GENETICA BACTERIANA

DRA. ROSA VELEZ PAZMIO GENETICA BACTERIANA

GENETICA BACTERIANA Cuando se rastrea el origen de unja enfermedad microbiana , la mayora de los factores se relacionan con la velocidad y amplitud de los mecanismos genticos bacterianos. Las bacterias utilizan la mutacin y la recombinacin para el cambio genmico, del mismo modo que ocurre en las clulas eucariotas. Adems, tienen poderosos mecanismos para el intercambio de genes entre clulas que ni siquiera tienen que estar en estrecha relacin. Los mecanismos de mutacin, recombinacin, transformacin, transduccin, conjugacin y transposicin forman las bases de esta capacidad gentica.

GENETICA BACTERIANOEl genoma bacteriano es el conjunto total de genes que porta una bacteria tanto en su cromosoma como en sus elementos genticos extra cromosmicos,.El cromosoma bacteriano presenta algunas diferencias respecto al cromosoma humano. El cromosoma de una bacteria tpica ( E. coli) consta de una sola molcula circular bicatenaria de ADN que contiene aproximadamente 5.000.000 de pares de bases. Los cromosomas mas pequeos ( micoplasmas ) miden la cuarta parte de dicha longitud. GENETICA BACTERIANA Cada genoma posee numerosos operones que estn formados por genes, por regla general las bacterias tan solo presentan una copia de sus cromosomas , por tanto la alteracin de un gen (mutacin) tendr un efecto mucho ms evidente en la clula. Las bacterias pueden tener elementos extra cromosmicos como son los plsmidos y los bacterifagos que se pueden transmitir de una bacteria a otra. Los genes son secuencias de nucletidos que poseen una funcin biolgica ( ostreones que son genes codificadores ) los genes del cido ribonucleico ( ARN) ribosmico y los sitios de reconocimiento y de unin de otras molculas ( promotores y operadores ) que controlan la expresin de un gen al determinar las secuencias que se transcribirn en ARN mensajero. ( ARN m)

MUTACIN Las mutaciones ocurren en la naturaleza a una frecuencia baja, en el orden de una mutacin por cada milln de clulas para cualquier gen determinado, pero el gran tamao de las poblaciones de microbios garantiza la presencia de muchos mutantes. Debido a que las bacterias son haploides, las consecuencias de una mutacin, incluso una recesiva, se vuelven evidentes de inmediato en la clula mutante. Ya que el tiempo de generacin de las bacterias es breve, no se requiere de muchas horas para que una clula mutante que ha surgido por azar se desarrolle hasta convertirse en el tipo celular dominante si dicha mutacin le proporciona una ventaja para la supervivencia.

MUTACIONES Tipos de mutacionesLas mutaciones son cambios hereditarios en la estructura de los genes. La forma normal y por lo general activa de un gen se denomina alelo de tipo silvestre; la forma mutante y habitualmente inactiva se llama alelo mutante. Existen varios tipos de mutaciones con base en la naturaleza del cambio en la secuencia de nucletidos del gen o genes afectados. Los reemplazos implican la sustitucin de una base con otra. Las microdeleciones y microinserciones comprenden la remocin y adicin, respectivamente, de un solo nucletido (y de su complemento en la cadena opuesta). Las inserciones representan la adicin de muchos pares de bases de nucletidos en un solo sitio.

MUTACIONES Deleciones eliminan un segmento contiguo de muchos pares de bases. Inversiones cambian la direccin de un segmento de DNA al empalmar cada cadena del segmento dentro de la cadena complementaria. Duplicaciones producen un segmento redundante de DNA, en general adyacente (en tandem) al segmento original.Los varios tipos de mutaciones implican cambios en la secuencia de nucletidos.

TIPO DE MUTACIONES

MUTACION Al recordar la naturaleza de los genes y la forma en que su secuencia de nucletidos dirige la sntesis de protenas, es posible entender la consecuencia inmediata de cada uno de estos cambios bioqumicos. Si la mutacin por reemplazo en un codn cambia el transcripto de mRNA a un diferente aminocido, se denomina mutacin de sentido errneo (p. ej., una secuencia AAG [lisina] a una secuencia GAG [glutamato]). La protena resultante quiz sea inactiva en trminos enzimticos o muy sensible a las condiciones ambientales, como la temperatura.

MUTACIONES Cuando un reemplazo cambia un codn que especifica un aminocido a un codn que no especifica ningn aminocido, se denomina Mutacin sin sentido (p. ej., una secuencia UAC [tirosina] a una secuencia UAA [terminacin]). Las microdeleciones y microinserciones causan mutaciones por desplazamiento del marco de lectura, que son cambios en la pauta de lectura mediante la cual los ribosomas traducen el mRNA del gen mutado .Los cambios en pauta de lectura suelen dar por resultado la polimerizacin de un tramo de aminocidos incorrectos hasta que se encuentra un codn sin sentido, de modo que, en trminos generales, el producto es un fragmento truncado de polipptidos con una secuencia incorrecta de aminocidos en su extremo N-terminal. La delecin o insercin de un segmento de pares de bases en un gen acorta o alarga el producto de protenas si el numero de pares base eliminado o insertado es divisible entre tres; de otro modo, tambin tiene la consecuencia de un cambio en la pauta de lectura.

Mutaciones Desvan el marco de lecturaPara que las mutaciones de punto desven el marco de lectura, deben encontrarse dentro de la regin codificante de un gen, es decir entre el codn de inicio AUG (quien establece dicho marco) y el codn de stop.ADICIONES La adicin o agregado de una base en el DNA que codifica una determinada protena, provoca el corrimiento del marco de lectura, es decir se constituyen nuevos codones, desde el sitio donde se incorpora la base adicional, hacia el extremo 3 delmRNA. Esto es debido a que el mensajero es ledo por los ribosomas de a tripletes, pero no hay ni un punto ni una coma que diga que este es el principio o fin de codn. La maquinaria solo sigue leyendo y al haber una base ms todos los codones se modifican. Estas mutaciones generan una protena diferente a la original, parcial o totalmente, dependiendo del sitio de la mutacin.

MUTACIONES Las inversiones de un pequeo segmento dentro de un gen lo inactivan; invertir segmentos mas largos puede afectar principalmente a los genes en los puntos de inversin. Las duplicaciones, que con toda Probabilidad son las mas comunes de todas las mutaciones, cumplen una funcin importante en la evolucin de los genes y en la variacin antignica. Los cambios en la secuencia de nucletidos afectan la sntesis de los productos proteicos.Las mutaciones por desplazamiento del marco de lectura afectan la traduccin del mRNA .Muchas mutaciones, en particular si ocurren cerca del extremo de un gen, impiden la expresin de todos los genes posteriores (en direccin opuesta al promotor) del gen mutado. Se piensa que tales mutaciones polares ejercen su efecto en los genes vecinos mediante la terminacin de la transcripcin de los genes posteriores cuando la traduccin del mRNA del gen mutado se bloquea por un codn sin sentido. Mutacin DelecionesLa delecin o prdida de una base dentro de la regin codificante de un gen, ocasiona el cambio en el sentido de los codones desde el lugar donde se pierde una base hasta el extremo 3 del mRNA. Al igual que las adiciones se produce como resultado una protena diferente a la originalmente codificada. Analizando lo que dijimos anteriormente, las que desvan el marco de lectura son las ms graves de todas las mutaciones de punto, ya que como en el mRNA se lee la informacin en forma de codones, todas las bases que se encuentren despus de la mutacin se corren, y por lo tanto todos los codones siguientes se modifican, producindose una protena final con una secuencia de aminocidos totalmente distinta a la original.

Mutacin B) No desvan el marco de lecturaSustitucionesCambio de una base por otra. Las sustituciones a su vez, se clasifican de acuerdo a si cambian o no el sentido o significado del codn en:a) Mutaciones silenciosas:Son aquellas sustituciones que no causan ningn cambio en el aminocido que codifica el codn afectado o si cambian el aminocido del codn afectado pero no afectan la actividad de la protena. Estas ltimas se llaman Neutras.

Mutacin b) Mutaciones de sentido errneo:Son las sustituciones que generan el cambio de un aminocido y que en general alteran la funcionalidad de la protenacodificada originalmente.

Mutacin Mutaciones sin sentidoSe denominan as a las sustituciones que crean un codn de stop o codn sin sentido (UAA, UAG y UGA), ocasionando una protena ms corta de lo normal.

Mutacin Lo ms grave que pueden producir las sustituciones de una base es que se incorpore un aminocido distinto, pero una cadena proteica prcticamente similar. Todo esto depende de cual sea la base sustituida, ya que si la base en cuestin es la tercera de un codn lo ms probable es que no pase nada (mutacin silenciosa), ya que esta es irrelevante en la mayora de los casos, y probablemente se introduzca el mismo aminocido.La sustitucin en la primera o segunda base de un codn, es ms grave y puede generar la incorporacin de otro aminocido al codificado originalmente (mutacin de sentido errneo).En el caso de generar un codn de stop (mutacin sin sentido) la consecuencia es grave, ya que se produce una protena terminada prematuramente, dependiendo de dnde est ubicado el codn, cerca del extremo 5 o del 3 del mRNA.RECOMBINACINLa recombinacin es el proceso en el que las molculas de cido nuclicos de diferentes fuentes se combinan o reordenan para producir una nueva secuencia de nucletidos. En las clulas eucariotas , esto ocurre mediante entrecruzamiento cromosmico durante la meiosis. Dado que las bacterias no se reproducen sexualmente o atraviesan por una meiosis, podra parecer que este mecanismo seria limitado. De hecho, puede ocurrir en cualquier momento en que exista una fuente de DNA recombinante y la cadena se rompe en el cromosoma bacteriano, lo cual crea secuencias de DNA de cadena nica con nucletidos expuestos para un apareamiento potencial. La fuente de DNA recombinante puede ser otra parte del mismo cromosoma (endogenote) o de algn lugar externo a la clula (exogenote) de uno de los mecanismos de transferencia gentica . En caso de tener xito, se forma un nuevo cromosoma hibrido. En las bacterias existen dos mecanismos moleculares principales de recombinacin, la recombinacin homologa y recombinacin especfica de sitio.RECOMBINACIN ECOMBINACION HOMOLOGA O GENERAL El termino recombinacin homologa refleja uno de los dos requisitos para este proceso: (1) El DNA donador debe poseer regiones razonablemente grandes de secuencias de nucletidos idnticas o semejantes a los segmentos cromosmicos del hospedador, ya que deben ocurrir extensos apareamientos de bases entre las cadenas de las dos molculas recombinantes y (2) La clula receptora debe poseer la capacidad gentica para sintetizar un conjunto de enzimas que puedan llevar a cabo la sustitucin covalente de la regin homloga del hospedador con un segmento del DNA donador. Una protena conocida como RecA (de recombinacin) controla todo el proceso. Entonces, el mismo proceso de rotura y reunin enlaza la segunda cadena de cada molcula de DNA recombinante. Este evento de entrecruzamiento repetido en sitios posteriores del cromosoma produce la sustitucin entre dos entrecruzamientos del segmento homologo del hospedador con el segmento del donador.La recombinacin homloga implica semejanza de nucletidos y enzimas especficas como RecA

RECOMBINACINRecombinacin especfica de sitio o no homloga Es la que tiene lugar entre distintas secuencias de ADN, y por regla general produce inserciones , deleciones o ambas . a) Recombinacin especfica legtima, conservativa;b) Recombinacin especfica ilegtima, propiciada por elementos genticos transponibles.a)Recombinacin especfica legtima, conservativa.Es independiente de RecA (u otras enzimas de recombinacin homloga).Es independiente de grandes regiones de homologa entre exo- y endogenote.El proceso est catalizado por enzimas especficas llamadas en generalrecombinasas,que tienen un mecanismo de accin similar al de las topoisomerasas de tipo I *No hay replicacin de ADN durante el evento de recombinacin especfica de sitio, por lo que tambin se la llama conservativa.* Las topoisomerasas son enzimas que regulan la topologa del ADN mediante acciones como la rotura, relajacin, paso y reunin de las cadenas de ADN en las clulas, actan sobre una cadena nica del ADN. RECOMBINACIN b) Recombinacin especfica ilegtima: Fenmenos de transposicinNo depende de homologas (ni siquiera cortas) entre el exogenote (en este caso, un elemento gentico transponible* como: IS o Tn) y el endogenote.Tambin es independiente de RecA.El elemento transponible codifica una enzima (genricamente se les denomina transposasas) que reconoce secuencias especficas inversamente repetidas en los extremos del propio elemento, lo cual se requiere para el proceso de transposicin.Muchos elementos transponibles (pero no todos) poseen un mecanismoreplicativode transposicin: es decir, al transponerse dejan una copia de s mismos en el sitio original, y generan una copia nueva en el sitio a donde se transponen (recombinacin especfica duplicativa).* Secuencia de ADN que puede moverse de manera autosuficiente a diferentes partes delgenomade unaclula. Secuencia de insercinoelemento de insercin(IS); Transposn compuesto(Tn)

RECOMBINACIN Transposicin no conservativa. A diferencia de la conservativa, inicialmente no se integra solo el transposn, sino que se forma un hbrido con todo el genoma donante. Segn el modo de resolucin del enzima resolvasa, podr dar lugar a una transposicin replicativa (genoma donante y receptor obtienen una copia del transposn) o no replicativa (solo se la queda el aceptor, y el donante queda sin l).

TRASPOSICIN La transposicin implica elementos transponibles que son unidades genticas capaces de mediar su propia transferencia de un cromosoma a otro, de un lugar a otro en el mismo cromosoma, o entre cromosoma y plsmido. Esta transposicin depende de su capacidad para sintetizar sus propias enzimas de recombinacin especfica de sitio, llamadas transposasas. Los principales tipos de elementos transponibles son elementos de la secuencia de insercin y transposones.Secuencias de insercinLos elementos de la secuencia de insercin (IS) son segmentos de DNA que codifican enzimas para la recombinacin especfica de sitio y que tienen secuencias distintivas de nucletidos en sus extremos Terminales. Diferentes elementos en la IS tienen diferentes extremos terminales pero, como se ilustra en un elemento IS determinado, tienen la misma secuencia de nucletidos en cada extremo, pero en orden invertido. Debido a que los elementos IS solo contienen genes para la transposicin, su presencia en un cromosoma no se detecta con facilidad, a menos que se inserten dentro de un gen. Tal insercin es, de hecho, una mutacin que altera o destruye la actividad del gen.TRANSPOSICIN

TRANSPOSICIN TransposonesLos elementos IS son componentes de los transposones (Tn), que son segmentos transponibles de DNA que contienen otros genes adems de los necesarios para la transposicin. La estructura general de estos transposones compuestos consiste en un rea central de genes rodeados por elementos IS. Los genes pueden codificar propiedades tales como resistencia a los antimicrobianos, metabolismo del sustrato u otras funciones. Los transposones compuestos se translocan por medio de lo que se denomina transposicin directa o simple, en la que el transposon se corta de su ubicacin original y se inserta en su nuevo sitio por un mtodo simple de cortar y pegar, sin replicacin Otro mecanismo llamado transposicin replicativa deja una copia del transposon replicativo en su sitio original.

TRANSPOSICIN Aparte de la reaccin de insercin primaria, las unidades transponibles promueven otras reorganizaciones del DNA, incluyendo deleciones de secuencias adyacentes a un transposon, inversin de segmentos de DNA, y codones o secuencias de terminacin que pueden bloquear la traduccin o la transcripcin. Cuando se localizan en los plsmidos, las unidades transponibles tambin pueden estar implicadas en la fusin del plsmido, insercin de plsmidos en el cromosoma y evolucin del plsmido. Todos estos acontecimientos tienen gran importancia para comprender la formacin y propagacin de la resistencia antimicrobiana en poblaciones naturales de organismos patgenos.INTERCAMBIO GENTICOTres procesos implican una transferencia unidireccional del DNA de una clula donadora a una clula receptora. La molcula de DNA introducida en el receptor se denomina exogenote para distinguirla del cromosoma original de la propia clula, llamado endogenote.Un proceso de transferencia de DNA, denominado transformacin, comprende la liberacin de DNA al ambiente mediante la lisis de algunas clulas, seguida de captacin directa del DNA por parte de las clulas receptoras. En la transduccin, el DNA se introduce a la clula receptora por medio de un bacterifago que infecta a la clula bacteriana. El tercer proceso, llamado conjugacin, implica el contacto en si entre las clulas donadora y receptora durante el cual se transfiere DNA extra cromosmico de un plsmido que se replica en forma autnoma.INTERCAMBIO GENTICO Los genes cromosmicos de las bacterias solo gobiernan la transformacin. La transduccin esta mediada por genes de bacterifagos y la conjugacin por genes de plsmidos.TransformacinLa capacidad para obtener DNA del ambiente se llama competencia y en muchas especies de bacterias esta codificada por genes cromosmicos que se activan en determinadas circunstancias ambientales. Cualquier DNA presente en el medio se enlaza en forma indiscriminada. El destino del fragmento internalizado de DNA depende entonces de si comparte homologa (las secuencias de bases idnticas o similares) con una porcin del DNA de la clula receptora. En ese caso, puede ocurrir recombinacin, pero el DNA heterlogo se degrada y no produce ningn cambio hereditable en el receptor

INTERCAMBIO GENTICO Otras especies no entran de manera natural en el estado competente, pero pueden volverse permeables al DNA por medio del tratamiento con sustancias que daan la envoltura de la clula, lo cual posibilita la transformacin artificial. El uso experimental de E. coli, que no tiene mecanismo natural de competencia, como clula hospedadora en la clonacin de genes, implica el tratamiento con sal y choques de temperatura para obtener una transformacin artificial.

INTERCAMBIO GENTICO TransduccinLa transduccin es la transferencia de informacin gentica de la clula donadora a la clula receptora por medio de los virus de las bacterias, llamados bacterifagos o simplemente fagos. Los fagos infectan a las clulas sensibles por adsorcin a receptores especficos en la superficie celular y luego inyectan su DNA o RNA. Los fagos tienen dos variedades funcionales segn lo que sucede despus de la inyeccin del acido nuclicos viral. Los fagos virulentos (lticos) causan lisis de la bacteria hospedadora como culminacin de la sntesis de muchos nuevos viriones dentro de la clula infectada.INTERCAMBIO GENTICO Los fagos temperados pueden iniciar un proceso de crecimiento ltico de este tipo o pueden ingresar en forma inactiva (llamado profago), en la que se permite que la clula hospedadora infectada prosiga con su desarrollo y divisin, pero transmite a sus descendientes un genoma del profago que es capaz de inducirse para producir un fago en un proceso casi idntico al desarrollo de los fagos lticos. La clula bacteriana que alberga un profago latente se conoce como lisogena (capaz de producir fagos lticos) y su estado se conoce como lisogenia.

INTERCAMBIO GENTICO ConjugacinEl ttulo de Sexualidad en las bacterias (como a menudo se ha hecho), para comprender la idea de que las bacterias tienen algo especial en lo referente al intercambio gentico. Este proceso, llamado conjugacin, es la transferencia de informacin gentica de una clula bacteriana donadora a una receptora en un proceso que requiere contacto intimo; por si mismas, las bacterias no se pueden conjugar. Solo cuando la clula bacteriana contiene un plsmido auto transmisible (Los plsmidos son elementos extra cromosmicos autnomos formados por un DNA circular de doble cadena), ocurre la transferencia de DNA. En la mayora de los casos, la conjugacin implica la transferencia solo del DNA del plsmido; la transferencia del DNA cromosmico es un evento menos comn y esta mediada solo por unos cuantos plsmidos. Los plsmidos tienen enorme importancia en la microbiologa mdica. INTERCAMBIO GENTICO CONJUGACION EN GRAMNEGATIVOS J. Lederberg y E. Tatum descubrieron la conjugacin en 1946. Lo que observaron fue una transferencia de genes cromosmicos entre clulas de dos cepas diferentes de E. coli. Su descubrimiento estimulo un intenso anlisis del mecanismo, lo cual condujo al descubrimiento de una sustancia, el factor F (factor de fertilidad), que confera a las clulas la capacidad para transferir genes cromosmicos bacterianos a las clulas receptoras. Ahora se sabe que el factor F es un plsmido conjugativo.

INTERCAMBIO GENTICO CONJUGACIN Los plsmidos conjugativos en las bacterias gramnegativas contienen un conjunto de genes denominados tra (por transferencia), que codifican las estructuras y enzimas requeridas. En E. coli, el pelo sexual codificado por el factor F, se muestra en la figura. El pelo sexual tiene la capacidad para establecer entre la clula donadora y la receptora el contacto ntimo que se necesita para formar un puente de conjugacin a travs del cual se puede enviar el DNA. Entonces, el DNA del plsmido se fragmenta de manera enzimtica y una cadena se gua a travs de la estructura de conjugacin a la clula receptora por medio de la accin de diversas protenas codificadas por tra .

INTERCAMBIO GENTICO Tanto la cadena introducida como la cadena que permanece en la clula donadora dirigen la sntesis de su cadena complementaria, lo cual da por resultado copias completas tanto en la clula donadora como en la receptora. Por ltimo, ocurre una circularizacin de las molculas de la doble cadena, se rompe el puente de conjugacin y ambas clulas pueden funcionar ahora como donadoras. Un resultado alternativo es la recombinacin de fragmentos del plsmido transferido con el cromosoma.

INTERCAMBIO GENTICO Conjugacin en especies grampositivasEn las bacterias grampositivas, los plsmidos que transmiten genes que codifican la resistencia antimicrobiana, pelos comunes y otras adhesinas, as como algunas exotoxinas, se transfieren con facilidad por medio de la conjugacin.Las especies grampositivas pueden utilizar genes cromosmicos en este proceso. En Enterococcus faecalis, una de las especies grampositivas mas resistentes, las clulas donadoras y receptoras no se acoplan por medio de un sistema de secrecin o pelo sexual, sino mas bien por agrupacin de las clulas que contienen un plsmido con aquellas que no lo tienen. Esta aglomeracin es resultado de la interaccin entre una adhesina proteinacea en la superficie de la clula donadora (que contiene el plsmido) y un receptor en la superficie de la clula receptora (que carece del plsmido). Ambos tipos de clulas producen el receptor, pero solo la clula donadora puede sintetizar la adhesina, supuestamente porque esta codificada por el gen del plsmido. INTERCAMBIO GENTICO Es necesario destacar que las clulas donadoras sintetizan la adhesina solo cuando estn en las cercanas de las clulas receptoras, porque estas ltimas secretan pequeas feromonas peptdicas, que sirven para notificar de su presencia a las clulas donadoras. Las clulas donadoras fabrican con rapidez la adhesina cuando perciben la feromona. Como resultado, se forman las aglomeraciones y el DNA plsmido se transfiere por medio de los puentes de conjugacin a las clulas receptoras dentro de estos agrupamientos.Plsmidos RLos plsmidos que incluyen genes que confieren resistencia a las sustancias antimicrobianas tienen gran importancia para la medicina; se les conoce como plsmidos R o factores R (factores de resistencia).Los genes responsables de la resistencia por lo general codifican enzimas que intervienen en muchos de los mecanismos de resistencia. Los plsmidos R de las bacterias gramnegativas pueden transmitirse entre especies y, con menor frecuencia, incluso entre gneros.

INTERCAMBIO GENTICO Muchos codifican la resistencia a diversos frmacos antimicrobianos y, por ende, pueden transmitir resistencias mltiples a travs de una poblacin microbiana diversa bajo presin selectiva de solo uno de esos frmacos a los que confieren resistencia. Las bacterias no patgenas pueden fungir como reservorio natural de determinantes de resistencia en plsmidos que estn disponibles para propagarse a los patgenos.Los plsmidos R evolucionan con rapidez y con facilidad pueden adquirir genes adicionales que determinan resistencias a partir de fusin con otros plsmidos o adquisicin de transposones. La mayora de los plsmidos, y todos los factores R, contienen muchos elementos IS y transposones, de hecho, casi todos los genes determinantes de resistencia en los plsmidos se presentan como transposones.

DIAGNOSTICO MICROBIOLGICO ; Koneman Elmer, Editorial Panamericana , Captulo 4,5MICROBIOLOGIA MEDICA ; Ryan Kenneth y cols; Editorial Mac Graw Hill, 5ta Edicin, Captulo 4