مواضيع المحاضرة:
background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

66

 

Lecture 4 - The Molecular Basis of 
Bacterial Genetics 

The Structure of Bacterial DNA 

A bacterium’s genetic information is stored in its 
chromosome and plasmids. Each of these structures is 
made of a single DNA double helix twisted to the right, 
then additionally twisted to the left about its helical axis 
(supercoiled), Plasmids consisting of linear DNA also 
occur, although this is rare. 

 

Chromosome. 

The chromosome corresponds to the nucleoid . The gene 
sequence is colinear with the expressed genetic products. 
The noncoding interposed sequences (introns) normally 
seen in eukaryotic genes are very rare.  

 

Plasmids 

The plasmids are autonomous DNA molecules of varying 

size (3 X 103 to 4.5 X 105 bp) localized in the cytoplasm. 
Large plasmids are usually present in one to two copies 
per cell, whereas small ones may be present in 10, 40, or 
100 copies. Plasmids are not essential to a cell’s survival. 
Many of them carry genes that code for certain 
phenotypic characteristics of the host cell. The following 
plasmid types are medically relevant: 

 

Virulence plasmids. 

Carry determinants of bacterial 

virulence, e.g., enterotoxin genes or hemolysin genes. 

 

Resistance plasmids. Carry genetic information bearing 

on resistance to anti-infective agents. R plasmids may 
carry several R genes at once . Plasmids have also been 
described that carry both virulence and resistance genes. 

 

DNA Replication 

The identical duplication process of DNA is termed 
semiconservative because the double strand of DNA is  

 

 

opened up during replication, where upon each strand 
serves as the matrix for synthesis of a complementary 

strand. Thus each of the two new double strands 
“conserves” one old strand. The doubling of each DNA 
molecule (replicon) begins at a given starting point, the 
so-called origin of replication. This process continues 
throughout the entire fission cycle. 

 

Transcription and Translation 

 

Transcription

. Copying of the sense strand of the DNA 

into mRNA. The continuous genetic nucleotide sequence 
is transcribed “colinearly” into mRNA. This principle of 
colinearity applies with very few exceptions. The 
transcription process can be broken down into the three 
phases promoter recognitionelongation, and 
termination. The promoter region is the site where the 
RNA polymerase begins reading the DNA sequence. 
sigma factor
 is required for binding to the promoter. 
Sigma factors are proteins that associate temporarily with 
the RNA polymerase (core enzyme) to form a 
holoenzyme, then dissociate themselves once the 
transcription process has begun, making them available to 
associate once again. The mRNA synthesized by the 
transcription of an operon is polycistronic, i.e., it contains 
the information sequences of several genes.  

 

Translation

. Transformation of the nucleotide sequence 

carried by the mRNA into the polypeptide amino acid 
sequence at the 70S ribosomes. In principle, bacterial and 
eukaryotic translation is the same. The enzymes and other 
factors involved do, however, differ structurally and can 
therefore be selectively blocked by antibiotics

.  

 

The Genetic Variability of Bacteria 

  Changes in bacterial DNA are the result of spontaneous 

mutations in individual genes as well as recombination 
processes resulting in new genes or genetic combinations. 
Based on the molecular mechanisms involved, bacterial 
recombinations are classified as homologous, site-
specific, and transpositional. 

  The latter two in particular reflect the high level of 

mobility of many genes and have made essential 
contributions to the evolution of bacteria. Although sexual 
heredity is unknown in bacteria, they do make use of the 
mechanisms of intercellular transfer of genomic material 
known as parasexual processes 

  Transformation designates transfer of DNA that is 

essentially chemically pure from a donor into a receptor 
cell. In transduction, bacteriophages serve as the vehicles 
for DNA transport.  


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

66

 

  Conjugation is the transfer of DNA by means of cell-to-

cell contact. This process, made possible by conjugative 

  plasmids and transposons, can be a high-frequency one 

and may even occur between partners of different species, 
genera, or families. The transfer primarily involves the 
conjugative elements themselves. Conjugative structures 
carrying resistance or virulence genes are of 
considerable medical significance. 

  The processes of restriction and modification are 

important factors limiting genetic exchange among 
different taxa. Restriction is based on the effects of 
restriction endonucleases capable of specific excision of 
foreign DNA sequences. These enzymes have become 
invaluable tools in the field of genetic engineering. 

 

Molecular Mechanisms of Genetic Variability 

 

Spontaneous Mutation 

    In the year 1943, Luria and Delbru¨ ck used the so-
called fluctuation test to demonstrate that changes in the 
characteristics of bacterial populations were the results of 
rare, random mutations in the genes of individual cells, 
which then were selected. Such mutations may involve 
substitution of a single nucleotideframe-shifts
deletions, inversions, or insertions. The frequency of 
mutations is expressed as the mutation rate, which is 
defined as the probability of mutation per gene per cell 
division. The rate varies depending on the gene involved 

and is approximately 10-6 to 10-10. Mutation rates may 
increase drastically due to mutagenic factors such as 
radioactivityUV radiationalkylating chemicals, etc. 

 

Recombination

 

     The term recombination designates processes that lead 
to the restructuring of DNA, formation of new genes or 
genetic combinations.They may be Homologous 
(generalized) recombination
Site-specific 
recombination
,or Transposition

 

Intercellular Mechanisms of Genetic Variability 

 

Although bacteria have no sexual heredity in the strict 
sense, they do have mechanisms that allow for 
intercellular DNA transfer. These mechanisms, which 
involve a unilateral transfer of genetic information from a 
donor cell to a receptor cell, are subsumed under the term 
parasexuality.

 

  Transformation.

Transfer of “naked” DNA.

 

 

Transduction.

Transfer of DNA from a donor to a 

receptor with the help of transport bacteriophage 
.Bacteriophages are viruses that infect bacteria.

 

 

 

Bacterial gene-transfer mechanism 

 

 

T bacteriophage 
 

 

Conjugation. 

Conjugation is the transfer of DNA from a 

donor to a receptor in a conjugal process involving cell-
to-cell contact. Conjugation is made possible by two 
genetic elements: the conjugative plasmids and the 
conjugative transposons.

  

 

 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

66

 

Schematic drawing of bacterial conjugation
Conjugation diagram 1-Donor cell produces 

pilus

. 2-

 Pilus attaches to recipient cell and brings the two cells 
together. 3- The mobile plasmid is nicked and a single 
strand of DNA is then transferred to the recipient cell. 4-
 Both cells synthesize a complementary strand to produce 
a double stranded circular plasmid and also reproduce 
pili; both cells are now viable donors.

 

  

The F-factor in Escherichia coli

. This is the prototype of 

a conjugative plasmid. This factor contains the so-called 
tra (transfer) genes responsible both for Conjugative 
resistance and virulence plasmids
. Conjugative 
plasmids that carry determinants coding for antibiotic 
resistance and/or virulence in addition to the tra genes 
and repA are of considerable medical importance. 

 

Restriction, Modification, and Gene Cloning .  

A number of control mechanisms limit these genetic 
exchange processes. Among the most important are 
restriction and modification. Restriction endonucleases 
can destroy foreign DNA that bears no “fingerprint” 
(modification) signifying “self.” These modifications take 
the form of methylation of the DNA bases by 
modification enzymes. Bacterial restriction endonucleases 
are invaluable tools in modern gene cloning techniques. 
The process is termed gene “cloning” because it involves 
replication of DNA that has been manipulated in vitro in a 
suitable host cell so as to produce identical copies of this 
DNA: molecular clones or gene clones The technique 
simplifies the replication of DNA, making experimental 
manipulations easier. On the other hand, the bacteria can 
also be used to synthesize gene products of the foreign 
genes. Such foreign proteins are called recombinant 
proteins. Bacterial plasmids often function in the role of 
vectors into which the sequences to be cloned are 
inserted. 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Summary:   

Bacteria possess two genetic structures: the chromosome 
and the plasmid. Both of these structures consist of a 
single circular DNA double helix twisted 
counterclockwise about its helical axis. Replication of this 
DNA molecule always starts at a certain point (the origin 
of replication) and is “semiconservative,” that is, one 
strand in each of the two resulting double strands is 
conserved. Most bacterial genes code for proteins 
(polypeptides). Noncoding 
interposed sequences (introns), like those seen in 
eukaryotes, are the exception. Certain bacterial genes 
have a mosaic structure. The phases of transcription are 
promoter recognition, elongation, and termination. Many 
bacterial mRNAs are polycistronic, meaning they contain 
the genetic information for several polypeptides. 
Translation takes place on the 70S ribosomes. Special 
mRNA codons mark the start and stop of polypeptide 
synthesis. Many genes that code for functionally related 
polypeptides are grouped together in chromosome or 
plasmid segments known as operons. The most important 
regulatory 
mechanism is the positive or negative control of 
transcription initiation. This control function may be 
exercised by individual localized genes, the genes of an 
operon or genes in a regulon. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Mostafa Altae
المشاهدات: لقد قام 8 أعضاء و 141 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