A baktériumok genetikája

Átírás

1 6. előadás

2 A baktériumok genetikája

3 A baktériumoknak fontos szerep jut a genetikai kutatásokban Előny: Haploid genom Rövid generációs idő Olcsón és egyszerűen nagy populációhoz juthatunk

4 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 fehérje kódolása linearizált formában kb 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

5 A bakteriális kromoszóma feltekeredése DNS RNS

6

7 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

8 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.

9 A baktériumok változékonysága Fenotípusos változás Genotípusos változás Mutáció Genetikai anyag átvitele

10 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

11 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

12 megjelenés alapján: Mutáció spontán (beavatkozás nélkül fellépő mutációk) indukált (mutagén tényezők hatására kialakult mutációk) - ultraibolya besugárzás - kémiai mutagén tényezők

13 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.

14 GENETIKAI ANYAG ÁTVITELE BAKTÉRIUMOK KÖZÖTT

15 vertikálisan: az utódoknak (=sejtosztódás)

16 Horizontálisan: a donor sejtből a befogadó sejtbe DNS felvétele közvetlenül a környezetből Tranformáció Donor és recipiens baktérium sejtek között DNS csere Konjugáció Bakteriofág ok által átvitt DNS Transzdukció

17 Baktériumoknál nagyfokú genetikai diverzitás! Az átvitt DNS szakaszok rezisztencia géneket, virulencia faktorokat hordozhatnak, a recipiens sejtnek új tulajdonságot kölcsönöznek.

18 Klasszikus génátviteli módszerek egyirányúak donortól a recipiens fele a donor nem adja át a teljes kromoszómát genetikai anyag átvitele különböző fajok között is lehetséges.

19 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

20 Szakaszok DNS felvétele Gram + Gram - Rekombináció Jelentőség Rekombináns DNS technológia Videó: eature=related

21 2. Transzdukció Bakteriofág (= baktériumok vírusai) közvetítésével történő génátvitel Nukleázok nem károsítják a DNS-t A bakteriofágok a baktériumok vírusai

22 A bakteriofág Szerkezet Feji rész/kapszid Kontraktilis rész farok Nyúlványok alaplemez

23 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

24 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

25 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.

26 3. Konjugáció Donor és recipiens közötti intercelluláris kapcsolat során plazmidok közvetítésével történő genetikai anyag átvitel Donor F faktor (fertilitási faktor) F (szex) pilus Donor Recipiens Nem rendelkezik F faktorral Recipiens

27 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+

28 F faktor Integráltan (Hfr) Hfr x F - F - ritkán lesz Hfr A donorsejt kromoszomális génjei nagy gyakorisággal adódnak át F + Hfr Hfr: high frequency of recombination nagy gyakorisággal rekombinálódó.

29 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

30 F + x F - Párképződés konjugációs híd DNS átadás F + F - F + F - F + F + F + F +

31

32 Hfr x F - Párképződés konjugációs híd DNS átadás Hfr F - Hfr F - Rekombináció Hfr F - Hfr F -

33

34 F x F - Párképződés Konjugációs híd DNS átadás F F - F F - F F F F

35 Konjugáció jelentősége Gram - baktériumoknál Antibiotikum rezisztencia Gram + baktériumoknál Adhéziót biztosító molekulák képződése Videó ture=related

36

37 Mobilis genetikai elemek Olyan genetikai elemek, amelyek képesek a genom egyik részéről a másikra áthelyeződni. Önálló replikációra nem képesek

38 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 GFEDCBA - blokkolják azokat a géneket, amelyekbe beépültek, de poláros hatással lehetnek a szomszédos génekre is.

39 Transzpozonok (Tn) Nemcsak a transzpozícióhoz szükséges információt hordozzák, hanem az inszerciós elemek által közrefogott géneket is! Jelentőség antibiotikum rezisztencia IS IS Resistance Gene(s) Resistance Gene(s) IS IS

40

41 A prokarióták változatossága

42 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

43 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

44 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)

45 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

46 Metántermelő (metanogén) ősbaktériumok Őskénbaktériumok Halofil ősbaktériumok Sejtfal nélküli ősbaktériumok

47 METÁNTERMELŐ (METANOGÉN) ŐSBAKTÉRIUMOK

48 Széndioxid, szénmonoxid vagy hangyasav metánná alakítása Obligált anaerobok Mezifilek, termofilek Szerves anyagokban gazdag környezetben élnek (kérődzők bendője, mocsarak, tavak üledéke)

49 Methanobrevibacter ruminantium Kérődzők bendőjében él Mezofil, anaerob

50 Methanospirillum Szennyvíz iszap

51 Methanosarcina Szennyvíz iszap, kérődzők bendője

52 ŐSKÉNBAKTÉRIUMOK

53 Sulfolobus Termoacidofilek, savas kéngőzös forrásokban élnek (70 80 ) Gömb alakú, felszínén lebenyek vannak Ként, kénhidrogént,

54 Thermoproteus, Tenger alatti kénkiválások környékén élő anaerob élőlények Litotrófok, de szerves anyagokat is képesek felhasználni

55 HALOFIL ŐSBAKTÉRIUMOK

56 Nagy sókoncentrációjú tavakban, a Holt tengerben Optimális sókoncentráció 20 30% Jellegzetes vörös szín pigmentek (vedi a sejteket az erős fénytől) Aerobok, fakultatív anaerobok

57 Halococcus

58 Sejtfal nélküli ősbaktériumok Fakultatív aerob, obligált termacidofil Sejtfal nélkül, mannózban gazdag glikoprotein és lipopoliszaharid tartalmú membrán poliszaharid réteg a sejt felszínén

59 Thermoplasma acidophilum Szénbányák meddőhányóiról izolálták Genommérete legkisebb az összes ismert élőlény közül