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Fundamentos de
GENÉTICA BACTERIANA
Prof. Dr. Cláudio Galuppo Diniz
As bactérias possuem material genético, o qual é transmitido aos descendentes no momento da divisão celular. Este material genético não está contido dentro de um núcleo, portanto o genoma destes microrganismos está disperso no citoplasma.
ORGANIZAÇÃO DO GENOMA BACTERIANO
O genoma bacteriano está condensado e organizado em uma estrutura denominada NUCLEÓIDE.
NUCLEÓIDE ou CROMOSSOMO BACTERIANO: constituído, geralmente, por uma única molécula de DNA fita dupla, circular, não delimitado por membrana nuclear, tamanho variando entre 500 a 10.000 kb e é capaz de auto-duplicação. Não contém introns e seus genes contém todas as informações necessárias à sobrevivência da célula.
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ORGANIZAÇÃO DO GENOMA BACTERIANO
DNA RNA PROTEÍNA
Transcrição Tradução
GENE: sequência de nucleotídeos do DNA que é expresso em um produto funcional, ou
seja, molécula de RNA e proteína.
GENOMA: seqüência completa de DNA; algumas não são convertidas em produtos
funcionais
• Sequências não-codificadoras: INTRONS (bactérias não possuem) • Sequências codificadoras: EXONS
OPERON: grupos de um ou mais genes estruturais expressos a partir de um promotor
específico. Operons com muitos genes estruturais são chamados policistrônicos.
Promotores e operadores: sequências de nucleotídeos que controlam a expressão de
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cvcv
• Transcrição de genes independentemente expressos – cada gene é precedido por um promotor (Pr). • A transcrição destes genes resulta na síntese de diferentes RNAs, um para cada gene – RNAs monocistrônicos
• Transcrição de genes coordenadamente expressos – o conjunto de genes forma um operon e é precedido por um único promotor (Pr). • A transcrição destes genes resulta na síntese de um único RNA contendo a informação genética correspondente a todos os genes integrantes do operon – RNA policistrônicos
ORGANIZAÇÃO DO GENOMA BACTERIANO
-Seqüências de bases repetitivas estão espalhadas no genoma bacteriano.
REP (Repetitive Extragenic Palindrome) – 1984:
Seqüências repetidas e invertidas altamente conservadas, podem ser transcritas, mas não traduzidas. Ocorrem entre os genes de um operon ou no seu final. São encontradas em aproximadamente 25% do RNAm;
ERIC (Enterobacterial Repetitive Intergenic Consensus) – 1990:
Seqüências palindrômicas imperfeitas encontradas inicialmente em enterobacterias. São encontradas em regiões transcritas do genoma ou em regiões intergênicas de operons policistrônicos ou em regiões não traduzidas. Embora sejam altamente conservadas, sua localização cromossômica varia entre as espécies;
BOX – 1992:
Seqüências em organização modular. 3 módulos já foram definidos: BoxA, BoxB e BoxC. Apenas as sequencias relativas a BoxA parecem ser altamente conservadas entre as bactérias.
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Duplicação do DNA bacteriano
O DNA cromosômico precisa duplicar-se antes do processo de divisão celular, para que todas as células da progênie bacteriana recebam uma cópia do cromossomo (transferência vertical de genes).
A duplicação do DNA cromossômico bacteriano é semi-conservativa, simétrica e bidirecional, a partir de uma origem única (oriC).
O processo requer enzimas, tais como as girses, helicases, primases, polimerases, ligases e topoisomerases.
A direção da síntese é sempre no sentido 5’ – 3’. DNA DNA Células filhas
Duplicação
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Elementos genéticos extracromossomaisPlasmídios:
Segmentos de DNA fita dupla, circulares; tamanho varia entre 1500 a 400.000 pb.
Auto-duplicam independentemente do cromossomo.
Carregam informação genética não essencial a célula, mas podem prover uma vantagem seletiva para as bactérias que os possuem.
Ex.: genes de resistência múltipla a antibióticos; bacteriocinas; toxinas.
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Elementos genéticos extracromossomaisTransposons: também chamados genes saltadores ou sequências de inserção (IS),
são elementos genéticos móveis que podem transferir DNA dentro de uma célula, de uma posição para outra no genoma ou entre diferentes moléculas de DNA (plasmídio-plasmídio ou plasmídeo-cromossomo).
Um evento de transposição na célula procariótica põe em risco a sobrevivência
da célula, pois estes elementos são responsáveis por cerca de 5 a 15% das
mutações que ocorrem no genoma bacteriano.
Essas mutações ocorrem quando um desses elementos transpõe para
sequências de DNA codificadoras de genes, interrompendo a sequência de
bases do gene, ou quando eles se integram dentro de sequências reguladoras
(promotores, p.ex.)
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IntegronsUm integron inclui:
Um gene codificador de uma integrase; Um sítio adjacente de recombinação;
Uma região promotora, utilizada na expressão dos genes componentes do cassete; Um ou mais cassetes de genes
Segmentos de DNA fita dupla, geralmente menores que os transposons; não autoduplicam. Capturam genes de resistência a drogas do citoplasma. Ocorrem sobre transposons e podem ser transferidos ligados eles, plasmídios e cromossomo
Cassetes podem existir como moléculas circulares livres incapazes de duplicação autônoma ou integrados em sítio de recombinação. Contém uma ORF e um sítio de recombinação (attC) - integração do cassete ao integron.
ORF
Sítio attC ORF
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ORF Sítio attC ORF Sítio attC ORF Sítio attC ORF Sítio attC ORF Sítio attC ORF Sítio attC mRNAUm integron pode sofrer alterações ao longo do tempo determinadas pela excisão de cassetes individuais pelos seu reagrupamento ou pela inserção de novos cassetes.
Estas alterações vão influenciar o nível de expressão de cada cassete. A expressão dos genes distais é reduzida pela presença de cassetes a montante do promotor
Variabilidade Genética em Bactérias
As bactérias podem apresentar variações que conduzem à formação de clones com propriedades distintas do clone “selvagem” original. A variação se dá através de mutação ou
recombinação.
MUTAÇÃO => alteração na sequência de bases nitrogenadas do DNA, geralmente resultante de deleção, inserção ou substituição de um ou mais nucleotídeos; esta alteração genética pode modificar o produto (proteína).
As mutações podem ser neutras, desvantajosas ou benéficas.
RECOMBINAÇÃO => processo de variabilidade genética que envolve trasnferência de material genético entre duas células.
MUTAÇÃO
XRECOMBINAÇÃO
Processo vertical Ocorre durante a replicação do cromossomo bacteriano
Processo horizontal
Ocorre durante os processos de conjugação, transformação ou transdução
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V ar ia bi lid ad e ge né tic a ve rt ic al – as so ci ad a à m ut aç ãoMutação por inserção
Mutação por deleção
Transposição Mutação puntiforme
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Embora as mutações sejam responsáveis pela expressão de várias novas características poruma célula, muitos fenótipos procarióticos são decorrentes da aquisição de novos fragmentos de DNA, por meio de processos de transferência horizontal de genes:
MECANISMOS DE RECOMBINAÇÃO GENÉTICA BACTERIANA
Transformação
Conjugação
Transdução
Transformação: incorporação de DNA livre, geralmente
decorrente da lise celular
Na natureza, o processo ocorre quando uma célula sofre lise, liberando seu DNA. Este, por ser de grande tamanho tende a sofrer fragmentação e outras células podem absorver alguns fragmentos.
Para que o processo ocorra, é necessário que a célula encontre-se competente - apresentar sítios de superfície para a ligação do DNA da célula doadora - e apresentar a membrana em uma condição que permita a passagem deste DNA.
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Experimento de Griffith - Frederick Griffith, 1928Evidência da transformação bacteriana (pneumococos)
As bactérias não-encapsuladas foram transformadas em encapsuladas. Experimentos subseqüentes comprovaram que o fator de transformação era DNA.
Conjugação: processo de transferência de DNA de uma
bactéria para outra, envolvendo o contato entre as duas
células
A conjugação está associada à presença de plasmídeos F. Estes plasmídeos contêm genes que permitem a transferência do DNA plasmidial de uma célula para outra ou, em outras palavras, a capacidade conjugativa.
Quando a célula porta um plasmídeo de natureza F é denominada F+, doadora, enquanto células desprovidas de tais plasmídeos são denominadas F-, receptoras.
A capacidade conjugativa está associada à presença de genes localizados em um operon denominado tra que conferem características envolvidas na conjugação como a síntese do pilus F, responsável pelo reconhecimento, contato entre as células e a transferência do DNA plasmidial.
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Eventualmente, os plasmídeos podem serintegrados no cromossomo, sendo este processo mediado por pequenas seqüências de DNA denominadas IS (insertion sequences).
• As células apresentando tais plasmídeos integrados são denominadas Hfr.
• Quando integrados, esses plasmídeos podem mobilizar a transferência de genes cromossomais também.
A conjugação pode ser de dois tipos: entre células F+ e F-, resultando em duas células F+ e entre células Hfr e F-, resultando em uma célula Hfr e outra F-.
Nos dois processos, acredita-se que o mecanismo provável de transferência do DNA seja pelo círculo rolante, onde apenas uma das fitas é transferida, sendo a fita complementar sintetizada pela célula receptora.
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Transdução: transferência de material genético mediada por
vírus (bacteriófagos)
Transdução generalizada: Este tipo de processo requer a ocorrência de um ciclo lítico, onde eventualmente pode haver o empacotamento de fragmentos de DNA da célula hospedeira, gerando partículas denominadas partículas transdutoras, que correspondem ao capsídeo viral contendo em seu interior DNA bacteriano.
Embora não possam ser descritas como vírus, as partículas transdutoras exibem a capacidade de adsorção à superfície de outras células bacterianas.
A freqüência com que um determinado gene é transferido é baixa, uma vez que cada partícula transdutora leva apenas um determinado fragmento de DNA.
Transdução especializada: Evento raro, embora bastante eficiente.
A etapa inicial corresponde à infecção e lisogenização do fago, que ocorre em sítios específicos do genoma.
Pela ação de algum indutor (ex: UV) há a separação do fago do genoma (integração reversa), que normalmente ocorre perfeitamente. Entretanto, em alguns casos, essa separação é defeituosa, promovendo a remoção de genes bacterianos e deixando parte do genoma viral na célula.
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Transdução generalizadaTransdução especializada
