background image

 

Lect. No. 4 & 5                                                          Dr.Farah Hazem          

Bacterial genetics 

Genetics 

 

is the study of genes, heredity, and genetic variation in living organisms 

It is generally considered a field of biology      

The Bacterial Genome 

The  genome  of  an  organism  is  defined  as  the  totality  of  its  genetic  material.  For 

bacteria,  the  genome  consists  of  a  single  chromosome  that  carries  all  of  the 

essential  genes  and  one  or  more  varieties  of  plasmid  that  generally  carry 

nonessential genes. 

Gene

:  A  gene  is  a  locus  (or  region)  of  DNA  that  encodes  a  functional  RNA  or 

protein  product,  and  is  the  segments  of  DNA  located  on  chromosomes.  Genes 

contain the codes for the production of specific proteins. 

Phenotype

: it is the collective structural and physiological properties of a cell or  

an  organism  (eg.  Resistance    against    one  or  several  antibiotics  or  poisons  in  the 
bacteria. 
 

Genotype: the alteration in the sequence of DNA within a gene or in 
The organization of genes. 
 
Change  in  genotype  hs  the  chemical  basis  for  variation  in 
phenotype.

 

 


background image

 

A. The chromosome 

 

All of the essential genes and many nonessential genes of the bacterium are carried 

on a single, long piece of circular, double-stranded DNA. This molecular structure 

is  called  “the  chromosome”.  The  chromosome,  along  with  several  proteins  and 

RNA molecules, forms an irregularly shaped structure called the nucleoid. This sits 

in  the  cytoplasm  of  the  bacterial  cell.  .  Most  bacteria  have  chromosomes  that 

contain 2000 to 4000 genes. 

  B. Extra chromosomal elements 

In  addition  to  the  chromosomes,  many  bacteria  posses  smaller,  independently 
replicating(extra chromosomal) termed: 

1.plasmids 

2.episomes 

3.transposons 

4.bacteriophage 

 

1. Plasmids 

Typically,  bacteria  contain  small  DNA  circles  (plasmids),  its  size  is  usually  less 

than one-tenth the size of the bacterial chromosome. Their  size  varies  from 1 kbp 

to  over  400  kilobase  pairs  (kbp).

 

Bacteria  can  pick  up  new  plasmids  from  other  

bacterial cells (during conjugation) or from the environment. They can also readily 

lose them – for instance, when a bacterium divides in two, one of the daughter cells 

might miss out on getting a plasmid. 


background image

 

Every plasmid has its own ‘origin of replication’ – a stretch of DNA that ensures it 

gets replicated (copied) by the host bacterium. For this reason, plasmids can copy 

themselves  independently  of  the  bacterial  chromosome,  so  there  can  be  many 

copies of a plasmid – even hundreds – within one bacterial cell. Plasmids can carry 

genes for toxins and for proteins that promote the transfer of the plasmid to other 

cells,  but  usually  do  not  include  genes  that  are  essential  for  cell  growth  or 

replication.

 

Plasmids are cloning vectors that are widely used in molecular biology 

and they play important roles in the genetic engineering

.

  plasmid can be 

 

either: 

a.Transmissible

transfer to another cell by gonjugation example: 

1. 

Fertility-(F) plasmids,  

 

They are capable of conjugation (they contains the genes for the pili) 


2.      Resistance-(R) plasmids

  contain gene (s) that can build resistance against one or several antibiotics or 

poisons. 

b. non Transmissible

 

:not transfer to another cell  

 

1.  Col-plasmids, 

contain genes coding for colicines, proteins that can kill other bacteria.   

2.  Degradative plasmids, 

able to digest unusual substances, e.g., toluene or salicylic acid. 

 

3.  Virulence plasmids, 

turn a bacterium into a pathogen. 

 

2.  Transposones:

  these  are  mobile  DNA  séquense  that  can  move  between 

plasmids and between plasmid and bacteria. THEY ARE OF TWO KINDS: 

a.  simple transposones ;carry only genetic informations such as drug resistance. 


background image

 

3.

 

Episones:

 genetic elements that canbe integrated in the host cell chromosomes  

 

4. 

Bacteriophage: 

A  bacteriophage  (phage)  are  obligate  intracellular  parasites  that  multiply  inside 

bacteria by making use of some or all of the host biosynthetic machinery.  (phage) 

is a virus that replicates inside a bacterial cell; it consists of a piece of nucleic acid 

encapsulated in a protective protein coat. Depending on the phage, the nucleic acid 

can  be  DNA  or  RNA, double-stranded or  single-stranded, and  range  in  size  from 

about  3  genes  to  about  200  genes.  The  typical  replicative  cycle  begins  with 

attachment of  the phage to  receptors  on  the  cell surface,  followed  by  injection of 

the nucleic acid into the bacterial cell, leaving all or most of the protein outside the 

cell.  [Note:  This  is  in  contrast  to  viral  infection  of  vertebrate  cells,  in  which  the 

entire virus is taken up by the cell, and its nucleic acid released intracellularly. The 

phage nucleic acid takes over the cell's biosynthetic machinery to replicate its own 

genetic  material,  and  to  synthesize  phage-specific  proteins.  When  sufficient  coat 

proteins and new phage DNA have accumulated, these components self-assemble 

into mature phage particles, with the DNA encapsulated by the phage coat. Release 

of  new  phage  particles  is  accomplished  by  a  phage-specific  enzyme  (lysozyme) 

that dissolves the bacterial cell wall.  

Types of phage: 

A. Virulent phage: 

 Results  in  the  death  of  the  cell  by  lysis,  with  release  of  newly  replicated  phage 

particles.  Under  optimal  conditions,  a  bacterial  cell  infected  with  only  one  phage 

particle can produce hundreds of progeny in twenty minutes. 


background image

 

B. Temperate phage 

A bacterium infected with a temperate phage can have the same fate as a bacterium 

infected  with  a  virulent  phage  (lysis  rapidly  following  infection).  However,  an 

alternative  outcome  is  also  possible,  namely,  after  entering  the  cell,  the  phage 

DNA,  rather  than  replicating  autonomously,  can  fuse  or  integrate  with  the 

chromosome  of  the  host  cell.  In  this  state  (prophage),  the  expression  of  phage 

genes  is  repressed  indefinitely  by  a  protein  (repressor)  encoded  within  the  phage 

genome.  No  new  phage  particles  are  produced,  the  host  cell  survives,  and  the 

phage DNA replicates as part of the host chromosome. 

Gene Transfer 

Genetic  recombination

 

-  transfer  of  DNA  from  one  organism  (donor)  to 

another recipient 

Genes  can  be  transferred  from  one  bacterial  cell  to  another  by  three  distinct 

mechanisms:  conjugation,  transduction,  and  transformation.  Because  the 

transferred DNA usually does not contain an origin of replication, these genes will 

be  passed  on  to  succeeding  generations  only  if  the  transferred  DNA  becomes 

incorporated into the recipient chromosome, which has an origin of replication. 

A. Conjugation 

Conjugation  is  the  process  by  which  bacteria  transfer  genes  from  one  cell  to 

another by cell-to-cell contact. The donor (male) and recipient (female) cells must 

have  the  proper  genetic  constitution  to  adhere  to  each  other,  and  form  a 

cytoplasmic  bridge  between  the  cells  through  which  DNA  can  pass.  Specifically, 

the  process  requires  the  presence  on  the  donor  cell  of  hair-like  projections  called 

sex pili that make contact with specific receptor sites on the surface of the recipient 


background image

 

cell.  This  contact  results  in  the  formation  of  a  relatively  stable  cell  pair,  and  the 

initiation of DNA transfer. 

B. Transduction 

Transduction refers to transfer of genes from one cell to another via a phage vector 

without cell-to-cell contact. Phage that undergo this process are temperate phages  

Which can transfer one portion of  DNA from one bacterium to another.  

There  are  two  ways  in  which  this  can  occur:  generalized  transduction  and 

specialized transduction.  

generalized  transduction 

:a  random  fragments  of  bacterial  DNA  that  is 

accidentally  encapsulated  in  a  phage(  lytic  phage)  instead  of  its  DNA  ,  then  this 

segments  is  transferred  to  another  bacterium  when  this  phage  infects  another 

bacteria.  due to  an  error in  maturation during the  lytic life  cycle.  a  bacteriophage 

head  or  capsid  assembles  around  a  fragment  of  donor  bacterium's  nucleoid  or 

around a plasmid instead of a phage genome by mistake.  (transduction can transfer 

any bacterial genes). 

specialized transduction

:   only  certain  bacterial genes located in the bacterial 

chromosome in a close proximity to the phage  (temperate phage) are transduced .( 

transduction only certain group of genes). due to an error in spontaneous induction 

during the lysogenic life cycle during spontaneous induction, a small piece of the 

donor bacterium's DNA is picked up as part of the phage's genome in place of 

some of the phage DNA which remains in the bacterium's nucleoid.  

 

phage particle contains both phage and bacterial DNA joined together as a single 

molecule.  After  infecting  another  cell,  this  joint  molecule  integrates  into  the 


background image

 

recipient  chromosome  just  as  phage  DNA  normally  does  in  the  process  of 

becoming a prophage. 

C. Transformation

 

 

Transformation is the transfer of genes from one cell to another by means of naked 

DNA. The discovery of transformation in 1928, one of the most important in all of 

biology, led eventually to the identification of DNA as the genetic material. 

The  mechanism  of  DNA  uptake  includes  the  presence  of  specific  receptor  For 

DNA on the surface of the recipient cell and their cell wall must contain  

Large pores for the DNA to pass through.   

Transformation  process:  As  free,  double-stranded  DNA  enters  the  recipient  cell, 

one of the two strands is destroyed by cell  nucleases. The remaining single strand 

invades the resident chromosome, seeking a region of sequence homology. If such 

a sequence is found, the invading strand replaces one of the two resident strands by 

a complex cut-and-paste process. Transformation probably has only a minor effect 

on  gene  flow  in  natural  bacterial  populations,  but  it  is  useful  experimentally  for 

introducing a cloned gene (for example, the human gene for insulin) into bacterial 

cells. 

 

Gene Expression: 

Genetic information is encoded in DNA, transcribed into mRNA, and translated on 

ribosomes through tRNA into the structure of proteins. The mechanism by  which 

the sequence of nucleotides in a gene determines the sequence of amino acids in a 

protein is as follows: 


background image

 

 

(1)  RNA  polymerase  forms  a  single polyribonucleotide  strand,  called  "messenger 

RNA" (mRNA), using DNA as a template; this process is called transcription. The 

mRNA has a nucleotide sequence complementary to a template strand in the DNA 

double helix. 

 

(2)  Amino  acids  are  enzymatically  activated  and  transferred  to  specific  adapter 

molecules  of  RNA,  called  "transfer  RNA"  (tRNA).  Each  adapter  molecule  has  a 

triplet of bases (anticodon) complementary to a triplet of bases on mRNA, and at 

one end its specific amino acid. The triplet of bases on mRNA is called the codon 

for that amino acid. 

 

(3) mRNA and tRNA come together on the surface of the ribosome. As each tRNA 

finds its complementary nucleotide triplet on mRNA, the amino acid that it carries 

is  put  into  peptide  linkage  with  the  amino  acid  of  the  preceding  (neighboring) 

tRNA  molecule.  The  enzyme  peptidyl  transferase  catalyzes  the  formation  of  the 

peptide  bond.  The  ribosome  moves  along  the  mRNA,  the  polypeptide  growing 

sequentially  until  the  entire  mRNA  molecule  has  been  translated  into  a 

corresponding sequence of amino acids. This process, called translation, 

Recombinant DNA Biotechnology

 ( 

Gene Cloning) 

Recombinant  DNA  (or  rDNA)  is  teqnique  used  in  genetic  engineering  that 

involves the identification. Isolation and insertion of gene of interest into a vector 


background image

 

such  as  plasmid  form  a  recombinant  DNA  molecule  and  production  a  large 

quantities of the gene fragment or product 

The  process  depends  on  the  ability  to  cut  and  re-join  DNA  molecules  at  points 

which  are  identified  by  specific  sequences  of  nucleotide  bases  called  restriction 

sites. DNA fragments are cut out of their normal position in the chromosome using 

restriction enzymes (also called restriction endonucleases) and then inserted into 

other chromosomes or DNA molecules using enzymes called ligases.  

Steps of recombinant DNA technology

1.  identification and isolation of gene to be cloned. 

2.  insertion of this isolated gene into suitable 

vector

 (any DNA molecule that has  

The ability to replicate inside the host cell such as bacteriophage, plasmid 

3.  introduction of this vector into suitable cell (transformation). 

4.  Selection of the transformed bacteria or cell by antibiotics resistance or visible  

Characteristics. 

5.  Multiplication or expression of the introduced gene in the host. 

     

Recombinant DNA is used to identify, map and sequence genes, and to determine 

their function.  

 

Recombinant human insulin  

Almost completely replaced insulin obtained from animal sources (e.g. pigs and 

cattle) for the treatment of insulin-dependent diabetes. A variety of different 


background image

10 

 

recombinant insulin preparations are in widespread use .Recombinant insulin is 

synthesized by inserting the human insulin gene into E. coli, or yeast 

(saccharomyces cerevisiae) which then produces insulin for human use. 

Polymerase Chain Reaction (PCR) 

This is an in vitro method for making many copies of a specific section of DNA, 

without  the  need  for vectors or host  cells.   The  DNA  to be copied  –  the template 

DNA – is mixed with forward and reverse primers complementary to the end of the 

template  DNA,  nucleotides,  and  a  version  of  DNA  polymerase  known  as  Taq 

polymerase. (This enzyme is stable under high temperatures, and is obtained from 

the  thermophilic  bacterium  Thermus  aquaticus.)  The  process  involves  the 

repetition of three steps: 

denaturation

, which separates the two nucleotide strands of the DNA molecule 

primer annealing

, in which the primers bind to the single-stranded DNA 

extension

, in which nucleotides are added to the primers – in the 5' to 3' direction – 

to form a double-stranded copy of the target DNA. 

Each cycle takes a few minutes, and repeated cycles can produce large amounts of 

a  specific  DNA  sequence  in  a  matter  of  hours  rather  than  days.  However,  this 

cloning  method  does  require  knowledge  of  some  details  about  the  nucleotide 

sequence  to  be  copied,  and  the  technique  is  very  sensitive  to  small  amounts  of 

contamination. 

 

 

 


background image

11 

 

 

 

 

 

 

 

               

          Bacteriophage 


background image

12 

 

 

 

                               Bacterial Conjugation 

 

 

 


background image

13 

 

 

 

                             Generalized transduction 

 


background image

14 

 

 

 

                                    Transformation  


background image

15 

 

      

 

 

                         Gene Expression  

 

 

 


background image

16 

 

 

 

 

 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Dunya Isam
المشاهدات: لقد قام 7 أعضاء و 351 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل