Title: 1. dia
1(No Transcript)
2Transzdukció
Bakteriofágok közvetítte genetikai információ
csere Két fo bakteriofág típus Virulens
fágok/lítikus fágok fertozik a sejtet, gyorsan
szaporodnak, lizálják a sejtet Mérsékelt
fágok/temperált fágok fertozik a sejtet, be
tudnak épülni a genomba és profágként alvó
állapotban néha kivágódnak, szaporodnak és
lizálják a sejtet
3Bakteriofágok morfológiája változatos RNS-t vagy
DNS-t tartalmaznak fehérje burokban Szinte
minden baktériumnak van fágja.
4A gazdabaktériumuk sejtjének felületén lévo
specifikus receptorhoz kapcsolódnak Nukleinsavukat
a gazda sejtbe injektálják
Smithsonian (Oct 2000)
T4 bakteriofágok egy E. coli sejt felületén
5Mérsékelt fág A gazda genomba épül be félalvó
állapot (a baktérium így lizogén bakt.) (pl. ?
bakteriofág)
6Fágkonverzió
Az alvó profág az integrálódott bakteriofág a
mikróba fenotípusát megváltoztató géneket
hordoz - pl. a patogének és a toxin
termelés
toxin profág
inzerciós hely (att site)
Corynebacterium diptheriaea A fág génekrol
termelodik a toxin. Ez betegíti meg az embert.
C. diptheriaea A fág nélkül a törzs nem termel
toxint. Nem okoz diftériát.
7A fágfertozés lizogén útvonala
8Transzdukció (specializált)
- specializált transzdukció
- LFT, kis frekvenciájú transzdukáló lizátum
- HFT, nagy frekvenciájú transzdukáló lizátum
- A specializált transzdukció ? fág
9A specializált transzdukció egyszeru mechanizmusa
10Specializált transzdukció (Hibás kivágódás!!!)
11Specializált transzdukció
- ? fágnál (gal, bio markerek)
- A profág pontatlan kivágódásával
- A profág beépülése melletti gének is bejutnak a
fágfejbe - Kis gyakoriságú jelenség
- A hiba folytán kis valószínuséggel keletkeznek
olyan fágok is, melyek hordoznak baktérium gént - LFT, kis gyakoriságú transzdukáló lizátum
- Mivel a lambda fág fejmérete nagyobb, mint ami a
fág DNS-hez szükséges méret (75-109)
transzdukció esetén fág funkció sérülhet
(defektív fág, minél nagyobb az átvitt bakterium
DNS darab annál defektívebb a fág)
12(No Transcript)
13- Ha a fág defektív, helper fág kellhet a sikeres
lizogénia kialakításához - A termelésnél nincs probléma, mert a jelenlévo
intakt fág funkciók biztosítják a normális
muködést (többszörös genom ekvivalens) - Transzdukáló fággal lizogenizált baktérium is
elofordul - Ugyanúgy indukálható, mint más lizogén
- Ha defektív, akkor nem keletkezik fágrészecske
- Ha a defektív funkciót teljes helper fággal
kiegészítjük, indukció során az összes
fágrészecske 50-a transzdukáló HFT High frequency
14A virulens fágok egylépéses szaporodási
görbéje - A latencia periódus alatt a fággenom
replikálódik és a gazda genom teljesen leépül
15A fágfertozés látható hatása a gazda DNS-re
T4 fág
DNS
Fertozés elott
Fertozés után
16A fágfertozés lítikus ciklusa
17Általános transzdukció (hibás pakolás!!!)
18Transzdukció
- DNS átvitel baktérium sejtek között bakteriofág
segítségével - Általános transzdukció
- A transzdukáló fágrészecske csak bakteriális
DNS-t hordoz - Pszeudovirion, mert a saját szaporodásához
szükséges tulajdonságokat nem hordozza
19A fágok egy részénél fejméretu a pakolás, ami
lehet hibás is a pakoló mechanizmusnak nincs
specifikus felismero helye
Így pakol a Salmonella typhimurium P22 fágja és
B. subtilis PBS1fágja
20Mi történik a recipiens sejteben?
21A baktériumok közötti géncsere hatékony módja a
generalizált, vagy általános transzdukció Hibás
pakolás!!! Közeli genetikai bélyegek térképezése!
22Példa transzdukió a Salmonella typhimurium P22
fágjával
P22 HT hatékony általános transzdukáló -
hanyag fág a fágrészecskék 50-ában gazda DNS,
azaz transzdukáló részecske ( transducing
particles TP) Minden fejben (TP) 44 kb-nyi DNS
a Salmonella genom kb. 4400 kb nagyságú Ezért,
ha a pakolás teljesen véletlenszeru, akkor 100
különbözo fágrészecske a teljes genomot
reprezentálhatja. 1011 P22 HT fág/ml
szaporítható tehát ebbol 5 x 1010 ben gazda
DNS van ? 1 ml-ben kb. 5 x 108 Salmonella
genomnyi (0.5)(1011 fág/ml)/(100 TP 1 genom)
108 genom kópia/ml a lizátumban
23(No Transcript)
24Transzformáció
- Pneumococcus (Stapylococcus) Bacillus
transzformáció - Kompetencia
- DNS felvétel/bejutás
- Donor DNS megtartása a recipiensben
- Más transzformációs rendszerek
- Haemophilus influenzae
- Escherichia coli
- Elektroporáció
- Protoplaszt transzformáció
- Transzfekció fág DNS-sel
- E. coli
- B. subtilis
- Géntérképezés transzformációval
25Transzformáció
- Genetikai információátvitel (az elso amit
felfedeztek) - Donor sejt nagyméretu DNS-t bocsájt ki
- A DNS a tápközegben diffundál (a recipiens felé)
- A DNS transzportálódik sejtfalon, sejtmembránon
keresztül a citoplazmába, ahol rekombináció
történik - Ez a transzformáció genetikai információátvitel,
nem a normál sejtek tumorrá történo
transzformációja (eukarióták esetén)
26Jelentosége?
- Mivel a DNS könnyen degradálódik, azt gondolták
nincs valós szerepe (csak a laboratóriumban)
Ezzel szemben számos természetes genetikai
transzformációs rendszer létezik Achrobacter,
Azotobacter Bacillus, Butyvibrio, Campylobacter,
Clostridium, Hemophilus, Micrococcus,
Mycobacterium, Neiserria, Pseudomonas, - Streptococcus, Streptomyces, Synechoccus
- Valamilyen jelentoségnek kell lennie
- Kimutatták még
- Talajba jutattott plazmid és kromoszóma DNS
fennmarad, mi több a Pseudomonas stutzeri és a
Bacillus subtilis transzformálódik is - Egér gt DNS etetés után kimutatható a DNS a vérben
is, így lehet olyan sejt is , amelyik felveszi (
immunizálás )
27Transzformáció felfedezése és utóhatásai
- Pneumococcus
- Sima, poliszacharid burokkal rendelkezo telep
- patogén
- Durva telep, kapszid poliszacharid hiánya
- Nem patogén
- Klasszikus transzformációs kísérlet
- Avery kimutatja a transzformáló elv a DNS
- Senki nem akarja elhinni
- Hershey és Chase DNS és fehérje radioaktív
jelölés (külön) - Watson és Crick, a DNS szerkezete
- Pneuomococcus Streptococcus pneumoniae
- Bacillus subtilis 168
28Transzformáció
- A transzformáció az a folyamat, amikor a sejtek
tiszta DNS-t vesznek fel és építenek be. - Két fo típus
- Természetes transzformáció (a mikróbáknak csak
kis csoportja) - - általában lineáris DNS
- 2. Mesterségesen indukált (a legtöbb, de nem az
összes mikroorganizmus képes így DNS felvételre) - - általában plazmid DNS
- Az a sejt, amelyik képes a DNS felvételére az
kompetens.
29Mesterséges kompetencia
A molekuláris biológia egyik legfontosabb,
alapveto technikája, lehetoség, hogy idegen DNS-t
vigyünk be a baktérium gazdába. Gyakran csak
úgy érheto el, hogy mesterséges-kompetens
sejteket készítünk. Az E. coli felvesz és
replikál gyurus DNS-t. A mesterséges
transzformáció két típusa Kémiai
kompetencia Elektroporáció/elektrotranszformáció
PROTOPLASZT PoliEtilénGlikol PEG
30Kémiai kompetencia Néhány baktériumba, köztük az
E. coli-ba, a kétértéku kationok, kis
homérsékleten segítik a plazmid DNS felvételét (
a lineáris DNS-t is felveszik, de a citoplazma
DNáz-ai gyorsan feldarabolják, még mielott bármit
is tudna tenni) Nem teljesen világos, hogy hogyan
is van.
Felvételi csatornák poliP, PHB, és Ca
31Elektroporáció
Nagy térerosség átmeneti lyukakat eredményez a
sejtfalban Alkalmas körülmények között a DNS
be/ki szivárog. A kinti nagy plazmid
koncentráció gyors beáramlást eredményez.
Elektroporációs küvetta
Ide kerülnek a sejtek
32A transzformáció hatékonysága?
Transzformációs gyakoriság Sejtszámra
(transzformánsok száma/µg DNS) 106-109/µg
pBR322 kb. 1011 plazmid/µg pBR322 úgy is
mérheto, hogy a sejtek hány -a kapott plazmidot
DNS-re a DNS molekulák hány -a
transzformált sejtet
Módszer sejtszámra DNS-re
kémiai 1 12
elektro 10 90
33Természetes kompetencia/transzformáció gram-pozití
vokban Pl. Streptococcus pneumoniae Bacillus
subtilis -nem specifikus -korlátozott száumú
felvevohely (30-75) -nick képzodés -a
komplementer szál degradálódik a felvétel
közben -rekombináció a recipiensben
34Természetes transzformáció gram-negatív Pl.
Haemophilus influenzae Neisseriae gonorrhoeae
-szekvencia specifikus -4-8 hely/sejt -nincs
sejthez kötött intermedier -dsDNS import a
periplazmába -komplementer degradálódik a
citoplazmába történo transzport
során -rekombináció a recipiensben
35Gram-pozitív felvevo rendszer -jó gépezet a
sejtekbe történo DNS szállításra
a konjugációs rendszer fordítottja - néhány
komponense a Tra funkciókhoz hasonlít
36Gram-negatív felvevo gépezet -ez se rossz -
keresztezni kell a periplazmát és a külso
membránt
37- A folyamat energia ellátása?
- Intracelluláris ATP hidrolízis
- pH gradiens PMF (proton motive force)?
- komplementer degradáció
- Funkciója
- Tápanyag
- DNS repair
- Genetikai identitás/diverzitás
38Transzformáció
- Kompetencia kialakulása
- DNS kötodés és bejutás
- A DNS integrációja a recipiens sejtben
39Kompetencia
- Az alapelv nagyon hasonló (természetben
eloforduló) - Kompetencia az a képesség, mellyel a DNS
megkötésre kerül, ezáltal védett lesz a
nukleázokkal szemben - A kompetencia idozítése különbözik
- Szinte minden esetben (amit tanulmányoznak)
fejlett szabályozás alatt áll a kompetencia
40A kompetencia fiziológiája
- Meghatározott fiziológiai állapot
- Valamely fejlodési szakaszhoz, vagy tápanyag
ellátottsághoz kapcsolódik (legtöbbször, tápanyag
hiány kialakulása kapcsolja be) - B. subtilis esetében homérséklet csökkenés is
kiválthatja (42Cgt37C) - A szabályozó rendszerben olyan represszorok
vannak, melyek - egyrészt flagella és kemotaxis géneket
- másrészt kompetencia géneket aktiválnak
41- Kivételek
- Bakteriofág is indukálhat kompetenciát
(Staphylococcus aureus) - Exponenciális növekedési szakaszban alakul ki a
kompetencia (S. pneumoniae) - A tenyészetben lévo kompetens sejtek száma
változó (15 Bacillus-Streptococcus, 100) - A kompetencia kialakulása függ a sejtszámtól
42- Kompetencia kialakulása rövid ideig tart (pár
perc) - Stacioner fázisban
- Bacillusoknál, ha a kétszerezodési ido 150-390
perc - Mivel kemosztát kultúrában is van kompetencia, de
nincs sporuláció, ezért a sporuláció nem
szükségszeruen kapcsolódik a kompetenciához - Hasonlóan a korai sporulációs génekben mutáns
baktérium kompetens
43- A B subtilis kompetens sejtek
- Kisebb suruséguek (gradiens centrifugálással
elkülöníthetok a normál sejtektol) - Kisméretuek
- Egy nem replikálódó genomja van
- A kompetens sejtek membránja 4 több PHB-t
(polihidroxi-butirát) tartalmaz, (egyébként
raktározó szerepe van) - Segít egy transzmembrán csatornát kialakítani
44- S. penumoniae
- Kompetens sejtek membránján kompetencia faktor
- Ez a közegbe is kikerül
- Ettol a nem kompetens sejtek kompetenssé válnak,
úgy hogy a kompetencia faktor egy másik membrán
fehérjéhez köt (comD terméke) - A kompetencia faktor kötésével legalább 10
fehérje kezd el szintetizálódni - A kompetencia faktor megmagyarázza, miért kell
nagy sejtsuruség, nagyobb a valószínusége, hogy
megtalálja a receptorát - A com lókusz mutációi megakadályozzák a
kompetencia kialakulását
45- comA terméke hasonlít az ATP függo transzport
fehérjékhez (melyek toxin fehérjéket szállítanak
a sejt felszínére, coli hemolizin gén) - A kompetencia kialakulásával a sejtfal
porózusabbá válik - Az autolitikus enzimaktivitás növekszik
- Baktérium sejtek láncolata hosszabb lesz
- A legtöbb változás a sejt egyenlítoi síkjában
következik be, ahol a növekedés történik, és ahol
a DNS felvétel történik
46DNS kötés
- Kompetens és nem kompetens sejt is köt DNS-t
- A nem kompetens sejtben lemosható a DNS, a
kompetens sejtben nem mosható le egyszeruen - EDTA hatására a DNS megkötodik, de minden további
feldolgozás megáll - Kb. 50 DNS köto hely van a kompetens B. subtilis
felszínén - A kötött DNS érzékeny a nukleázokra és a
nyíróerokre - Bármilyen eredetu DNS kötodhet
- Minimum 500 bp hosszú fragmens kell a kötéshez
- Egyszálú, glükozilált DNS, ds RNS, RNS-DNS hibrid
nem kötodik
47DNS bejutás
- A következo lépés a DNS bejutása a sejtbe
- A 3 végtol kezdve
- A bejutás elott a kötohely melletti endonukleázok
megfelelo méretre hasítják a DNS-t - Véletlenszeru hasítás
- Eredmény 15 kb-nál nem nagyobb DNS fragmensek
(kisebb, mint amekkorát a transzdukáló fágok
bejuttatnak) - Az endonukleázoknak magnéziumra vagy kalciumra
van szükség (ezért érzékeny az EDTA-ra) - Ebben a fázisban, ha szétválasztjuk a DNS-t és a
sejteket a kettos szálú DNS alkalmas a
transzformációra
48- Következo lépés az eklipsz komplex kialakulása
- A DNS kötodik egy kompetencia specifikus
fehérjéhez - Ezáltal a DNS egyszálú lesz
- Védett lesz a külso nukleáz hasítással szemben
- Teljesen véletlenszeru, hogy melyik szál hasad le
és az is, hogy milyen helynél kezdodik a hasítás - A lebomlott szál nukleotidjai a médiumba kerülnek
49(No Transcript)
50Mi magyarázza a transzformáció jelenségét
- Genetikai átváltozás
- Energia az elbontott DNS szálból
- Önmagában egyik sem magyarázza, de a ketto együtt
igen
51- Elektronmikroszkópos felvételek
- Adhéziós zónához hasonló részek a kompetens
sejtekben (mint a T4 fág infekciókor) - A bakteriális kromoszóma membránhoz kötött, a
transzformáló DNS közvetlenül a célhoz jut - Normál proton gradiens szükséges a DNS bejutáshoz
(B. subtilis), ATP kell Streptococcus-nál - A kompetencia indukció része a RecA és egy
kapcsolódó fehérje (kolligrin) termelése - A kolligrin membrán fehérje a RecA-t segíti a
membránban - Így a bejutó DNS rögtön rekombinációba lép (mert
S. pneumoniae elektroporációval nem
transzformálható)
52A donor DNS sorsa
- Kompetens sejt homológ (saját) és heterológ
(idegen) DNS-t is köt - Mindketto egyszálú is lesz az internalizációkor
- Genetikai kicserélodés során kell lenni olyan
folyamatnak, mely megakadályozza idegen DNS
honosítását - Bacillus és Streptococcus a rekombináció során
diszkrimiál. Különbséget tesz idegen és saját
(faj) DNS-e között
53- Korrekt hidrogén hídkötés szükséges, ahol nincs
ott nincs rekombináció és kizáródik a heterológ
DNS - Rekombinációban deficiensnél nincs transzformáció
- A rekombináció indukciója (nick-ek a recipiens
DNS-ben) javítja a transzformáció hatékonyságát
54(No Transcript)
55- Az egyszálú DNS D-loop kialakításával kicseréli a
recipiens homológ darabjátgttranziens heteroduplex
alakul ki - A hetroduplexben lehet néhány rossz párosodás,
ezt a repair enzimek javítják - A javítástól függoen elveszhetnek transzformánsok
- S. pneumoniae esetén Hex rendszer
- A Hex fehérje bizonyos helyeket felismer a
genomon - A helyek körül kijavítja a hibákat
- Azok a markerek, amelyek Hex felismero hellyel
rekombinálnak elvesznek LE (low efficiency) - Hex helytol távolabbi markerek nem vesznek el HE
(high efficiency) - a hex limitje a fehérje molekulák száma (ha sok
transzformáló DNS-t adunk, telítodik a hex
rendszer
56Plazmid transzformáció
- Önállóan képes replikálódni, ha bejutott
- DE!! A bejutás során linearizálódik
- Egyszálú DNS-ként jut a citoplazmába, pedig a
replikációhoz kétszálúnak kell lennie - Egy plazmid molekula nem ad transzformánst,
szinte mindig extra DNS is található - Hogyan oldható meg, a recipiensben kell homológ
DNS (vagy kromoszóma, vagy plazmid) - Ha van homológ darab, akkor rekombinálódhat,
cirkularizálódhat - Ha homológ DNS darab kötodik a vektorhoz, akkor
nagy gyakoriságú transzformációt kapunk - Marker rescue (ha rezidens plazmidot használunk a
transzformánsok visszanyerésének növeléséhez)
57(No Transcript)
58Más transzformációs rendszerek
59Hemophilus influenzae
- Gram negatív organizmus
- Kompetencia kialakulása tápanyaghiányra
- Nukleinsav szintézis gátlás 100 kompetencia
(fehérje szintézis esszenciális) - Nincs kompetencia specifikus fehérje
- Csak más Hemophilus fajból vesz fel DNS-t
- A DNS-en kell lennie egy 11 bp-os darabnak
- Ez kötodik a sejt membránhoz
60- DNS bejutása más
- Belso membrán kitüremkedik, kialakul a
transzformaszóm - Donor DNS kapcsolódik a receptorhoz
- Plazmid transzformáció nagyon kis gyakorisággal
- Noha ds DNS jut be a transzformaszómba a
rekombináció egyszálú DNS-el jön létre
61(No Transcript)
62E. coli transzformáció
- Természetes körülmények között (spontán) nem
transzformálódik - Különleges esetekben kompetenssé válik
- Szferoplaszt
- Kalcium koncentráció, hosokk (90 sejthalál)
- Kobalt klorid és DMSO befolyásolja
- Subtilis-hez hasonlóan PHB halmozódik a
membránban (kompetens sejtnél) - Szabályozott folyamat, PHB szintézist a Ca
elosegíti - Plazmid DNS-el simán transzformálható, mert nem
linearizálódik ezért fontos!!!! (lineáris DNS
kisebb hatékonyság 1000)
63- Lineáris DNS-el nem transzformálható
- Exonukleáz V bontja a DNS-t (ezt a rolling circle
replikációhoz ki kell kapcsolni, lambdánál) - Legtöbb transzformált coli törzs recB, recC (ExoV
inaktív) és sbcB (rekombináció hiány szupresszor) - Természetes transzformáció gátjai
- Nincs kompetencia (spontán)
- ExoV jelenléte
- Mindkettot ki lehet küszöbölni laboratóriumi
körülmények között
64Elektroporáció
- Elektro transzformáció
- Nagy feszültségu áram baktérium szuszpenzión
keresztül - Kis lyukak keletkeznek a sejtfalon
- Kis méretu plazmidok, vektor konstrukciók
átjutnak - Bejutás után hasonló, mint a többi
- Nagy sejtpusztulás, de sok baktériumsejtet lehet
alkalmazni, elegendo a legtöbb kísérlethez - E. coli esetén a leghatékonyabb (nagyobb
transzformációs gyakoriság, nagyobb méretu DNS)
65(No Transcript)
66Transzfekció
- A donor DNS forrása nem baktérium sejt, hanem
bakteriofág - Az eredmény infekciós centrum, azaz plakk
- A hatékonyság plakk vizsgálattal végezheto
- Elonye
- A DNS populáció egységes
- Így követheto a DNS sorsa a transzformáció
lépéseiben - Vizsgálható a transzformáció jelensége
- Hasznos volt a rekombináció és repair
tanulmányozásához (mesterséges heteroduplexeket
hoztak létre fág és más DNS-el és vizsgálták a
rekombinációt, javítást)
67Térképezés transzformációval
- Gének kapcsoltságának megállapítása
transzformációval - Transzdukcióhoz hasonló elv
- Ha két távoli gént veszünk, azok egyszerre csak
akkor transzformálhatnak, ha egy sejt egyszerre
két DNS darabot épít be (egyik az egyik, másik a
másik génnel) - A közeli géneknél (kapcsolt) az együttes
transzformánsok úgy is létrejöhetnek, hogy
mindkét gén egy fragmensen van
68- A csökkeno mennyiségu DNS-el történo
transzformáció során kapcsolt gének esetén a
recipiens egyszeres és kétszeres
transzformánsainak száma megegyezik (mert a két
gén ugyanazon a transzformáló donor DNS-en
helyezkedik el) - Távoli gének esetén, nagyobb a valószínusége
annak, hogy külön DNS-en vannak, azaz, ha
higítjuk a transzformáló DNS-t elobb utóbb, csak
az egyik, vagy csak a másik gént tartalmazó
DNS-el történik a transzformáció
69(No Transcript)
70- A két gén egyedi transzformációs gyakoriságának
meghatározása után a két gyakoriságot
összeszorozzuk (ez a várható transzformációs
gyakoriság, ha a két gén nem kapcsolt) - Ezt az értéket összehasonlítják a kétszeres
transzformációs gyakorisággal, ha az utóbbi
nagyobb, mint a várt érték, azaz az egyszeres
transzformánsok gyakoriságához közelít, akkor a
két gén kapcsolt
71- Feltételezés
- A transzformáló keverékben ismert méretu és
azonos nagyságú DNS darabok vannak - A donor DNS átlagos nagyságától függ, hogy két
gén kapcsolt-e - Nagyobb DNS darabok esetén távolabbi gének is
kapcsoltnak mutatkoznak - A kapcsoltság így megállapítható
- Ha A gén kapcsolt B-vel, B gén kapcsolt C-vel,
akkor a sorrend ABC
72Géncsere/Genetikai térképezés baktériumokban
- Transzformáció, transzdukció és konjugáció
73(No Transcript)
74Genetikai információ átvitel baktériumokban
- Mindíg egy irányú donorból a recipiensbe
- Gének sorrendjének meghatározása
- Kapcsoltság
- Szelektált/nem szelektált marker
- Két és három pontos térképezés
- Genetikai és fizikai térkép
75B. subtilis transzformációja
76(No Transcript)
77(No Transcript)
78- Térképezés transzformációval
- A rekombinációs gyakoriságokból következtetünk a
gének sorrendjére. - p q o x p q o
- Ha p és q kotranszformációja gyakori, akkor a
sorrend - p-q-o.
- Ha p és o kotranszformációja gyakoribb,
akkor -
- p-o-q.
79Genetikai térképezés transzformációval
Donor sejtbol DNS darabolódás
a b
b
a
a-b- recipiens transzformációja
Ha ab kapcsoltak (fizikailag közel vannak
egymáshoz), ab, ab- és a-b rekombinánsokat
kaphatunk. Ha nem szorosan kapcsoltak, akkor
csak ab- vagy a-b . Transzformált,
transzformáns.
80PROTOPLASZT
- Baktérium, gomba, növény, állat sejtekbol
protoplaszt - DNS PEG
- Protoplaszt készítés sejtfalbontó enzimekkel
lizozim, cellulázok, proteázok, mihez mi kell
81KÉMIAI KOMPETENCIA
- Li-acetát S. cerevisiae
- KCl B. subtilis