5.- Genetica Bacteriana Bi2011

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BIOLOGA MOLECULAR YBIOLOGA MOLECULAR YGENTICA DE BACTERIASGENTICA DE BACTERIASBIOLOGA MOLECULAR YBIOLOGA MOLECULAR YGENTICA DE BACTERIASGENTICA DE BACTERIAS

Dr. Gerardo Gonzlez Rocha

Laboratorio de Investigacin en Antibiticos

Departamento de Microbiologa

Objetivos de la unidadObjetivos de la unidad

ConocerConocer cmocmo varanvaran genticamentegenticamente laslasbacteriasbacterias

2

participanparticipan enen estaesta evolucinevolucin

Acidos nucleicos bacterianos

El material gentico de una bacteria est constituido

cido desoxirribonucleico (ADN)

cido ribonucleico (ARN)

3

GENOMABACTERIANO

Se ll ama g en oma al c on jun to c om pl eto d e

informacin gentica de un organismo

Sehereda de generacin en generacin

CROMOSOMA CROMOSOMA CROMOSOMA CROMOSOMA

ADN EXTRACROMOSOMALADN EXTRACROMOSOMAL

secuencias de insercinsecuencias de insercin

transposonestransposones

--

ADN EXTRACROMOSOMALADN EXTRACROMOSOMAL

secuencias de insercinsecuencias de insercin

transposonestransposones

--

transpo

ADN bacter i fagosADN bacter i fagos

plsmidosplsmidos

ADN bacter i fagosADN bacter i fagos

plsmidosplsmidos

ibles


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Pool entico flexible

Modelo de genomas en procariontesModelo de genomas en procariontes

INT

Patogenicidad

Islas de patogenicidadIslotes de patogenicidadFagos (virus)PlsmidosIntegronesTransposones

Ribosomas

Pool gentico centralCromosoma(Plsmidos)

Pool gentico centralCromosoma(Plsmidos)

RACCION

SecrecinSimbiosisMetabolismo secundario

Vas metablicas fundamentalesReplicacin de ADN.

EMBO Reports 21: 376-381, 2001

GENOMA ESTTICO GENOMA FLOTANTE

MutacinMutacin

Adquisicin

de genes

Adquisicin

de genes

6

Bacterias

7

CROMOSOMABACTERIANO

El espacio ocupado por ADN dentro del citoplasma deEscherichia coli se llama nucleoide bacteriano (Trun &Marko, ASM News, 1998; 64: 276-283)

E. coli debe acomodar una molcula que es 750.000 vecesms larga que su ancho (esto para un cromosoma que noest en replicacin)

Sperenrrollado sobre si mismo

topoisomerasas

Tamao tpico de una clula deE. coli es1m x 0,5m.

Cromosoma de 1,5 mm x 2x10-6 mm debe situarse en un

espacio cilndrico ~5x10-4 mm x 5x10-4 mm

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I: remueve sobreenrrollamiento (-)

II: ADN girasa, sobreenrrolla el ADN

introduce sobreenrrollamiento (-)


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TopoisomerasasTipo I (Topo I) Tipo II (Topo II)

Rompen una cadena y varan el nmero desuperenrollamiento topolgico (W) en unaunidad.

Rompen ambas cadenas del DNA y varan elnmero de superenrollamientos topolgicosen 2 unidades.

No necesitan cofactor de alta energa Requieren ATP

Alteran la superhelicidad a travs de unamella transiente en una cadena

Modula la topologa, pasando una hliceintacta a travs de una rotura en las 2cadenas

Generalmente relajan la hlice Regulan super y subarrollamientos,generalmente relajan superhlices + y , peroalgunas como la DNA girasa introducensuperhlices . Resuelven catenanos (que

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son DNAs concatenados inmediatamentedespus de la replicacin).

Replicacin semiconservativaBidireccional

10

Tamao cromosoma bacteriano

11http://microbialgenomics.energy.gov/organisms.shtml

CHROMOSOME SIZE AND NUMBER OF GENES FOR SERVERAL BACTERIAL SPECIES SEQUENCED1995-2000

Bacterial species Chromosomesize(base pai rs) Numberof genes Yearsequencecompleted

Haemophilus influenzae 1,830,138 1714 1995

Mycoplasma genitalium 580,074 480 1995

Synechocystis sp. 3,573,470 3167 1996

Mycoplasma pneumoniae 816,394 1054 1996

Helicobacter pylori 1,667,867 1576 1997

Escherichia coli 4,639,211 4279 1997

Bacillus subtilis 4,214,814 4112 1997

Borrelia burgdorferi 910,724 851 1997

Aquif ex aeolic us 1,551,335 1529 1998

Mycobacterium tuberculosis 4,411,529 3927 1998

Treponema pallidum 1,138,011 1036 1998

Rickettsia prowazekii 1,111,523 835 1998

Chlamydia trachomatis 1,042,519 895 1998

12

Chlamydiophila pneumonia 1,230,230 1054 1999

Thermotoga maritima 1,860,725 1858 1999

Campylobacter jejuni 1,641,481 1654 2000

Neisseria meningitidis 2,272,351 2079 2000

Buchnera sp. 640,681 564 2000

Bacillus halodurans 4,202,353 4066 2000


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MutacinMutacin

cambios en la secuencia nucleotdica de un gen

MUTACIONES

ocurren a baja frecuencia: 1x10-5 - 1x 10-10

pueden ocurrir en cada evento de replicacin del ADN

el cambio genotpico puede evidenciarse en el fenotipo

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generalmente afectan a slo un gen

Mutacin inducida: se produce como consecuencia de la

exposicin a agentes mutagnicos qumicos o fsicos.

Los principales tipos son:

1) Mutaciones puntuales: sustituciones de pares de bases. Pueden ser:

transiciones: PuPu o PiPi:

ATGC, GCAT, CGTA y TACG

transversiones: PuPi o PiPu:

ATCG, ATTA, GCTA, GCCG, TAGC, TAAT, CGAT y CGGC

2) Mutaciones por desplazamiento del lectura [frameshift]. Se deben a:

eliminacin de uno o un corto nmero de nucletidos

incorporacin de uno o un corto nmero de nucletidos

15

3) Grandes deleciones (o borraduras)

4) Inversiones

5) Traslocaciones

6) Duplicaciones en tndem

7) Mutaciones insercionales ocasionadas por elementos genticos transponibles

Las ms comunes son las

mutaciones puntuales

se produce un cambio de un

nucletido por otro durante la

replicacin del ADN.

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Otro ti po de mutaciones pueden t ener efect os mayores. Exist e la

pos ib il idad de que se inser te un f ragmen to de menor o mayo r tamao

en el gen. Esta mutacin se llamadainsercin.

Es p os ib le t amb in q ue el f ragm en to s e p ierda, q ued an do al terado

i ual men te el c di o en t ico . Es te t i o de m ut ac in l lam adelecin.

17 18

AdquisicinAdquisicinAdquisicinAdquisicin

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de genesde genesde genesde genes

MECANISMOS DE DISEMINACION O TRANSFERENCIA DE GENES

Nature 4:36-45, 2005.


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ADNextracromosmico

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elementos genticos extracromosmicos

Plsmidos

capacidad de replicacin autnoma (son replicones)

ADN de cadena doble

Tamao variable de 2 kb a 500 kb (1600 kb, megaplsmido)

nmero de copias variable de acuerdo al tamao

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superenrollados

mayora circulares cerrados

covalentemente (c.c.c.)

Streptomyces linear plasmid SCP1

Tambin hay algunos lineales

Borrelia burgdorferi

Streptomyces

Alguno s se int egran al

linear plasmids isolated from Borrelia

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cromosom a reversiblemente :

EPISOMAS

PLASMIDOS CONJUGATIVOS

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Existen conjugativos , no conjugativos

y movili zables

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Genes importantes en la Conjugacin Bacterianaoperon tr a

FUNCIONES GENES , , , ,

traB, traV, traC, traW,traU, traF, traQ, traH, traG

superficie de exclusin traS, traT

estabilizacin del par conjugante traN, traG

transferencia del ADN traM, traY (exonucleasa),traD, traI (helicasa),

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traZ (exonucleasa)regulacin finP, finO,

traJ (regulador positivo)

PLASMIDOS NO CONJUGATIVOS

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Grupo deincompatibilidad

(Inc)Plsmidos

FI F, R386

FII R1

FIII - ,

B-K166

FIV R124

IR62, R64, R483(at least 5subgroups)

J R391

N de copias: Determinada mayoritariamente por regin ori Regulacin de la replicacin Se define con la clula naciente

27

O R724

P RP4, RK2

Q RSF1010

T R401

W R388, S-a

Grupo de incompatibilidad: Interferencia con sistema de replicacin y

particionamiento de los plsmidos Dos plsmidos del mismo grupo (Inc) no

pueden coexistir dentro de la misma bacteria

Resistencia

Resistencia a antibiticos (plsmidos R)

Resistencia a metales pesados (resistencia a Hg, Cd, Zn, etc).

fenotipos y funciones

Virulencia

Plsmidos de virulencia

produccin de toxinas, factores de penetracin en tejidos, fimbrias, etc.

Metablicas

Utilizacin de determinados azcares.

Utilizacin de hidrocarburos (degradacin de tolueno, xileno)

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Interacciones

Induccin de tumores en plantas

plsmido Ti deA. tumefaciens

fijacin de nitrgeno

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ELEMENTOS GENTICOS TRANSPONIBLES

Insercin de secuencia de nucleotidos dentro de un nuevo sitio,

sobre la misma o diferente molcula de ADN que le dio origen

No existen independientemente

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Primera identificacin en maz (1956)

Barbara McClintock

*control del locus de pigmentacin30

Efectos de la transposic in

31 32

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SECUENCIAS DE INSERCION

formas ms simples de elementos transponibles en procariontes

tamao promedio: 1 1,5 kb

codifican slo funcin de trasnposicin transposasa

33

se reconocen por sus efectos

mutaciones generadas por insercin

genes movilizados bajo su influencia

rearreglos de ADN promovidos en su vecindad

mayor causa de inestabilidad de plsmidos

permiten insercin de plsmidos en cromosoma

recombinacin entre dos plsmidos

34

35Current Opinion in Microbiology 2006, 9:526531 36Current Opinion in Microbiology 2006, 9:526531

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TransposonesCodifican funciones de transposicin

+

fenotipo observable

37 38

39 40

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MODELOS DE TRANSPOSICION

41

ntegrones y ssettes genticos de resistencia

intI1 qacE1 sul 1 o rf 5attI

Pc P P

I

intI1 acE1 s ul 1 o rf 5

Pc P P

cassette 1

att

C

42

attI

PI

extremo 5 conservado zona variable extremo 3 conservado

IR IRtransposasa

Transposn de la familia del Tn21

INTEGRNintegrasaPr

59-bp

cassette inserto

Plsmido dePlsmido demultiresistenciamultiresistencia

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cromosoma bacteriano

Adap tado d e Ambil e-Cuevas & Chi cur el (1992) Cell 70:189-199

Matrioshka

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MECANISMOS DE DISEMINACION O TRANSFERENCIA DE GENESTR

ANS

FERE

CI

A

HORIZONT

Nature 4:36-45, 2005.

A

L

DE

GENES

El ciclo ltico reproduccinde las partculas fgicasdestruccin de la bacteria

TRANSDUCCION

La lisogenia genoma delfago se comporta como partede la informacin genticabacteriana

LISOGENIACICLOLITICO

Liberacin

ADN del fago seintegraen elgenomabacteriano (PROFAGO)

46

de fagos

Bacterialisognicaesinmunea otrasinfecciones

ADN del fago sel iberay entraen elciclo lt ico

INDUCCION

Placas de lisis

Transduccin Generalizada

Fijacin del fago a la clula

Sntesis de las cpsides y empaquetamiento del

Degradacin del DNA bacteriano y replicacindel genoma viral

Inyeccin del material gentico viral

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Lisis celular y liberacin de partculas

material gentico y viral

Transduccin Especializada

Escisin y circularizacin del DNA del fago

Clula lisognica: el DNA del fago se encuentra integrado en el DNA bacteriano profago)

Degradacin del DNA bacteriano y replicacin del genoma viral

Escisin anormal que produce la prdida de algunos genes del fago, los que semantienen insertados en el cromosoma bacteriano. En cambio, algunos genesbacterianos han sido tomados junto al DNA del fago

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Lisis celular y liberacin de partculasSntesis de las cpsides y empaquetamiento del material gentico y viral

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CONJUGACION BACTERIANA

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LAS BACTERIAS PUEDEN TRANSFERIR PLASMIDOS Conjugacin bacteriana En las b ac ter ias Gr am-neg ati vas, un a c lu la d ad or a p ro du ce u n pi li qu e

50

es a ecen con ac o con una c u a recep ora, ac an o as e acercam en o

de las dos bacterias (a)

A conti nuac in se for ma un puen te entr e las dos clulas , por donde pasa a la

bacteria receptora una de las cadenas del ADN plasmdico (b)

Regenerndose despus una molcula de cadena doble a part ir de cada una de

las cadenas simples (c)

51

,

se separan (d)

DadoraReceptoraferomonas

estimulo

Conjugacin en bacterias Gram positivasConjugacin en bacterias Gram positivas

Agregaci n celu lar

Conjugacin

En la bacterias Gram-

52

transconjugantes

positivas la conjugacin es

similar. Pero para atraerse las

bacterias no utilizan pili sino

seales qumicas (feromonas)

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14

variacin hereditaria de una clula bacteriana, originada

Transformacin bacteriana

posterior recombinacin del ADNcon el genoma de la

clula

Tras la transformacin, la clula que ha recibido el ADN

se denominatransformante.

53

Clula en estado de competencia: p e r m e a b i l id a d c e l u l a r

a l t e r a d a

El ADN, para que sea capaz de transformar, tiene

que ser de bicatenario

especies que poseen sistemas

naturales de transformacin:

* bacterias Gram positivas:

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* bacterias Gram negativas:

Haemophilus ; Neisseria ; Moraxella;

Acinetobacter ; Azotobacter Pseudomonas

Cianobacterias del gnero Synechococcus

Desarrollo de la competencia yunin del DNA transformante

Protenas especficas se unen yprotegen al DNA exgenomonocatenario

Procesado y toma del DNAexgeno

55

El DNA exgeno se integra alcromosoma bacteriano enregiones homlogas por medio dela protena RecA

La integracin en el cromosoma de la bacteria estabiliza los genes presentes en el ADN

transformante y as el ADN es duplicado en la clula transformante56

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