Регуляторные элементы генома прокариот
Индивидуально экспрессируемый прокариотический ген, помимо кодирующей структуру белка или РНК области, содержит промотор и терминатор транскрипции. Функционально родственные гены часто располагаются один за другим, транскрибируются в составе одной полицистронной мРНК и регулируются координированно. Объединение в оперон облегчает горизонтальный перенос целого кластера генов.
6. Плазмиды, вирусы и мобильные генетические элементы.
Плазмида – двуцепочечная суперскрученная ковалентно-замкнутая кольцевая молекула ДНК. Плазмиды – независимые репликоны, т.е. способны самостоятельно инициировать собственную репликацию. Для репликации используют синтетический аппарат клетки, ее пластические и энергетические ресурсы. Все плазмиды контролируют собственную репликацию, соответственно, число копий в клетке. Плазмиды с одним и тем же типом контроля несовместимы. В клетке бактерии могут находиться в цитоплазме или быть интегрированными в бактериальную хромосому. Они состоят из модулей основного репликона, переноса, распределения и различных биохимических свойств. Классификация:
1. По способности инициировать процесс конъюгации: конъюгативные, неконъюгативные, мобилизуемые.
2. По числу копий: высоко- и низкокопийные.
3. По группам несовместимости: родственные плазмиды обычно не совместимы друг с другом.
4. По функции: половые F-плазмиды, плазмиды лекарственной устойчивости, Col-плазмиды, плазмиды биодеградации, плазмиды патогенности.
Вирус — неклеточный инфекционный агент, который может воспроизводиться только внутри клеток. Геномы вирусов: 1-нитьевая кольцевая ДНК, 1-нитьевая линейная ДНК (парвовирусы), 2-нитьевая кольцевая ДНК (ВПЧ), 2-нитьевая линейная ДНК (аденовирусы, герпесвирусы), 1-нитьевая РНК (ретровирусы, вирус полиомиелита), 2-нитьевая РНК (реовирусы). Мобильные генетические элементы: плазмиды, профаги, интегроны, IS-элементы, интегративные конъюгативные элементы, транспозоны. Профаг — геном фага, интегрированный в хромосомную ДНК бактериальных клеток. Некоторые бактериофаги (P1,N15) в лизогенном состоянии не включаются в хромосому хозяина, а представляют собой плазмиды. Интегрированные профаги могут накапливать мутации и терять способность к литическому развитию. Интегроны представляют собой природные системы горизонтального переноса генов, обладающие способностью к захвату фрагментов чужеродной ДНК, и играющие ключевую роль в распространении генов устойчивости к лекарственным препаратам, а также в эволюции бактериальных геномов. IS -элементы - это участки ДНК, способные как целое перемещаться из одного участка репликона в другой, а также между репликонами. Участвуют в мутационной изменчивости микроорганизмов – инсерциях и делециях. Инсерция IS элементов в бактериальную ДНК приводит к синтезу неполноценного белка. Являются генетическими маркерами вида или рода бактерий. Некоторые IS последовательности специфичны для определенных видов микроорганизмов, что позволяет их использовать для видовой идентификации бактерий. Являются местом распознавания и встраивания плазмид и генно-инженерных векторов. Плазмиды и генно-инженерными векторы встраиваться в бактериальную хромосому в области IS последовательностей. Участвуют в регуляции функций генов – активации или репрессии. Интегративные конъюгативные элементы - обширная группа мобильных генетических элементов, обнаруженных у грамположительных и грамотрицательных бактерий. Транспозоны — участки ДНК организмов, способные к передвижению (транспозиции) и размножению в пределах генома.
7. Вставочные последовательности, значение. Транспозоны, функции. Интегроны. CRISPR - Cas система.
Вставочные последовательности, значение
Это участки ДНК, способные как целое перемещаться из одного участка репликона в другой, а также между репликонами (~1000 н.п.).
Содержат только гены транспозиции (их собственного перемещения):
- Ген транспозазы (фермента, обеспечивающего процесс исключения IS-элемента из ДНК и его интеграцию в новый локус).
- Ген, детерминирующий синтез репрессора (регулирует весь процесс перемещения).
- Инвертированные повторы.
Транспозоны — это мобильные генетические элементы, обнаруживаемые у всех живых организмов. Они способствуют регуляции экспрессии генов при развитии и адаптации, а также служат основными источниками генетических вариаций в эволюции геномов. состоят из 2000-25 000 пар нуклеотидов, содержат фрагмент ДНК, несущий специфические гены, и два концевых IS-элемента, на обоих концах Tn находятся прямые или инвертированные повторы, по которым транспозаза распознает их и вырезает. Перенос транспозонов осуществляется консервативным или репликативным механизмом. Консервативный перенос происходит путем вырезания транспозона из одного участка и транспозицией в другой без увеличения количества копий, при этом участок ДНК, откуда вырезается транспозон, утрачивает свои функции. При репликативном способе переноса синтезированная копия транспозона перемещается в новое место, при этом механизме увеличивается количество копий. Функции транспозонов:
• участвуют в регуляции активности генов, инактивируя их или активируя;
• осуществляют горизонтальный перенос генов, например, вирулентности или резистентности, обуславливая распространение устойчивости к антибиотикам среди микроорганизмов;
• перемещение подвижных генетических элементов по репликону или между репликонами вызывает:
ü инактивацию генов тех участков ДНК, куда они, переместившись, встраиваются;
ü образование повреждений генетического материала;
ü слияние репликонов, т.е. встраивание плазмиды в хромосому;
ü распространение генов в популяции бактерий, что может приводить к изменению биологических свойств популяции, смене возбудителей инфекционных заболеваний, а также способствует эволюционным процессам среди микробов.
Интегроны - генетические элементы, имеющие в своем составе интеграционный модуль с геном интегразы, сайтом интеграции и промотором, направленным в противоположную от гена интегразы сторону; благодаря этому модулю интегроны способны встраиваться в геном и экспрессировать чужие гены в составе кассеты. Кассета может существовать в двух формах: линейной, когда кассета интегрирована в интегрон, и в виде маленькой кольцевой двухцепочечной ДНК. Кассеты имеют размеры от 260 до 1500 н.п. Они содержат преимущественно 1 ген антибиотикорезистентности и сайт рекомбинации, состоящий из 59 пар оснований, расположенный на З'-конце.
Короткие палиндромные повторы - «скопление разделенных регулярными промежутками коротких симметричных повторов». Одинаковые короткие повторы чередуются с неповторяющимися последовательностями, как в детском стишке Даниила Хармса: «Чиж-судомойка, чиж-поломойка, чиж-огородник, чиж-водовоз...» — только вместо «чижа» палиндром, одинаково читающийся с обоих концов. СRISPR-структуры чаще располагаются на основной хромосоме (нуклеоиде), но иногда входят в состав плазмид. CRISPR — это сложная многокомпонентная система, состоящая из кассет, содержащих повторы и спейсеры. Между идентичными повторами располагаются отличающиеся друг от друга фрагменты ДНК — спейсеры, многие из которых соответствуют участкам геномов вирусов, паразитирующих на данной бактерии. CRISPR — это база данных бактерии о контактах с вирусами, подобная тому, как лимфоциты человека хранят информацию о контактах с инфекционными агентами, если бактерии удавалось победить вирус, она как бы подбирала фрагменты его ДНК и встраивала в свой геном, формируя своего рода картотеку вирусов, с которыми она сталкивалась прежде
8. Особенности организации генома прокариот.
· Относительно высокое (70%) содержание структурных генов на имеющуюся ДНК;
· Высокое абсолютное число генов;
· Организация генов в опероны – целостно транскрибируемые группы функционально родственных генов;
· Отсутствует интрон-экзонная структура – гены непрерывны;
· Присутствие внехромосомной ДНК – плазмид;
· Репликация, транскрипция, трансляция происходят в цитоплазме;
· Процесс транскрипции и трансляции проходят одновременно;
· Полицистронные мРНК.