:

Спонтанные мутации возникают в естественных условиях в результате нормальных клеточных процессов или при взаимодействии клеток с окружающей средой. Уровень спонтанного мутагенеза специфичен для каждого вида и контролируется на генетическом уровне. Уровень спонтанного мутагенеза является балансом между возникновением и исправлением ошибок. Частота спонтанного мутагенеза в среднем составляет 10^-5-10^-7 /(на ген* на клетку*на поколение)

2. Популяционная изменчивость. Селекция различных мутантов. Применение мутантов микроорганизмов в научных исследованиях и в практических целях.

Диссоциация — это адаптация к меняющимся условиям среды на уровне популя­ции:

при рассеве чистой культуры на твердой среде развиваются колонии разной морфологии, (в этом случае микробная популяция гстерогенна не только морфологи­чески, но затрагиваются также физиолого-биохнмическис и гене­тические признаки). Процесс имеет постоянный характер и более высокую частоту (-10 ⁴), чем спонтанные мутации. Диссоциация связана с изменениями в геноме => диссоциантов можно считать мутантами.

морфотипы колоний: R — шероховатые, S — гладкие и М — слизистые (S — вирулентный вариант, преобладает в эпидемической фазе, R — в постэпидемической).

В природных местообитаниях обычно наблюдают преобладание какого-либо из диссоииантов, но отме­чают наличие всех грех вариантов.

при дли­тельном культивировании медленно растущие варианты вытесня­ются быстро растущими, но, как правило, менее активными диссоциантами.

Различия морфотипов:

Способ расхождения делящихся кле­ток (образуются либо цепочки клеток, лежащие на прямой, как у R-форм, либо расположенные под углом одна к другой V-образно, как у S- и М-) => различный хим. состав и электрич. заряд оболочки клетки => различия физиолого-биохимических признаков диссоциантов (например, переход S- в R-вариант связан с потерей О-антигена):

1). различия скоростей по­глощения и экскреции веществ, активности мембранных фермен­тов => скорости роста и выделения продуктов, устойчивость к токсическим веществам;

2). разное количество в мембранах липидов, содержащих ненасыщенные жирные кислоты => разная текучесть (например, R-вариант имеет меньше таких липидон, чем другие формы)),

а так же морфологии (M,R-колонии больше по диаметру, чем S (различие не в кол-ве клеток, а в их упаковке), клеточная стенка R в 1,5 — 2 раза толще, чем у S).

По систематическому положению диссоцианты определяются как один вид, так как в определителе учитывается наличие признака, а не его количественное проявление.

Селекция мутантов (диссоциантов):

Условия культивирования и хранения оказывают существенное влияние на состав его популяции, т.к. различные диссоцианты могут иметь различную устойчивость к какому-либо фактору:

• при высокой температуре (41 град.) селективными преимуществами у ряда микроорганизмов обладает R-форма;

• при низкой t (14 град.) – М

• ультрафиолет, антибиотики, высушивание – R.

Применение различных мутантов (диссоциантов):

1). диссоцианты могут синтезировать разное количество биологически активных веществ, спектр которых мо­жет различаться: у М-клеток, как правило, образуется максималь­ное количество экзопродуктов, R-варианты активнее разрушают ксенобиотики, так как они устойчивее к токсическим веществам.

2). Учет гетерогенности популяции позволяет прогнозировать пове­дение ряда патогенных микроорганизмов в природных местооби­таниях: например, вирулентность популяции фитопатогенных псевдо­монад может меняться в зависимости от погодных условий - в су­хую погоду способность к заражению растений понижена из-за преобладания в популяции авирулентного R-варианта, более ус­тойчивого к понижению активности воды.

5. Рекомбинация у эукариот. Половой и парасексуальный процессы. Цитоплазматическая наследственность.

Рекомбинация = перекомбинация генетического материала.

Половой процесс:

рекомбинация генетической информации между особями одного вида, притом не обязательно сопряженную с размножением. В этом случае к разновидностям полового процесса относят конъюгацию  и парасексуальный процесс.

1). конъюгация у водорослей (спирогира):

клетки 2-х соседних нитей соединяются между собой боковыми выростами ,оболочки, разделяющие эти выросты, разрушаются и, таким образом, получается копуляционный канал, по которому все содержимое одной к летки (мужской) переходит в другую (женскую) и сливается с содержимым последней; клетка, в которой произошло слияние (зигота), закругляется, отделяется от нити и, одеваясь толстой оболочкой, превращается в зигоспору. Зигоспораперезимовывает и весной прорастает в молодую нить. В зиготе ядра сначала сливаются в одно, которое делится затем на 4 неравные по величине (неравное деление ядра); из них 2 растворяются, а 2 больших, сливаясь, образуют ядро зиготы. Описанная копуляция между клетками различных нитей (двудомная) — называется лестничной. В том случае, когда канал образуется между двумя соседними клетками одной и той же нити, копуляция (однодомная) называется боковой. 

2). конъюгация у инфузорий:

между клетками образуется цитоплазматический мостик. Затем макронуклеусы конъюгирующих инфузорий разрушаются, а микронуклеусы делятся путем мейоза. Из образовавшихся четырех гаплоидных ядер три погибают, а оставшаяся делится митозом. В каждой инфузории теперь есть два гаплоидных пронуклеуса — один из них женский (стационарный), а другой — мужской (мигрирующий). Инфузории обмениваются мужскими пронуклеусами, а женские остаются в «своей» клетке. Затем в каждой инфузории «свой» женский и «чужой» мужской пронуклеусы сливаются, образуя диплоидное ядро — синкарион. При делении синкариона образуется два ядра. Одно из них становится диплоидным микронуклеусом, а второе превращается в полиплоидный макронуклеус.

Парасексуальный процесс:

Аналог полового процесса, при к-ром происходит слияние вегетативных клеток, содержащих генетически разнородные ядра (образование гетерокариона), возникновение гетерозиготных диплоидов за счёт слияния ядер в гетерокарионах и последующего митотич. расщепления диплоидов (появление гаплоидных или диплоидных рекомбинантов).

Цитоплазматическая наследственность:

Нехромосомная наследственность, при которой наследуемые признаки напрямую не связаны с генетическим материалом хромосом, что обусловлено существованием внеядерных носителей наследственной информации: пластид, митохондрий, плазмид, вирусов.

Основные сведения о строгих закономерностях пластидной на­следственности получены в экспериментах с зеленой одноклеточ­ной водорослью Chlamydomonas. У этой водоросли в клетке нахо­дится один хлоропласт, где расположены 2 кольцевые мол-лы ДНК. В этой ДНК локализованы некоторые гены, мутанты по которым имеют следующие фенотипические прояв­ления: 1) неспособность к фотосинтезу; для роста на свету и в темно­те необходим источник восстановления углерода — ацетат; 2) чув­ствительность к повышенной или пониженной температуре; 3) ус­тойчивость к антибиотикам или потребность в них. Все эти мутации обычно наследуются только по материнской линии, т.е. от родителя mt+. Это связано со сложным биогенезом хлоропласта зигот, в результате которого сохраняется только ДНК хлоропласта, полученная от родителя mt+.

Характерна односторонняя передача признака в потомстве (материнское наследование).