Genética Bacteriana

Genética Bacteriana
Julliane Dutra Medeiros
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A célula bacteriana
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Relembrando conceitos...
Genoma – informação genética de uma célula (cromossomo e plasmídeos)
Estruturas contendo DNA que transportam fisicamente a
informação hereditária, contém os genes
Segmentos de DNA que
codificam produtos
funcionais
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Cromossomo bacteriano
• Molécula de DNA dupla fita circular (maioria);
• Disperso no citoplasma (nucleoide);
• 1 cromossomo (maioria);
• Haploides – um único conjunto de genes;
• Todas as informações essenciais para a sobrevivência da célula;
• 88% regiões codificadoras; 1% genes codificadores de rRNA e tRNA;
~10% regiões regulatórias (promotor, operador, origem em termino
da replicação);
• Genes organizados na forma de operon.
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Cromossomo bacteriano
• Operons:
• Agrupamento de genes estruturais localizados em sequência no cromossomo
bacteriano que são regulados em conjunto.
• A região reguladora é composta por um promotor e operador.
• Promotores são sequências de nucleotídeos que controlam a expressão (taxa
de transcrição) de um gene.
• Operadores são sequências de nucleotídeos que sinalizam para parar ou
prosseguir a transcrição.
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Cromossomo bacteriano
O DNA da E. coli, tem cerca de 4,6 milhões de pares de
bases e possui cerca de 1 mm de comprimento – mil
vezes maior que toda a célula.
O cromossomo ocupa apenas cerca de 10% do volume
celular.
DNA é superenovelado!
E. coli K12
4.6 Mb
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Fluxo da informação genética
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Replicação DNA
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Replicação DNA
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Replicação DNA
Replicação do DNA é bidirecional.
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Replicação DNA
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Expressão
• Como a informação no DNA e utilizada para produzir as proteínas que
controlam as atividades celulares?
• No processo de transcrição, a informação genética é copiada no DNA,
em uma sequência de bases de RNA.
• A célula usa, então, a informação codificada neste RNA para sintetizar
proteínas especificas pelo processo de tradução.
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Transcrição
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Tradução
• Decodificação da “linguagem” de ácido
nucleico e conversão para a “linguagem” das
proteínas.
• O mRNA está organizado em forma de
códons.
• Grupos de três nucleotídeos, como AUG, GGC ou
AAA.
• A sequência de códons em uma molécula de
mRNA determina a sequência de aminoácidos
que estarão na proteína a ser sintetizada.
• Cada códon codifica um aminoácido
especifico.
Código genético é degenerado.
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Tradução
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Tradução
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Tradução
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Tradução
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Tradução
A transcrição e tradução ocorrem
simultaneamente.
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Plasmídeos bacterianos
• Elemento genético além do cromossomo;
• Moléculas de DNA dupla fita;
• Circulares;
• Menores que os cromossomos;
• Replicam independentemente do cromossomo;
• Podem estar presentes em muitas cópias em uma única célula;
• Bactérias Gram positivas e Gram negativas;
• Carregam informação genética não essencial a célula, mas podem conferir
uma vantagem adaptativa.
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Plasmídeos bacterianos
• Carreiam genes que exercem influência
no fenótipo da célula.
• Plasmídeo de resistência – ameaça a
terapia antimicrobiana
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DNA móvel: elementos transponíveis
• Segmentos distintos de DNA que movem-se como unidade; no
interior de outra molécula de DNA.
• Sempre inseridos em cromossomos, plasmídeos ou genoma viral.
• São replicados quando a molécula de DNA do hospedeiro é replicada.
• Podem afetar a expressão de outros genes.
• Sequências de inserção (IS) e transposons.
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DNA móvel: elementos transponíveis
• Sequências de inserção (IS):
•
•
•
•
Elementos simples, com aproximadamente 1000pb;
Repetições invertidas (10-50pb);
Único gene: transposase (tnp).
Contém apenas o necessário para sua transposição.
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DNA móvel: elementos transponíveis
• Transposons:
• Estruturas maiores e mais complexas;
• Mesmos componentes essenciais: Repetições invertidas e transposase (tnp).
• A transposase reconhece as repetições invertidas e desloca o segmento de DNA
flanqueado por ela, para um outro sítio.
• Codificam genes de resistência a drogas, síntese de toxinas e enzimas degradativas.
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DNA móvel: elementos transponíveis
• Transposição:
• Pode afetar a expressão de genes.
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Integrons
• São sistemas que conseguem capturar e
utilizer elementos genéticos móveis (cassetes
gênicos).
• Os cassetes geralmente estão associados com
resistência a antimicrobianos.
• Fator de disseminação de resistência.
• Estrutura:
• Gene codificador de integrase (intI). Proteína da
família das recombinases.
• Sítio de recombinação (attI).
• Promotor constitutive (Pc).
• Para o cassete gênico ser integrado tem que possuir
attC.
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Variabilidade Genética
Mutação: alteração na sequência de
bases do DNA sem aquisição de genes de
outro microrganismo.
Recombinação genética: alteração no
genótipo que ocorre pela aquisição de
material
genético
de
outro
microrganismo.
Processo vertical
Ocorre durante
replicação
cromossomo
Processo
horizontal
Ocorre durante
transformação,
transdução e
conjugação
Mutações
• DNA é estável e a replicação é precisa. Mesmo assim mudanças e
erros acontecem.
• Mutações: Alteração herdada da informação genética.
• Fonte de variação genética, matéria-prima para evolução.
• Baixos níveis de “erros” são toleráveis.
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Mutações
• Substituição:
• Tipos:
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Mutações
• Inserções e deleções :
• Alteração na matriz de leitura
• Inserção e deleção múltiplos de 3 não afetam a matriz.
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Arginine
Arg
C G A U C G A U C G A U
Serine
Isoleucine
Asparagine
Ser
Iso
Asp
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Deleção
Arginine
C G A
Arg
C G A U C G A U
Arginine
Serine
Arg
Ser
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Mutações
• A) Sentido trocado; B) Sem sentido; C) Silenciosa.
Mutação no início da
sequência do mRNA a
proteína será muito
encurtada e não funcional
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Mutações
• Mutação neutra: Mutação de sentido trocado que não altera a
função da proteína.
• O aa substituído é quimicamente similar ou não afeta o funcionamento da
proteína.
Ex: AAA
(Lisina)
AGA
(Arginina)
Ambos aa básicos
• Mutação de perda de função: Causa a ausência completa ou parcial
do funcionamento normal da proteína.
• Mutação de ganho de função: Produz uma característica nova.
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Causa das mutações
• Mudanças espontâneas: Mudanças naturais na estrutura do DNA.
• Erros durante a replicação.
• Mudanças induzidas: Mudanças no DNA causadas por substâncias
ambientais ou radiação.
• Nitrosoguanidina, óxido nitroso, UV.
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Recombinação Genética
• Troca de genes entre moléculas de DNA para formar uma nova
combinação de genes no cromossomo (plasmídeos).
• Assim como as mutações, contribui para o aumento da diversidade
genética. Fonte de variações para evolução.
• Recombinação pode ser mais benéfica do que mutações.
• Menor probabilidade de alterações negativa nos genes.
• Combinação de genes que permite ao organismo uma característica
adaptativa.
Recombinação Genética
Transformação
Conjugação
Transdução
Incorporação
de DNA livre,
geralmente
decorrente
de lise
celular
Transferência
de DNA de uma
bactéria para
outra que
envolve o
contato entre as
duas células
Transferência
de material
genético
mediada por
bacteriófago
Conjugação
• Transferência genética envolvendo contato
célula-célula é chamado de Conjugação.
• Não envolve transferência recíproca de material
genético, é unidirecional. Célula doadora para
célula receptora.
• Depende de um fator de fertilidade (fator F).
• Presente em células doadoras (F+) e ausente em
células receptoras (F-).
Conjugação
• Fator F
• Plasmídeos conjugativos.
• Origem de replicação.
• Genes para conjugação.
• Pili sexual: finas extensões na
membrana celular pela qual
ocorre a transferência do material
genético.
Conjugação
• Só ocorre entre célula que possui F e uma que não possui.
• Células F+, Células Hfr.
Conjugação
O plasmídeo pode
não ser transferido
totalmente.
Células Hfr (high-frequency),
o fator F é integrado ao
cromossomo bacteriano.
Transformação
• É um processo que requer a captação do DNA do ambiente e a sua
incorporação ao cromossomo bacteriano ou plasmídeos.
• Bactérias mortas se rompem e espalham material genético no
ambiente.
• Importante via de troca genética entre bactérias de diferente
espécies.
• As células que captam DNA são denominadas células competentes.
Transformação
Transdução
• Processo de transferência de material genético através de bacteriófagos.
Requer:
• Fago degrade o cromossomo bacteriano;
• Embalagem não específica de DNA;
• Genes bacterianos se recombinem.