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
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