Genética microbiana Biology of Microorganisms Brok. 8ª-10ª ed. Genes VII. Lewin. Genética microbiana Características de los genomas procariotas Estabilidad y variabilidad de la información genética Fuentes de variabilidad genética: Mutación Transposición Transferencia horizontal Virus Características del genoma procariota • un cromosoma circular • haploide • uso de la casi totalidad para codificación (88 %) regulación (10 %) • operones y ARNm policistrónicos (6%) Escherichia coli Genomas de tamaño pequeño En procariotas : • transcripción-traducción acopladas • ausencia de intrones • Expresión génica se regula principalmente en la transcripción Procariotas Eucariotas • Haploide • Haploide - diploide • 1 cromosoma circular • varios cromosomas lineales • 105 - 106 pb • 107 – 109 pb • casi totalmente secuencias codificadoras y de regulación • familias multigénicas y secuencias redundantes • Ausencia de intrones • Presencia de intrones • Algunos genes organizados en operones: ARN policistrónico • Unidades de transcripción simples • transcripción-traducción acopladas • regulación en etapas de maduración de ARNm Borrelia burgdorferi : 1 lineal, Rhodobacter sphaeroides: 2 circulares Saccharomyces cerevisiae 16, Giardia lamblia 4 Plásmidos: Elementos génicos extracromosomales • ADN bicatenario circular • Tamaño de 1- 100 Kpb • Contienen genes que codifican: • control de replicación • incompatibilidad • de resistencia • funciones fisiológicas • toxinas • transferencia • de inserción (células Hfr) plásmido F de E.coli Plásmidos de resistencia : plásmidos R Confieren resistencia a : • antibióticos • otros inhibidores del crecimiento mercurio cadmio niquel zinc Figure 9.21 División celular fisión binaria gemación Replicación del ADN es semiconservativa Mg2+ Las ADN polimerasas: - requieren cebador - requieren molde - sintetizan en la dirección 5’-3’ - la síntesis ocurre en un proceso de sustitución nucleofílica - nucleófilo: 3’OH de la cadena naciente - grupo saliente: pirofosfato asociado a Mg 2+ Modelo actual de la replicación en E. coli • La helicasa abre la doble hebra • Las topoisomerasas reduce la tensión producida en el desenrollamiento de la hélice • Las proteínas de unión a ADN simple hebra mantienen la estabilidad del ADN simple hebra • Holoenzima: dos DNA conectadas por un dímero t Pol III • La polimerasa en la hebra conductora sintetiza una hebra continua • La polimerasa en la hebra retrasada se mueve en la dirección opuesta: sintetiza el ADN en fragmentos de Okazaki • Al completar cada fragmento se disocia del ADN pero se mantiene el complejo enzimático para hacer la síntesis de un nuevo fragmento. Replicación círculo rodante (plásmidos en Gram +, algunos virus y conjugación) orígen de replicación bidireccional (cromosoma y plásmidos en Gram -) Figure 6.16 Errores durante la replicación son corregidos por la ADN polimerasa Cromosoma de Escherichia coli MG1655 no patógena (4.288 prot.) 193 (2,5%) 585 (7,6%) 1623 (21,2%) 2996 (39,2%) 204 (2,6%) 514 (6,7%) O157:H7 EDL9 enterohemorrágica (5.063 prot.) 1346 (17,6%) CFT073 uropatogénica (5.016 prot.) Estabilidad vs evolución mecanismos de reparación = estabilidad génica mecanismos de variabilidad = base de la evolución • mutación • recombinación Mutaciones cambio heredable en el genoma, espontáneo o inducido Puntuales sobre un único par de bases. - Sustitución: - modificación química del ADN - inserción de una base anómala durante la replicación - transiciones - transversiones. A G Transiciones Transversiones T - Inserciones - Deleciones C Mutaciones: su efecto en el fenotipo Sustituciones - silenciosa - sin sentido - modificadora de función - supresora de función - neutrales Las inserciones o deleciones afectan el marco de lectura Cepa mutante Tipo silvestre DNA Codones ARNm Péptido TAC GGT ATG ACC ATG CCA TAC TGG adición de GC TAC GGT CAT GAC C ATG CCA GTA CTG G AUG CCA UAC UGG AUG CCA GUA CUG G Met-Pro-Tir-Trp • Mutaciones de varios pares de bases • deleciones • inserciones • traslocaciones • inversiones Met-Pro-Val-Leu El ADN está expuesto a numerosos factores que promueven cambios en la información. La célula cuenta con diferentes mecanismos de reparación o de corrección que en general utilizan la hebra sana para reparar la dañada. Los sistemas de corrección pueden ser más o menos proclives a error. Cuando los cambios no son corregidos resultan en mutaciones que pueden afectar una función dada Menos de 1 en 1000 de los cambios introducidos en el ADN son mantenidos, el resto reparados. Las mutaciones pueden ser revertidas o suprimidas por una segunda mutación Reversión: restaura secuencia original Supresión intercistrónica: mutación en otro locus restablece el fenotipo Supresión intracistrónica: mutación en el mismo locus restablece el fenotipo Tautomería de las bases: mutaciones espontáneas Citosina y timina presentan tautómeros (poco frecuentes) El patrón de donores y aceptores de puente de hidrógeno de los tautómeros genera apareamientos C-A y T-G introduciendo errores en la replicación. ¿Qué ocurre cuando estas formas tautoméricas son incorporadas al ADN en la etapa de replicación? G G C T* G C G T G C G C A T G C G C mutante Las mutaciones pueden ser inducidas por agentes químicos, físicos o biológicos. Agentes químicos: • análogos de base sustitución • productos alquilantes • productos que reaccionan con el ADN • agentes intercalantes desplazamiento del marco de lectura inserción o deleción HNO2 desamina A, C y G Adenina hypoxantina Citocina uracilo Guanina Análogos de bases Citocina Adenina 5-Br uracilo (ceto) Guanina 5-Br uracilo (enol) Adenina xantina Citocina G G C C T* G G T G C A T G C G C G C mutante Agentes físicos: radiaciones Figure 9.6 • radiaciones ionizantes: rayos X y Producen ionización del agua: radicales libres OH. que reaccionan con macromoléculas produciendo lesiones • radiaciones no ionizantes: U.V. Produce dímeros de timina o pirimidinas Deformación de la hélice del ADN que induce errores durante la replicación Reconocimiento por sistema reparador La reparación es susceptible de cometer errores Agentes biológicos • Secuencias de inserción (IS), Transposones (Tn), Bacteriófago Mu • Producen: inserciones, deleciones, cambio de expresión Secuencias de inserción IS : 750 – 1600 pb • gen tnp codifica la transposasa que lo escinde e integra • secuencias repetidas inversas en extremos: sitio de reconocimiento y acción de la transposasa • muy frecuentes en genomas procariotas Los elementos transponibles se integran por recombinación sitio específica La transposasa realiza cortes escalonados en el ADN diana generando extremos de simple hebra y cataliza la integración. El ADN de simple hebra es reparado por la maquinaria celular. La escisión puede seguir un mecanismo replicativo o conservativo Transposones Tn : Secuencias de inserción en los extremos gen de la transposasa y otros genes (resistencia) Bacteriófago Mu : es un transposón con la capacidad de encapsidar su ADN en una estructura viral Recombinación Implica la ruptura física y posterior unión de hebras de ADN de forma tal que intercambian el contenido de ADN resultando en dos “nuevas” hebras Sitio específica: • se da en sitios específicos de las moléculas de ADN involucradas, no requiere de zonas de homología Homóloga: • sólo ocurre en zonas con alta homología • permite reparar cromosomas dañados durante la replicación (mantenimiento de información) Mecanismo de recombinación homóloga • Ruptura de la hebra • Invasión del extremo 3’OH en zonas de homología • Movimientos de la horquilla de recombinación • Intermediario de Holliday • Resolución de la cruz de Holliday RecA se une a una simple hebra y una doble hebra. La formación de una triple hélice permite identificar la región de homología Dos posibles resoluciones Ruptura de la hebra i) Solo intercambia en la zona de hetroduplex ii) Recombinación de los cromosomas Invasión de hebra Movimientos de la horquilla Intermediario de Holliday El genoma procariota evoluciona por : • mutación • rearreglos internos del ADN • adquisición de ADN de otras células por transferencia horizontal
