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Chapter 5
Bacterial genetics
미생물학교실
권 형 주
DNA: The genetic material
Bacterial genome (prokaryotes)
:
:
:
:
:
chromosome, a single, double-stranded, circular DNA
Extrachromosomal genetic elements – plasmids, bacteriophages
only one copy of chromosome (haploid)
structure of the bacterial chromosome – polyamines, spermine, spermidine
Operons – groups of one or more structural genes expressed from a particular
promoters and ending at a transcriptional terminator
- polycistronic, e.g, E. coli lac operon
Replication of DNA
Initiation of synthesis
: Initiated a specific sequence (at one fixed point)
– OriC
1700bps/sec, 40 min for entire genome copy
-DNA 복제과정 동안 double helix 는 replication fork 에서
되고, 각 strand 는 DNA polymerase 의
template 로 이용
: replication fork - DNA 복제가 일어나는 point,
- DNA 의 unwinding (helicase)
-DNA 복제 결과 두 개의 새로운 strands 가 만들어지고
각 strand 는 original strand 와 상보적 염기서열
- Semiconservative replication
: one original strand (conserved) + one newly-synthesized strand
- DNA 는 5’->3’ 으로 합성
: replication fork 에서 하나의 daughter strand 는 continuously 합성 (leading)
다른 하나는 discontinuously 합성 (lagging)
- Lagging strand 에서의 DNA 합성은
: replication fork 의 이동방향과 반대방향으로 일어나고
RNA polymerase, RNA primer, DNA-dependent DNA polymerase, DNA ligase 에 의해 완성
- Bidirectional replication
: replicative origin 에서 initiation 되면 동시에 반대방향으로 양쪽으로 replication 이 진행
- DNA 합성에 필요한 단백질 및 효소
1) unwinding enzymes :
2) stabilizing proteins : single stranded parental DNA 의 rewinding 을 못하게 한다.
3) DNA polymerases
Pol I : role for maturation, Pol II : unclear role, Pol III : 3’->5’ exonuclease activity
4) RNA polymerase : leading strand – RNA primer 제공
Primase : lagging strand 의 RNA primer 제공 ,
: insensitive to the RNA polymerase inhibitor rifampicin
5) DNA ligase
6) Topoisomerase (gyrase) :
Interconvert DNA molecules with different types of supertwisting
The rate of DNA replication
- Log phase 에서 multiple replication fork 현상이 일어날 수 있어 generation time 은 염색체
복제에 걸리는 시간보다 짧을 수 있다.
Transcriptional control
Transcription
-
3 types of RNA : rRNA, tRNA, mRNA
1) ds DNA 의 한쪽 strand 를 template 로 하여 RNA polymerase 가 RNA 를 합성
2) RNA 는 nucleotide A, C, G, U 로 합성한다.
3) Promoter site – transcription 시작부위로 RNA polymerase 가 binding
Terminator site – transcription end point
4) RNA 도 5’->3’ 으로 합성한다.
5) Prokaryotes : 세포질에서 transcription
Eukaryotes : 핵에서 transcription (hnRNA) -> RNA processing -> mRNA -> 세포질
Operon : 효소의 생성은 structural gene 에 의해 결정된다. 박테리아에서 서로 관련된
대사기능을 가지고 있는 일련의 structural gene 들이 같은 mechanism 에 의해
조절되는 경우가 있다.
promoter, operator site 가 위와 같은 structural gene 들의 transcription 을
조절하는데 이러한 structural gene 과 promoter 와 operator site 를 operon 이라 함
Regulation of gene expression
- Regulating protein synthesis at the gene level is energy efficient
because proteins are only synthesized as they are needed
- Constitutive enzymes are always present in a cell
Repression and Induction
1) Repression 은 유전자 발현이 억제되고, 효소 생성이 저하되는 mechanism
Repression 은 하나 이상의 repressible enzyme 의 합성을 조절
- regulatory proteins
Repressor : protein capable of binding to specific sequences of DNA (Operator)
overlap with the promoter  turning off the gene or set of genes
Corepressor
2) 일반적으로 세포가 어떤 end-product 에 노출되면 그 end-product 의 합성에 관여하는
효소의 합성은 감소한다.
3) Induction : 유전 전사를 turn-on
Inducer 의 존재 하에 세포가 보다 많은 효소를 합성할 수 있는데, 이를 induction 이라 함
Effectors : inducers-combine with repressors to decrease binding affinity for DNA
Activators : positive-acting proteins, e.g. CAP protein
4) Induction 의 예 : E. coli 에서 lactose 존재 하에 b-galactosidase의 생산이 유도되어
lactose 의 대사가 일어난다.
Operon model
1961, Jacob & Monod
Induction (inducer) 와 repression (repressor)
에 의한 단백질합성 모델
-배지에 glucose 와 lactose 가 존재할 때
carbon과 energy source 로 glucose 를 먼저
이용하기 때문에 lactose operon 은 작동되지
않음 (catabolite repression)
: Glucose 이용하여 energy (ATP) 풍부 
cAMP 농도 저하  catabolite repression
- Inducer 가 없을 때 (Allolactose, IPTG)
: active repressor 가 operator 에 결합하여
transcription 저해
- Inducer 가 있을 때
: inducer 와 repressor 가 결합하여 inactive
repressor 로 되어 operator 에 결합하지 못함
- In poor medium
:cAMP 농도 증가 
CAP (catabolite gene activator protein) 과
결합하여 CAP-cAMP complex 형성 
promoter 에 결합  transcription
: CAP 는 repressor 가 없는 상태에서는
promoter 에 결합하지 않음
Attenuation : tryptophan operon (trp operon)
-
mRNA 의 합성은 시작되었지만 조기에
transcription dl 끝나는 현상
- 아미노산이 없는 배지에서 자라는 E. coli 는
아미노산 합성에 필요한 효소를 가지고 있음
- 배지에 아미노산 (예: Trp) 을 첨가하면
tryptophan 을 만드는데 필요한 효소는 더 이상
필요하지 않기 때문에 이의 생성은 급격히 감소
Attenuator – tryptophan 존재하에
transcription termination site
1) mRNA 합성의 premature termination 을
유발하는 유전자 조절기전을 attenuation
- Tryptophan operon
2) 고농도의 tryptophan 이 존재하는 경우
- attenuator site 에서 transcription 의
premature termination 이 일어남
3) 저농도의 tryptophan 이 존재하는 경우
- attenuator 가 작동되지 않아 mRNA 의
완전한 합성이 일어나 tryptophan 생성에
필요한 효소를 transcription
Mutation, Repair, and Recombination
Mutation
-
유전자의 변화  gene product (효소 등) 의 변화  효소의 불활성화  lethal
 새로운 activity  benefit
DNA base sequence 의 변화를 mutation 이라 함
Types of mutations
1) Point mutation : DNA one base pair 가 다른 base pair 로 대치되는 경우
- Transition : one purine  another purine
one pyrimidine  another pyrimidine
- Transversion : Purine  Pyrimidine
- Silent mutation : base pair 의 변화에도 단백질합성에 장애가 없는 경우
예) codon의 3번째 위치에 mutation (degeneracy)
- Missence mutation : DNA 의 변화로 인해 원래의 아미노산이 다른 아미노산으로 변화
: sickle cell anemia
- Conservative mutation : DNA 의 변화로 인해 원래의 아미노산이
다른 아미노산으로 변화되는데 비슷한 성질을 가진 아미노산으로 변화
- Nonsense mutation : DNA 의 변화로 stop codon 이 생성  premature protein
2) Frameshift mutation : 하나 또는 몇 개의 base pair 가 deletion 되거나 addition 된 경우
- change in the reading frame  useless peptide and premature protein
3) Null mutation : Extensive insertion or deletion,
or gross rearrngement of the chromosome structure
- completely destroy gene function
Mutagen
- DNA 의 permanent change 를 유발시킬 수 있는 제제
- Spontaneous mutation 이란 mutagen 없이도 일어나는 변이
- Physical mutagens
1) heat : deamination of nucleotides
2) ionizing radiation : X-rays, g-rays….
DNA 와 반응할 수 있는 ion 과 free radical 생성  combine with DNA bases
 DNA 복제, repair 에 error 초래  mutation
Base substitution 이나 sugar-phosphate backbone 의 break
3) UV – nonionizing : 인접한 thymidine 의 crosslinking  thymidine dimer
- Chemical mutagens
1) Nucleotide-base analogues : 5-bromouracil  incorporation into DNA
 base pairing with guanine  mistake in replication
2) Frameshift mutagens : intercalating agents, polycyclic, flat, molecules
: Ethidium bromide, acridine derivatives
3) DNA-reactive chemicals : Chemicals that react with DNA
: Nitrous acid (HNO2)
: alkylating agent (nitrosoguanidine, ethyl methane sulfonate)
- add methyl or ethyl groups to the rings of the DNA bases
Repair mechanisms of DNA
1)
2)
3)
4)
5)
Direct DNA repair
Excision repair
Recombinational or postreplication repair
SOS response
Error-prone repair
Gene exchange in prokaryotic cells
- Exchange of DNA between cells  New strain
Advantage ?? Antibiotic resistance gene
Plasmid
- Circular, double-stranded DNA : 예외 존재
- 보통 세포가 살아가는데 크게 중요하지 않은 유전자를 가지고 있으며
: extrachromosomal element
-Antibiotic resistance, bacteriocins, toxins,
virulence determinant…..
- 1:1 ~~1: several copies (up to 50 copies)
- Replicons : Autonomously replication,
Capable of self duplication
DNA molecules possess their
own origin of replication
- Episomes : integrate into host chromosome
예: E. coli F plasmid
-Transfer : conjugation – F plasmid
transformation
transduction
Bacteriophages
- Bacterial viruses
- Survive outside of a host cell
- totally dependent for : Metabolic precursors
Ribosomes, Cellular organelles necessary
for making proteins
- Lysogenic state : integrate into host genome
- Lytic infection
- insertion : Bacteriophage lamda
- Lytic phage : T2, T7
- How phage chromosome’s are inserted into
bacterial chromosome……
: Circularize DNA
: attach to E. coli chromosome
(very homologous section)
: crossover ; break and rejoin….
Transposon
-Jumping genes, mobile genetic elements
: 염색체의 한쪽 부위에서 동일염색체의 다른
부위로 움직여 다닐 수 있는 작은 DNA segment
- Insertion sequence (IS, simple transposon)
: carry no genetic information
except for transposition
: Specific terminal DNA sequence
- Inverted repeat : 15-40 bases
: coding region for an enzyme (transposase)
: cutting and ligating DNA, recognition site
- Composite transposons (complex transposons)
: contain genetic information in addition to
that needed for transposition
-TnA family
: transposase(tnpA)
: resolvase (tnpR)
: b-lactamase – resistance to ampicillin
: resolution site (Res site)
- Mu bacteriophage
Phage-associated transposon
Mechanism of genetic transfer between cells
- Exchange of genetic material between bacterial cells
- Transformation : 용액내에서 naked DNA 상태로 유전자가
한 박테리아에서 다른 박테리아로 전달되는 현상
: Streptococcus pneumoniae 에서 처음 규명
: 몇 가지 박테리아에서는
natural transformation 발생
- Haemophilus influenzae
- Neisseria
- Acinetobacter
- Streptococcus
- Bacillus
**Artificial transformation
-Competence :
end of logarithmic growth
before stationary phase
: work only in complete replicon
capable of self-duplication
- plasmid DNA
- viral chromosomal DNA
: Chemical methods
: Electrophoration
Conjugation
- 살아있는 세포들이 contact
- Donor : F+ cells – plasmid F factor 를 가지고 있는 세포
- Recipient : F- - F factor 가 transfer 된다.
- F factor 가 염색체에 삽입된 경우를 Hfr (high frequency recombination) 이라 함
: chromosomal DNA 전체가 transfer 되는 경우는 거의 없고 일부만 transfer
-2 distinct sexes
: F(fertility) factor
- sex chromosome
- circular dsDNA molecule
- one copy/cell
- capable of transferring genes
into female cells
-1/3 of the F+ DNA :
: consist of 19 transfer (tra) genes
: specifically involved in the transfer of
genetic material
: responsible for synthesis of the
sex specific F pili
Transduction
- 어떤 박테리아의 DNA 가 bacteriophage 에
의해 다른 박테리아로 transfer 되는 것을 말함
- Generalized transduction : random gene transfer
- Specialized transduction
Recombination
- Genetic recombination : 두 개의 DNA 분자 사이에 유전자 교환이 일어나
유전자의 새로운 조합이 일어나는 현상
- Homologous (legitimate) recombination
- Nonhomologous (illegitimate) recombination
Genetic engineering