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6/29/2014 1 BIOL 2P98 D3 Spring 2014 Principles of Microbiology Dr. Carolynn E Pietrangeli PhD Lecture 5 June 30, 2014 CHSC 2P98 Principles of Microbiology Spring D3 June 16July 18 2014 INSTRUCTOR : Dr. Carolynn E. Pietrangeli, PhD CONTACT : email: [email protected] Office: MCF 212 OFFICE HOURS : Monday/Friday 12PM1PM And by appointment – email request FORMAT : Lectures, 3 hours twice weekly Monday/Friday 9AM12PM AS216

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microbiology

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BIOL 2P98 D3 Spring 2014Principles of MicrobiologyDr. Carolynn E Pietrangeli PhD

Lecture 5  June 30, 2014

CHSC 2P98 Principles of MicrobiologySpring D3 June 16‐July 18 2014

INSTRUCTOR: Dr. Carolynn E. Pietrangeli, PhD

CONTACT : e‐mail: [email protected]:  MCF 212

OFFICE HOURS: Monday/Friday 12PM‐1PMAnd by appointment – e‐mail request

FORMAT: Lectures, 3 hours twice weekly Monday/Friday 9AM‐12PM AS216

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Where to Now?

• Let’s try on some Genes…

• …See what happens when they mutate … and …

• …Transfer (donate?) them …

Order of Business

• The bacterial genome– The bacterial chromosome and replicationPlasmids– Plasmids

– Transposable elements

• Mutation– Assaying mutation

• Bacterial gene transfer– Recombination– Transformation– Transduction

• Assaying bacterial gene transfer

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Before We Visit…Let’s Learn the Language…

• Genome – entire complement of genes present in a cell (or virus), carrying all the heritable traits

• Chromosome – principal genetic element carrying genes essential for life processes, including proliferation

• Additional genetic elementsAdditional genetic elements– Plasmids– Transposable elements

Origin ofreplication

lac operon(lactosedegradation)100/0

90 10

HfrHP804

HfrC

t

Not1 restrictionsites, in kbp

4,639,679 bp

Escherichia coli K‐12

80

70 30

20

KL14

Figure 4.8

trp operon(tryptophanbiosynthesis)

his operon(histidinebiosynthesis)

60

50

40Hfr44

© 2012 Pearson Education, Inc.

E. coli chromosome

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Plasmids: Extrachromosomal Prokaryotic DNAReplicationfunctions

mer

sulstr

cat

IS1

94.3/0 kbp

Small circular or linear dsDNAmolecules; often supercoiled

tra

IS1

IS10

IS10

75 kbp 25 kbp

50 kbp

Figure 4.10

Figure 4.9

tetoriT Tn10• Most plasmids are circular dsDNA• Replicate independently of the bacterial chromosome• May integrate into the bacterial chromosome = episome• Several types may co‐exist in a single bacterium; must be from differentIncompatibility (Inc) Groups

• F plasmids (conjugative) may be transferred between bacteria

Figure 4.9

Examples of Bacterial Plasmids

CN = Copy numberhttp://www.gs.washington.edu/academics/courses/manoil/41109/lecture/lecFeb23.pdf

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Replication of the Bacterial Chromosome

Replication of the Bacterial Chromosome

Theta (θ) replication

http://www.youtube.com/watch?v=HBwyNrkYnp01.  DNA replication in prokaryoteshttp://www.youtube.com/watch?v=w7TjoiubgF42. Claymation DNA replication  http://www.youtube.com/watch?v=qSmTtk54JAs3.  DNA replication in E coli 

replication

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Plasmid Replication Strategies

• Theta (θ) replication

• Rolling circle replication• Rolling circle replication

http://www.youtube.com/watch?v=YydvqhNOcVARolling Circle Replication of DNA

Transposable Elements “Jumping genes”

DNA segments that move from one site to another on the same or a different DNA molecule

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Conservative

Replicative

Types of Transposable Elements (TEs)

• Insertion sequences• Composite transposons (Tn)• Composite transposons (Tn)• Replicative transposons: 

‐ Phage Mu – viral 

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Insertion SequencesThe Price of Admission

Properties of Insertion Sequences (Is)• Short: 700‐2500 bp• Genes restricted to transposition: 

transposase + regulatory sequencestransposase + regulatory sequences

IS911: 1250 bp

orfB is Transposase geneTransposase = enzyme required to achieve transposition

IS carry ONLY the genes required for transposition

Composite transposons (Tn) carry:• Insertion sequences

• Additional genes – antibiotic resistance

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Replicative Transposon – Phage Mu [Mutator Phage]

• Random integration into b t i l hbacterial chromosome

• Insertion produces mutation in host DNA

• Replication by transposition –

i htransposon acquires host DNA sequences

Morgan GJ et al J. Mol. Biol. (2002) 317, 337‐359

Functions of Transposable Elements (TE) / Mobile Genetic Elements (MGE)

• Generate mutations

• Increase or decrease the amount of DNA in the genome

• Promote genome rearrangement

• Regulate gene expression

• Induce chromosome breakage and rearrangement• Induce chromosome breakage and rearrangement

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The Molecular Toolkit: How We Use Transposons

• Genetic mapping – TE insertions – Behave as point mutations mostly producing null alleles– Behave as point mutations, mostly producing null alleles– Are useful in deletion mapping – determining the gene order – when near but not within a gene of interest

– Can determine the location of genes within or outside of operons (polarity of insertion into operons)

• Mutation transfer selected for by antibiotic resistancey– Track loss of transposon by loss of antibiotic resistance

…Where to Now?... Bacterial Genome Plasticity – Mutation

• Defining mutationsMacrolesions– Macrolesions

– Microlesions

• Nature or nurture – how do mutations occur?– Spontaneous mutations– Induced mutations

l f l d• Genetic analysis of mutants – selection and screening

• How do we exploit bacterial mutations?

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…The Ground Rules…

• Mutations are stochastic events• Once a mutation occurs, unless a revertant

b l h f dsubsequently occurs, the progeny of a mutated cell will carry the parent mutation

• Three levels of evaluation of mutations– DNA bp alteration– Amino acid codon changeg– Functional protein/tRNA/rRNA phenotypic change

Basics of Mutation and Mutants

• Wild‐type bacterial strain – strain isolated from nature = parental strain

• Mutation – Heritable change in DNA sequence that canlead to a change in phenotypelead to a change in phenotype

• Mutant bacterial strain – strain that differs from parental strain in any portion of the genome nucleotide sequence

• Revertant bacterial strain – strain in which the parental/wild type phenotype is restored

Wild type         Mutant

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Defining Mutations and MutantsPerspective: Detection of Mutant Clones

• Selectable mutations – Genetic research tools– Mutant acquires growth advantage under controlled conditions

– Detected by controlled assay

• Nonselectable mutations– Changes in DNA from parent that provide neither an advantage or disadvantage to the organism

– Detected by screening

Macrolesional Mutations

Position with respect to centromerePosition with respect to centromere

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DNA

M U T A T I O N Normal DNAreplication

Microlesional Mutations

DNA

mRNAAsparagine

codonStopcodon

Tyrosinecodon

Tyrosinecodon

Transcription

Figure 10.3

Protein

Missensemutation

Nonsensemutation

Silentmutation

Wild type

Faultyprotein

Incompleteprotein

Normalprotein

Normalprotein

Translation

© 2012 Pearson Education, Inc.

Types of Forward MutationsForward mutation: Wild type                 Mutant

Protein Frame of Reference

Type of Mutation DNA Level Protein LevelType of Mutation DNA Level Protein Level

Silent Change in nucleotide coding sequence

No change in amino acid (aa)

Missense Single base substitution Exchange of aa

Nonsense  Single base substitution or more results in STOP codon (CAG         UAG)

Chain termination

Frameshift Insertion OR deletion of 1 2 bp Mutant or non functionalFrameshift ‐ Insertion OR deletion of 1‐2 bpinto/out of gene coding region‐ Reading frame shift

Mutant or non‐functional protein

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Stop codonsDNA: 

‐TAG/TAA/TGARNA:UAG/UAA/UGA

Substitution Point Mutation:THE  CAT  IS  IN  THE  BAGTHE  HAT  IS  IN  THE  BAG

How would you classify this mutation?

‐UAG/UAA/UGA

UH OH … STOP

No problem!Same aa; same protein

Wrong protein … Wrong function

CODON – no protein

Missense but close!

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Frameshift MutationsCaused by Indels (Insertions and Deletions)

Readingframe

mRNADNA

Normal

CodonsInsertion

Transcriptionoff of lightgreen strands

THE BIG CAT ATE THE FAT RATWild typeproteinDeletion

© 2012 Pearson Education, Inc.

THE   BIG   CAT   ATE     THE   FAT   RATTHE   BIG   CAT    −TET   HEF   ATR   AT. … …

Wild typeMutant

Reversion of Mutation

• Same‐site reversion• Second‐site reversion/Suppressor mutation

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Mutation Origins

• Spontaneous – arising without exernalintervention

• Induced – resulting from external intervention

– Exposure to toxins, radiation

– Laboratory tool to identify genetically engineered organisms

– Site‐directed mutagenesis

Induced and Conditional Mutations• Induced mutations – Mutagen – external pressure that causes a heritable 

alteration in DNA‐ Chemicals‐ Radiation – ioninzing (X‐ray) or non‐ionizing (UV)‐ Viral incorporation

• Conditional mutation – expressed only under fixed environmental conditions– Permissive vs. Restrictive conditions– Biochemical mutants ‐ Auxotrophs

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Mutation Rates

• DNA replication errors: 106 to107/kb

• DNA virus error rates: 103 to104/kb• DNA virus error rates: 10 to10 /kb

• RNA genome mutation rate is 1000‐fold higher than DNA genome mutation rate

DNA Repair• Direct reversal – base can be corrected without reference tocomplementary strand

• Single‐strand repair – utilizes complementary strand • Double‐strand repair – highly error‐prone• SOS regulatory repair – large‐scale damage; highly error‐prone; responsible for acquisition of antibiotic resistance in some bacteria

Clancy, S. (2008) DNA damage & repair: mechanisms for maintaining DNA integrity. Nature Education 1

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Induced and Conditional Mutagenesis

• Induced mutations – Mutagen – external pressure that causes a heritable alteration in DNA

‐ Chemicals

‐ Radiation – ioninzing (X‐ray) or non‐ionizing (UV)

‐ Viral incorporation

• Conditional mutation – expressed only under fixed environmental conditions

– Permissive vs. Restrictive conditions

– Biochemical mutants ‐ Auxotrophs

Examples of Chemical Mutagens

• Nucleotide base analogs: resemble nucleotides• Alkylating agents – e.g. nitrosoguanidine• Hydroxylating agents• Intercalating agents – induce frameshiftmutations – e.g. acridines

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Prescott Table 14.1

Do Mutations Occur RANDOMLY or in RESPONSE to Environmental Pressure?

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Utilizing Viruses to Detect BACTERIALMutants

Bacteriophage (Phage) – virus that infects bacteria

Lytic phage T4 bacteria lysed following viralLytic phage – T4 – bacteria lysed following viral replication

Temperate phage – ʎ Phage – viral genome integrates into host DNA and replicates with it

Prophage – phage genome inserted and integrated into the circular bacterial DNA chromosome

Replication• Lytic cycle• Lysogenic cycle

How do We Detect Mutants in a Bacterial Population?

• Use a selectable marker – antibiotic resistance; phage resistance; nutritional alteration ‐ auxotroph

• Screen for changes in colony morphology

• Perform replica plating

T1 phage

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Nature or Nurture: How do Mutations Occur?

Spontaneous mutation The Luria and Delbruck Fluctuation Test 1943

Nobel Prize 1969

Observation:• Phage T1 kills most bacteria (Tons)

• Rare bacteria survive (Tonr)

Possible Explanations for Tonr phenotype

• Random mutation: Tons Tonr

• Induced adaptation: Mutation induced by physiologic response to phage

Replica Plating 

‐E. coli Tonr ‐

A t hAuxotroph‐Temperature sensisitive

Griffths et al., Fig. 15‐22, 7th ed.

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Master plate; growth

Detecting Nutritional Auxotrophsthrough Replica Plating

Master plate; growthon complete medium

Velveteen;sterilized

Plastichoop

Woodenblock

Velveteen;with imprintof allcolonies

Complete medium All colonies grow

Minimal medium Mutants do not grow

Press plate ontovelveteen

Transfer imprintof colonies tofresh media

Incubate

Figure 10.2© 2012 Pearson Education, Inc.

Auxotroph – bacteria that carry a mutation resulting in inability to synthesize an essential compound

The Luria and Delbruck Fluctuation Test 

System: grow bacteria over several generations in presence of phage

Readout: number of Tonr bacterial colonies

Hypothesis testing: 

Source of mutation Expected resultNumber of Tonr colonies

Spontaneous Highly variableMutation occurs before contact with phage

PhysiologicMutation is induced by contact with phage

Uniform

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20 x 0.2 mL

1 x 10 mL

Earlyculture

Latecultures

Fluctuation Test

Large Early Culture ResultsFluctuation Test

Small Late Culture ResultsIf mutation occurred in RESPONSE to stimulus, the variance would 

be very low

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Mutagenesis at Work for Us:The Ames Test

Interpreting the Result of the Ames Test

Figure 10.8© 2012 Pearson Education, Inc.

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Mutation: If it’s WRONG, why do it?

• Mutation generates diversity

• Mutation is a major means of achieving• Mutation is a major means of achieving … 

Laboratories

• Schedule: As per posting on Sakai 

• Laboratory Demonstrators

– Christene Carpenter‐Cleland   MC F210 

Extension 5788 [email protected]

– Mark Lukewich MCF 213 

Extension 3398 [email protected]

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Evaluation

• Laboratory 35% See Laboratory Manual

• Midterm Examination 20% Friday July 4 9:00AM‐10:30AM

Discussion Forum will followDiscussion Forum will follow

• Final Examination 20% 2 hour duration

• Discussion Forum 25% ‐ 5 exercises/5 marks each

See Sakai for Instructions

20% content

5% participationp p

There are NO make‐up or supplemental examinations in BIOL 2P98 This applies to Lecture Examinations  

(Midterm AND Final Examination) AND to theLaboratory Examination

BIOL 2P98 SP Laboratory ScheduleLaboratory Schedule 

Week of Laboratory Exercise Title

Jun 16 Lab 1 Lab Safety Techniques & Enumeration

Labs are in IH 309.

Jun‐16 Lab 1‐ Lab Safety, Techniques & Enumeration 

Jun‐23 Lab 2‐ Bacterial Growth & Identification

Jun‐30 Canada Day week NO LABS Assignment 2 on Sakai

Jul‐07 Lab 3‐ The Control of Microbial Growth

Jul‐14 Lab Exam  Based on all lab material

Lab  sections IH309

Section 5  Monday 2:00pm ‐ 5:00pmSection 3 Tuesday 10:00am ‐ 1:00pmSection 1 Tuesday 2:00pm ‐ 5:00pmSection 2 Wednesday 2:00pm ‐ 5:00pm

‐ Read all Appendices & Lab 1 on Sakai‐ Create a flowchart for Lab 1‐ Bring a lab coat & safety glasses/goggles, Lab 1, flowchart and Photographic Atlas

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Discussion Forums

• Occur each Friday during last lecture hour (11AM‐12PM)

• Each week, we evaluate a case relevant to lecture/laboratory 

content in Microbiology in assigned Small Groupscontent in Microbiology in assigned Small Groups 

• Each case will be accompanied by sets of questions to be discussed 

and worked on by each Group

• Each Group submits a SINGLE electronic Report (no paper 

submission) responding to the case questions set for that Group

• ELECTRONIC Report (no paper submission) due by 5PM on the 

T d f th f ll i k ( C O tli )Tuesday of the following week (see Course Outline)

• The Group will report the specific contribution of each member

• Each member of the Group earns the SAME GRADE for the Report

• Discussion Forum Instructions posted on Sakai – includes Group 

listings

Discussion Forum Participation

• 20% of the total grade earned for the Discussion Forums (5% of the final grade inDiscussion Forums (5% of the final grade in BIOL 2P98) is derived from participation in Discussion Forum exercises

• Attendance will be recorded by sign‐in sheet at the beginning of each Discussion Forum

Di i G ill b k d t d ib• Discussion Groups will be asked to describe the specific contribution of each member to each Group Report

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Resources

Required Textbook

Brock Biology of Microorganisms. Fourteenth Edition. Madigan MT, MartinkoJM, Bender KS, Buckley DH, Stahl DA. Pearson Boston 2012

• Provides a basic review of concepts to be discussed during the course

• Does NOT substitute for course lectures or Discussion Forum content

• Textbook chapters will not be assigned; students will match the lecture content to relevant chapters in the textbook

• Textbook content will be supplemented by readings made available on Sakai. Postings of additional readings will be announced during lectures and on Sakai

Recommended Textbook for Laboratory

A Photographic Atlas for the Microbiology Laboratory. Leboffe MJ, Pierce BE 4th Edition. Morton Publishing 2011

General Background Microbiology

http://www.mhhe.com/biosci/cellmicro/talaro/links.mhtml

Academic Integrity A Reflection of Personal Integrity

• Many things may be stolen from us by other people over the course of our lives

• Integrity is one thing we can steal only from ourselves

Integrity

• Respecting it Respecting yourself• Respecting it = Respecting yourself

• Preserve it

• Be proud of upholding it