Genética Bacteriana

Universidade Federal de Juiz de Fora
Departamento de Microbiologia, Parasitologia e Imunologia
Genética Bacteriana
Prof (a) Dra. Luciana Debortoli de Carvalho
Introdução
• O DNA existe como uma hélice de fita dupla,
mantidas pelo pareamento de bases
nitrogenadas específicas (A =T; C=G).
-A seqüência de bases codifica a informação
genética;
-A estrutura complementar do DNA permite a
duplicação precisa do DNA durante a divisão
celular.
• Gene é um segmento de DNA que codifica
um produto funcional – a proteína. A
seqüência de um gene é transcrita para
produzir uma molécula específica de RNA, o
RNAm. A informação do RNAm, então, é
traduzida em uma seqüência específica de
aminoácidos que formam uma proteína.
Introdução
A célula bacteriana é a menor entidade viva auto-sustentável
governada por informações genéticas.
O Mycoplasma é a bactéria com menor genoma.
Tamanho do genoma: vírus < bactéria < célula eucariótica
ORGANIZAÇÃO DO GENOMA BACTERIANO
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.
A molécula de DNA e RNA
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 procariótico é semiconservativa, 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
O Código Genético
Diferenças na transcrição e tradução nos procariotos e eucariotos
Elementos genéticos extracromossomais
Plasmídios: 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.
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).
Possuem tamanho variando de 150 a 1500 pb, com repetições invertidas de 15 a 40 pb em suas
extremidades e informação genética mínima necessária para sua própria transferência.
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
Processo horizontal
Ocorre durante a replicação
do cromossomo bacteriano
Ocorre durante os processos
de conjugação, transformação
ou transdução
Variações fenotípicas X variações genotípicas
Variações Fenotípicas
Resultam das adaptações das bactérias ao ambiente. São reversíveis, sem comprometimento
genético.
Ex.: Serratia marcescens (37 ºC – sem pigmentação
25 ºC – vermelhas)
Bacillus sphaericus (2% peptona – células vegetativas
Gram positivos (cultura nova – células azuis
0,1% peptona – esporos)
cultura velha – células vermelhas)
Variações Genotípicas
Alterações na seqüência de nucleotídeos. São irreversíveis (através dos processos de mutação e
recombinação).
Principais tipos de mutação
Mutação puntiforme
Mutação por inserção
Mutação por deleção
Transposição
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
 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.
- ex: conversão de células atoxigênicas de Corynebacterium diphtheriae em toxigênicas, pelo
fago ß; a bactéria recebe um gene que codifica uma toxina, sendo este gene de origem viral.
Transformação: incorporação de DNA livre, geralmente decorrente
da lise celular
Várias bactérias são naturalmente transformáveis, entretanto, dentro de um gênero, nem todas as espécies o são.
Na natureza, o processo ocorre quando uma célula sofre lise, liberando seu DNA. Este, por ser de grande tamanho tende
a sofrer quebras, originando centenas fragmentos de aproximadamente 15 kb (o equivalente a cerca de 15 genes). Como
uma célula absorve poucos fragmentos, apenas uma pequena proporção de genes podem ser transferidos.
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.
O estabelecimento da competência é um fenômeno controlado, envolve a participação
de diferentes proteínas (ligação ao DNA, membrana, autolisinas, nucleases), e
depende de várias condições distintas nos diferentes microrganismos como fase de
crescimento, condições ambientais, temperatura e a concentração de cátions.
Experimento de Griffith
Frederick Griffith, 1928 - Evidência da transformação bacteriana (Streptococcus pneumoniae)
As bactérias não-encapsuladas vivas absorveram material genético das encapsuladas mortas pelo calor e
passaram a produzir cápsula, o que lhes conferiu a capacidade de causar doença. As bactérias nãoencapsuladas 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 e contato entre as células; e a transferência do DNA plasmidial.
Conjugação:
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.
Transdução
generalizada
Transdução
especializada