Genetics Of Bacteria - Lecture notes, lecture 5 PDF

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L O5Ge n e t i c so fBa c t e r i a       

GENE–s ma l l e s t r e g i o no f DNAt h a t e n c o d e sap o l y p e p t i d eori st r a n s c r i b e dori sa r e g u l a t o r ye l e me n t L OCUS–l o c a t i o no f ag e n eo nt h ec h r o mo s o me–o f t e nr e f e r st oag r o u po f r e l a t e d g e n e s( e . g . t r pl o c u sc o n t a i n ss e v e r a l g e n e si n v o l v e di nt r y p t o p h a nb i o s y n t h e s i s ) AL L EL ES–a l t e r n a t i v ef o r mo f ag e n e WI L DTYPEORGANI SM–c a r r i e ss t a n d a r dg e n eb u t i sn o t a l wa y sf u n c t i o n a l MUT ANTORGANI SM–c a r r i e sa l t e r e df o r mo f ag e n e GENOTYPE–g e n e t i co r a l l e l i cc o mp o s i t i o no f as t r a i n PHENOTYPE–o b s e r v a b l ep r o p e r t i e so f s t r a i n

T heba c t e r i a l ge nome :      

Co n s i s t so f ac i r c u l a r c h r o mo s o mewh i c hv a r i e si ns i z e( 1 5 0 k Bt o1 5MB) Us u a l l yo n ec h r o mo s o me Non u c l e u s , h i s t o n e s , mi t o s i so r me i o s i s Us u a l l yg e n o meh i g h l yd e n s ei nt e r mso f c o d i n gs e q u e n c e s( l a c ki n t r o n s / mu c hn o n c o d i n gDNA) Go o dc o r r e l a t i o nb e t we e ns i z eo f g e n o mea n dn u mb e ro f g e n e s Of t e nan u mb e r o f s e l f r e p l i c a t i n gp l a s mi d s–t h e s ec a nc a r r ya n t i b i o t i cr e s i s t a n c ea n d v i r u l e n c eg e n e s

Se qu e nc i ng:      

Ge n o mes e q u e n c i n gh a sp r o v i d e dama s s i v eb o o s t i no u r u n d e r s t a n d i n g F i r s t g e n o meo f ab a c t e r i a( i n fl u e n z a )i n1 9 9 5t o o ky e a r sa n dc o s t mi l l i o n s Se q u e n c i n gn o wi sp o u n d si nd a y s Se q u e n c i n gi su s e dt ou n d e r s t a n dh o wg e n o me swo r k I d e n t i fi c a t i o no f p a t h o g e n i c i t ya n dr e s i s t a n c eg e n e s–p o s s i b l yt op r o d u c en e wd r u g s Ep i d e mi o l o g y

o r a n ys p e c i e s , t h eg r o u po f e s s e n t i a l g e n e sa n do t h e r g e n e sf o u n di na l l Cor ege nome s f r e p r e s e n t a t i v e so f t h es p e c i e s e n e sp r e s e n t i ns o meme mb e r so f t h es p e c i e sb u t n o t a l l -Mo s t l y Ac c e s s or yge nome g f o u n di np l a s mi d s

e n o me se n c o d ea l l t h ei n f o r ma t i o nt h a t Howdoge nome swor k ? g d e s c r i b e sa no r g a n i s m T h ec e n t r a l d o g mao f mo l e c u l a r b i o l o g ys t a t e st h a t i n f o r ma t i o nfl o wsi na s e q u e n t i a l ma n n e r i nb i o l o g y ‘ DNAma k e sRNAma k e sPr o t e i n ’

Cont r ol of ge nee x pr e s s i on:  

No t a l l g e n ep r o d u c t sa r ep r o d u c e da t a n yt i mea n dc o n t r o l o f g e n ee x p r e s s i o ni st i g h t l y r e g u l a t e dt oe n s u r ep r o d u c t i o no f g e n e swh e nn e e d e da n di nac o o r d i n a t e dma n n e r Co n t r o l l i n gt r a n s c r i p t i o ni st h ema i nwa yt h i si sa c h i e v e d

Howdoy oui nfl ue nc et her a t eof t r a ns c r i pt i on?   

Ge n e t i c–p r o mo t e r s t r u c t u r ea n ds t r e n g t h , o p e r a t o r s / e n h a n c e r s Or g a n i s a t i o n a l –o p e r o n s T r a n s c r i p t i o n a l r e g u l a t o r s( p o s i t i v ea n dn e g a t i v e )

PROMOTERS–  Up s t r e a mo f ag e n ec o d i n gs e q u e n c e  Bi n d i n gs i t e sf o r RNAP( Vi as i g maf a c t o r )  Co n s i s t so f 1 0 3 5s i t e s  Se q u e n c ei n fl u e n c e sh o wwe l l RNAP( RNAPo l y me r a s e ) b i n d s  Ch a n g e st ot h i ss e q u e n c ei n fl u e n c e sr a t eo f t r a n s c r i p t i o n



Th es e q u e n c eo f t h ep r o mo t e r c a nd i c t a t ei t ss t r e n g t h–s t r o n gp r o mo t e r sb i n dRNAP e a s i l y

T RANSCRI PTI ONALREGUL A T ORS–  No t j u s t p r o mo t e rs t r e n g t hd i c t a t e swh e t h e r ag e n ei sp r o d u c e do r n o t  Ne e dame c h a n i s mt ot u r ng e n e so n / o ffi nr e s p o n s et oe n v i r o n me n t a l c h a n g e s  T r a n s c r i p t i o n a l r e g u l a t o r p r o t e i n sd ot h i sb yh e l p i n g / h i n d e r i n gb i n d i n go f RNAP  Th ea c t i o no f r e g u l a t o r so f t e ni si n fl u e n c e db ye n v i r o n me n t s ome d i a t eg e n e e x p r e s s i o nr e s p o n s e .

T r a n s c r i p t i o n a l r e g u l a t o r su n d e r p i nt h eb a c t e r i a sa b i l i t yt or e s p o n dt os t r e s s T h e yc a nb ee i t h e r r e p r e s s i v eo r c a na c t i v a t et h ee x p r e s s i o no f ag e n e( t h r o u g hh e l p i n g t h eb i n d i n go f RNAP) T r a n s c r i p t i o nf a c t o r sr e c o g n i z es p e c i fi cs e q u e n c e sa n dg e n e swi t hs i mi l a r f u n c t i o n so f t e n h a v et h es a mes i t e su p s t r e a ms ot h e yc a nb et u r n e do n / o fft o g e t h e r –t h i si sar e gul on. Howdoba c t e r i ae v ol v e ?  Ge n o me sa r ed y n a mi ca n db a c t e r i aa r ec o n s t a n t l ye v o l v i n gd u et oe n v i r o n me n t a l c h a n g e

T h e ye v o l v ef a s t d u et o( a ) r a p i dg e n e r a t i o nr a t e s , ( b )v e r yl a r g ep o p u l a t i o n sa n d( c ) p r o g r a mme dmu t a t i o n s  Ev o l u t i o ni su n d e r p i n n e db ya l t e r a t i o n st ot h eg e n o mef o l l o we db ys e l e c t i o n  DNAc h a n g e sr e s u l t f r o m( a ) mu t a t i o na n d( b ) a c q u i s i t i o no f n e wDNA Cha nge st oDNA–Mut a t i on!  DNAr e p l i c a t i o ni sa ne r r o r p r o n ep r o c e s sa n dp o l y me r a s ema k e se r r o r sa n di n t r o d u c e s Si n g l eNu c l e o t i d ePo l y mo r p h i s ms( SNPs ) wh e r et h ewr o n gb a s ei si n c o r p o r a t e do r a n e x t r ab a s ei sa d d e do r d e l e t e d Cons e que nc e sof SNP’ s :  Si n g l en u c l e o t i d ec h a n g e , ab a s es u b s t i t u t i o ni nas t r u c t u r a l g e n e sr e s u l t si n : o Sa mea mi n oa c i de n c o d e d=s a mes e n s e( s i l e n t ) mu t a t i o n o Di ff e r e n t a ae n c o d e d=mi s s e n s emu t a t i o n o St o pc o d o ne n c o d e d=n o n s e n s emu t a t i o n o I n s e r t i o no f an u c l e o t i d er e s u l t si n=f r a me s h i f t mu t a t i o n !

     

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Pos s i bl ec ons e que nc e s l o s so f f u n c t i o nd u et omu l t i p l ewr o n gAA Ne ws t o pc o d o n>t r u n c a t e d Nos t o pc o d o ne n c o u n t e r e d–r u no nf u s e dp r o t e i n s Po l a re ff e c t swi t hl a r g ei n s e r t i o n s De l e t i o no f DNAr e s u l t si n : o Sa mec o n s e q u e n c e sa si n s e r t i o n I nf r a med e l e t i o no r i n s e r t i o n : o I n s e r t i o n / d e l e t i o no f 3n u c l e o t i d e s( o rmu l t i p l e so f ) d o e s n ’ t c h a n g et h er e a d i n g f r a me s I ng e n e r a l , p o i n t mu t a t i o n sa n di n s e r t i o n sc a nr e v e r t t owi l dt y p e . De l e t i o n sc a n t .

Pr ogr a mme dmut a t i ons: 



So meg e n e sa r et u r n e do n / o ffa t h i g hf r e q u e n c y o Th e s eo f t e nr e p r e s e n t a n t i g e n sa n dv i r u l e n c eg e n e s o No r ma l mu t a t i o nd o e s n ’ t a c c o u n t f o r t h i sa d e q u a t e l y–t h ec e l l h a s me c h a n i s mst os wi t c ht h e s eg e n e so n / o ffa t ah i g h e r f r e q u e n c y Th e s eg e n e sa r ek n o wna sb e i n gp h a s ev a r i a b l e .

MECHANI SMSOFPHASEVARI ATI ON: Swi t c hi ngi st her e s ul t of pr og r a mme dge nemut a t i ons 1 .Ge nomi cr e a r r a nge me nt–i n v e r t i b l eg e n e so r p r o mo t e r s( s i t es p e c i fi cr e c o mb i n a t i o n a n dr e p e a t e l e me n t s )

2 .St r a nds l i ppa ge–t r a n s c r i p t i o n a l a n dt r a n s l a t i o n a l 3 .Me t hy l a t i on–ma n yd i ff e r e n t p a t h o g e n s : Ma l a r i a , t r y p a n a s o me s , n e i s s e r i a , c a mp s I n v e r t i b l ep r o mo t e ro n / o ff : Ex p r e s s i o no f t h eECo l i fi mAg e n e( p r o d u c e st y p e1fi mb r i a e )i sc o n t r o l l e db yt h eo r i e n t a t i o no f i t si n v e r t i b l ep r o mo t e r

TRANSFEROFGENETI CI NF ORMATI ON: DNAc a nbee x c ha nge dby3me c ha ni s ms : 1 .Co n j u g a t i o n–f o r mi n gal i n k 2 .T r a n s d u c t i o n–t r a n s f e r ma t e r i a l t h r o u g hp l a s mi d so rb a c t e r i o p h a g e 3 .T r a n s f o r ma t i o n–a l t e r i n gc e l l b ya d d i n ge x t r a n e o u sDNA Pl a s mi d s c o n t a i n sa no r i g i no f r e p l i c a t i o n , i f a b s e n t p l a s mi dn o nc o n j u g a t i v e . Of t e nc a r r i e s r e s i s t a n c ea n dv i r u l e n c eg e n e s Ho wd op l a s mi d st r a n s f e r ?

TRANSPOSI TI ON J UMPI NGGENES  

Di s c o v e r e di nt h e1 9 4 0 s Sh o we dh o wp h y s i c a l c h a r a c t e r i s t i c sa r et u r n e do na n do ffi nma i z e



Di s c o v e r e de l e me n t swh i c hc a nmo v et h r o u g h o u t t h eg e n o me–j u mp i n gg e n e s

TRANSPOSONS 

Pl a c e so f DNAwh i c ha r emo v e df r o mo n el o c a t i o nt oa n o t h e r b ye i t h e r : o Ac o p ya n dp a s t eme c h a n i s m( Cl a s sI T r a n s p o s i t i o n )  Se q u e n c ec o p i e dt oRNAa n dt h e nDNA( b yr e v e r s et r a n s c r i p t a s e ) a n dt h e ni n s e r t e de l s e wh e r ei nt h eg e n o me o Ac u t a n dp a s t eme c h a n i s m( Cl a s sI I T r a n s p o s i t i o n )  T r a n s p o s o nc u t o u t o f DNAa n di n s e r t e de l s e wh e r eb yr e s o l v a s e

T r a ns pos onsa nda nt i bi ot i cr e s i s t a nc e: T r a n s p o s o n sa r er e l e v a n t t oa n t i b i o t i cr e s i s t a n c ea st h e yc a p t u r er e s i s t a n c eg e n e sa swe l l a s t r a n s f e r r i n gt h e mb e t we e nc h r o mo s o me s / p l a s mi d sa n dt h e r e b yb e t we e ns t r a i n s / s p e c i e s . ( e . g . R1 0 0p l a s mi dwh i c hc a r r i e sma n yr e s i s t a n c eg e n e si nt h r e eTni n s e r t i o n s ) TRANSDUCTI ON!      

Ph a g ei n f e c t sb a c t e r i a l c e l l DNAi n j e c t e da n di n s e r t si nr a n d o ml yi n h o s t c h r o mo s o me Wh e nl y t i cc y c l ei n i t i a t e dp h a g eDNA e x c i s e d( + / s o meh o s t DNA) Ne wp h a g ep a r t i c l e ss y n t h e s i z e d Ba c t e r i a l c e l l sl y s e sr e l e a s i n gp a r t i c l e s I n f e c t sn e wc e l l a n dma yc a r r yDNAf r o m p r e v i o u sh o s t s

T r a ns f e rof f or e i gnDNA: T r a ns f or ma t i on   

Up t a k eo f n a k e dDNAf r o me n v i r o n me n t b y‘ c o mp e t e n t ’ b a c t e r i a DNAc a nb ei n c o r p o r a t e di n t ot h eh o s t g e n o me Re s p o n s i b l ef o r t h es p r e a do f a n t i b i o t i cr e s i s t a n c ea c r o s sp n e u mo c o c c i a n dNe i s s e r i a ....