Fundamentos de GENÉTICA BACTERIANA

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1 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 kb e é capaz de auto-duplicação. Não contém introns e seus genes contém todas as informações necessárias à sobrevivência da célula. Possuem apenas uma cópia de seu cromossomo, sendo portanto haplóides. Prof. Cláudio 1

2 ORGANIZAÇÃO DO GENOMA BACTERIANO 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 um gene determinando as seqüências que serão transcritas no mrna. Transcrição Tradução DNA RNA PROTEÍNA Prof. Cláudio 2

3 cv 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 cv 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. Prof. Cláudio 3

4 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). Duplicação DNA DNA Células filhas 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. FLUXO DA INFORMAÇÃO GENÉTICA Prof. Cláudio 4

5 Elementos genéticos extracromossomais Plasmídios: Segmentos de DNA fita dupla, circulares; tamanho varia entre 1500 a 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. Esquema de um plasmídio Prof. Cláudio 5

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9 Elementos genéticos extracromossomais Transposons: 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.) Prof. Cláudio 9

10 Integrons Um integron inclui: Um gene codificador de uma integrase; Um sítio adjacente de recombinação; Uma região promotora, utilizada na expressão dos genes componentes do cassete; Umoumaiscassetesdegenes 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 Sítio attc Prof. Cláudio 10

11 ORF Sítio attc ORF ORF Sítio attc Sítio attc ORF ORF ORF Sítio attc Sítio attc Sítio attc Um 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 mrna 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 X RECOMBINAÇÃO Processo vertical Ocorre durante a replicação do cromossomo bacteriano Processo horizontal Ocorre durante os processos de conjugação, transformação ou transdução Prof. Cláudio 11

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14 Variabilidade genética vertical associada à mutação Principais tipos de mutação Mutação puntiforme Mutação por inserção Mutação por deleção Transposição Prof. Cláudio 14

15 MECANISMOS DE RECOMBINAÇÃO GENÉTICA BACTERIANA Embora as mutações sejam responsáveis pela expressão de várias novas características por uma célula, muitos fenótipos procarióticos são decorrentes da aquisição de novos fragmentos de DNA, por meio de processos de transferência horizontal de genes: 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. Prof. Cláudio 15

16 Experimento de Griffith - Frederick Griffith, 1928 Evidência 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. Prof. Cláudio 16

17 Eventualmente, os plasmídeos podem ser integrados 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. Prof. Cláudio 17

18 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. Prof. Cláudio 18

19 Transdução generalizada Transdução especializada Prof. Cláudio 19

20 Recombinação??? Conversão lisogênica - transferência de DNA de uma partícula viral para uma bactéria. A própria lisogenização torna a bactéria imune a outras infecções por este fago, mas além disso, outros fenótipos podem ser adquiridos. - a bactéria recebe um gene que codifica uma toxina, sendo este gene de origem viral. Prof. Cláudio 20

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