Transferência da informação genética

Transferência da informação genética Ana Beatriz Santoro santoro@bioqmed.ufrj.br

Replicação do DNA Características universais do mecanismo de replicação -Semi-conservativo -Bidirecional -Semi-descontínua

Replicação semi-conservativa

Replicação bidirecional

Replicação semi-descontínua

Replicação do DNA bacteriano Estrutura Ɵ

Replicação do DNA bacteriano Etapas: Início Elongação Término

Estrutura da origem de replicação bacteriana Apenas uma origem de replicação Origem de replicação muito conservada Seqüências consenso de 9 e 13 pb rica em A-T Seqüência GATC: alvo de metilação na adenina

Origem de replicação em bactérias Somente origens completamente metiladas podem iniciar a replicação

Proteínas presentes na origem de replicação

Replicação do DNA bacteriano Etapas: Início Elongação Término

Proteínas presentes na forquilha de replicação

A velocidade da forquilha de replicação bacteriana é de 50.000 pb/min

Atividade da DNA girase

Replicação do DNA bacteriano Etapas: Início Elongação Término

Seqüências terminadoras Terminação ocorre na região ter do cromossomo de E. coli Região ter rica em G e T Proteína Tus (terminus utilization substance) liga-se à região ter Tus pára a forquilha de replicação através da inibição da atividade de helicase

Resolução dos concatâmeros

Transferência horizontal de genes Organismo transfere material genético para outra célula que não é sua descendente ( transferência vertical) Importante mecanismo na evolução e variabilidade genética de procariotos Interações genéticas entre bactérias permitem a evolução de seus genomas mais rapidamente que as mutações apenas

Descoberta da transferência gênica bacteriana

Transferência gênica bacteriana: necessidade de contato

Características gerais da transferência gênica em bactérias Unidirecional - Doador receptor Pode ocorrer entre diferentes espécies Transferência parcial do genoma

Interações genéticas entre bactérias Tipos: Conjugação Transformação Transdução

Conjugação Definição: transferência de DNA de uma célula doadora para uma célula receptora através de contato direto entre elas Mating types em bactérias: Doador: - fator F (fator de fertilidade): plasmídeo circular que se replica de forma independente - Pilus F Receptor: - Ausência do fator F Doador Receptor

Pilus F e exclusão de superfície Filamento extracelular que se extende da superfície da célula doadora; componentes: pilina e uma proteína na ponta que faz contato com a superfície da receptora. O pilus reconhece vários receptores na superfície da célula receptora (LPS, protein) Células F + não conjugam com outra F + devido ao fenômeno de exclusão de superfície TraT proteína da membrana externa bloqueia a formação do par e a proterína TraS bloqueia a transferência do DNA.

Estados fisiológicos do fator F Autônomo (F + ) Características do cruzamento F + x F - F - F + e F + permanece F + Não há transferência de genes cromossomais da doadora F+

Estados fisiológicos do fator F Integrado (Hfr: high-frequency recombination) Características do cruzamento Hfr x F - F - raramente se transforma Hfr e Hfr permanece Hfr Alta transferência de genes cromossomais da doadora F + Hfr

Estados fisiológicos do fator F Autônomo com genes do doador (F ) Características do cruzamento F x F - F - F e F permanece F Alta transferência de genes da doadora presentes em F e baixa transferência de outros genes cromossomais Hfr F

Cruzamento F + x F - Formação do par Transferência de DNA - Origem de transferência - Replicação círculo rolante F + F - F + F - F + F + F + F +

Cruzamento F+ x F-

Cruzamento Hfr x F - Formação par Transferência de DNA - Origem de transferência - Replicação círculo rolante Recombinação homóloga Hfr F - Hfr F - Hfr F - Hfr F -

Different Alleles Cruzamento Hfr x F -

Cruzamento F x F - Formação do par Transferência de DNA Origem de transferência Replicação círculo rolante F F - F F - F F F F

Transformação Definição: conversão de um genótipo para outro pela introdução de trechos de DNA exógeno

Fatores que afetam a transformação: - Competência do receptor: habilidade de incorporar o DNA extracelular, varia com o estado fisiológico da bactéria Muitas bactérias são naturalmente competentes, mas só o fazem em uma fase do ciclo de crescimento celular. Ex: Streptococcus, Haemophilus, Neisseria, Bacillus. Outras bactérias podem se tornar competentes por tratamentos específicos, Ex: CaCl 2 / temperatura ; exposição a pulsos de altas voltagens (eletroporação). -Tamanho do DNA Eficiência de transformação é baixa com fragmentos e plasmídeos grandes - Recombinação entre seqüências homólogas no fragmento do DNA e no cromossoma da receptora- recombinação legítima

Transformação - Etapas

Transformação - Eletroporação

Transformação - Eletroporação E. coli + pamp/kan eletroporação Recover at 37 o C E. coli LB Amp+Kan Incubate at 37 o C overnight LB Amp+Kan

Transdução Definição: transferência de DNA da célula doadora para a célula receptora por meio de bacteriófagos Bacteriófagos - são vírus bacterianos - se replicam como parasitas bacterianos obrigatórios - partículas extra-celulares metabolicamente inertes - formadas de DNA e RNA (genoma) e proteínas (capsídeo, camada protetora do DNA) - tamanho genoma: 2-200 kb (dsdna, ssdna, dsrna, circular ou linear )

Morfologia dos Fagos Bacteriófago T2 Phage M13 Bacteriófago Fago filamentoso

Infecção por fagos Etapas: 1. Adsorção do fago à célula bacteriana 2. Ligação irreversível 3. Contração da cápsula 4. Injeção do material genético

Especificidade da infecção Cada espécie de bactéria própria de fagos é susceptível a uma série Cada fago só infecta um conjunto específico de hospedeiras Ex: fago A só infecta uma cepa de E. coli; fago B, pode infectar muitas cepas diferentes de E. coli. Susceptibilidade depende de receptores específicos na superfície da célula hospedeira- em geral carboidratos - LPS nas Gram - - Ácido teicóico nas Gram + - Alguns fagos se ligam ao pilus sexual (F). Fagos macho-específicos, ex: M13

Tipos de fagos Líticos ou virulentos- são fagos que se multiplicam na bactéria e causam a lise da célula no final do ciclo. Ex: Fagos T2, T4,T1-T7 de E. coli Fagos lisogênicos ou temperados- são fagos que se multiplicam via ciclo lítico e/ou entram em estado quiescente na célula através do qual o DNA do fago pode se integrar ao cromossoma da bactéria hospedeira, como profago. Ex: Fago Lambda ( ) de E. coli.

Ciclo lítico

Number of Infectious Particles Ciclo de multiplicação de um fago lítico -Eclipse- partículas do fago não são encontradas no sobrenadante da cultura ou intracelularmente após inoculação da cultura com os fagos. Expressão de genes da fase inicial e tardia e do material genético - Acúmulo intracelular - Lise bacteriana e liberação dos fagos Eclipse Total Phage Acumulação intracelular Time after Infection Extracellular Phage Lise

Fagos lisogênicos Se multiplicam via ciclo lítico e/ou entram em estado quiescente na célula. Em estado quiescente, material genético do fago está integrado (forma aleatória ou não) ao cromossoma da bactéria. O DNA do fago no estado reprimido é denominado profago A maioria dos genes do fago não é transcrita e está sob repressão.

Fagos lisogênicos O DNA integrado no cromossoma é replicado hospedeiro e é passado para as células flihas. junto ao do A célula bacteriana que carreia um DNA integrado é denominada uma bactéria lisogênica, imune a infecção pelo mesmo fago! Conversão lisogênica- alguns fagos temperados além dos genes para o ciclo lítico e lisogênico, possuem genes cuja expressão dão à bactéria hospedeira novas características, Ex: genes virais para produção de toxinas por diversos patógenos bacterianos

Ciclo lisogênico

Transdução Definição: transferência de DNA da célula doadora para a célula receptora por meio de bacteriófagos Tipos -Generalizada: qualquer gene do doador bacteriano pode ser transferido para a receptora -Especializada: apenas certos genes do doador são transferidos à célula receptora

Transdução Generalizada Infecção da bactéria doadora Replicação do fago e degradação do DNA da hospedeira Montagem e liberação das partículas do fago Infecção da célula receptora Recombinação homóloga Vetor: bacteriófagos líticos- o DNA do doador em pedaços menores é empacotado em seus capsídeos

Transdução Generalizada

Transdução Especializada Excisão do profago Replicação do DNA, montagem das partículas e liberação dos fagos Infecção da célula receptora Lisogenização da receptora Vetor: bacteriófagos temperados- diferentes fagos transferem diferentes genes

Integração do fago ao genoma bacteriano gal bio gal bio gal bio

Transdução Especializada gal bio gal gal bio bio gal bio bio

Lesões e mutações O genótipo de uma bactéria pode ser modificado por mutações que são alterações hereditárias no material genético. Lesões no DNA- qualquer alteração na estrutura do DNA; pode incidir sobre o grupamento fosfato, desoxirribose ou base nitrogenada. Não são hereditárias (não se perpetuam entre as células filhas); podem ser corrigidas por mecanismos de reparo específico ou acabam por levar a célula à morte ou a dar origem a mutações. Mutações- alterações no conteúdo informacional do DNA (bases nitrogenadas); modificações na seqüência ou número de bases. São hereditárias.

Origens das mutações Mutações podem ocorrer: - Espontaneamente - Induzidas por tratamento com material químico, físico ou biológico

Mutações espontâneas Substituição de base única - Missense - Nonsense - Mutação silenciosa Inserção e deleção

Substituição de base única Transição: - Purina-purina (A ou G) - Pirimidina-pirimidina (C ou T) Transversão: - Purina-pirimidina - Pirimidina-purina

Substituição de base única

Substituição de base única Mutação silenciosa - Alteração no códon não altera o AA Diferentes códons codificam um mesmo AA

Mutação Missense - Alteração de um códon altera o AA - Efeito variavel Substituição de base única

Substituição de base única Mutação Nonsense - Formação de códon de parada (TAA, TAG, ou TGA) Proteína truncada

Inserção e deleção Adição ou remoção de n o variável de PB N o de PB não múltiplo de 3 é adicionado ou removido: Mutação Frameshift Mudança da matriz de leitura

Inserção e deleção

Causas de mutação espontânea Erros de replicação do DNA Dano ao DNA (tautomerização, deaminação, oxidação e alquilação) Seqüências altamente repetitivas

Causas de mutação espontânea Agentes químicos (Ex: agrotóxicos, conservantes) Agentes físicos (Ex: luz UV, raios X) Agentes biológicos (Ex: elementos de transposição)