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GENÉTICA

BACTERIANA

Ph.D. Germán Hermosilla D.Programa de Microbiología y MicologíaICBM, Facultad de Medicina, Universidad de Chile

INFORMACIÓN GENÉTICA EN BACTERIAS

CROMOSOIDE BACTERIANO

ELEMENTOS EXTRACROMOSÓMICOS

Plásmidos

Transposones

Fagos

Integrones y Cassettes Génicos

Islas Genómicas

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DNA de doble hebra circular, de alto peso molecular (4,6x106 pb en E. coli).

Molécula altamente compactadaNucleoide (FIS, H-NS, HU e IHF).

Replicación del DNA acoplada a la división celular.

CROMOSOIDE BACTERIANO

TAMAÑO CROMOSOIDE BACTERIANO

5,8x105 a 107 pb

Mycoplasma genitalium580.073 pb of ADN (codifica para 517 genes)

¿el más pequeño…?

Tamaño genómico y número de genes en bacterias y arqueas (Gregory and DeSalle, 2005).

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TAMAÑO CROMOSOIDE BACTERIANO

Tamaño genómico en bacterias con diferentes estilos de vida

Carsonella (dark blue) vive dentro de la célula, alrededor del núcleo (light blue) de un insecto. Nakabachi et al. (2006).

159.662 pb (189 genes)

5,8x105 a 107 pb

ORGANIZACIÓN GENÓMICA

Cromosoides circulares Escherichia coli 1Rhodobacter sphaeroides 2Brucella melitensis 2Leptospira interrogans 2Rhizobium meliloti 3Burkholderia cepacia 3

Cromosoides lineales Borrelia burgdorferi 1Streptomyces lividans 1Rhodococcus fascians 1

Cromosoides circulares Agrobacterium tumefaciens 1+1y lineales

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ESTRUCTURA FÍSICA DE LA DOBLE HELICE

COMPACTACIÓN DEL DNA

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SOBRE-ENROLLAMIENTO EN E. coli

Proteína Subunidad Gene

FIS 2 fisH-NS 6 hnsHU hupB ()

hupA ()

IHF himA ()himD ()

Proteínas asociadas al ADN

Dominio sobre-enrollado (#50)

Nucleoide

1 mm

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REPLICACIÓN DEL ADN BACTERIANO

Replicación del ADN estáacoplado a la división celular

El origen de replicación en E. coli es una secuencia de 245 pb que contiene una secuencia de 13 pb, repetida tres veces en tándem. Además, esta región contiene cuatro zonas de unión a la proteína Dna A que se encarga de separar las hélices para comenzar la replicación

Experimento de pulso y caza

La replicación es bidireccional

Burbuja Letra griega θ

Origen de Replicación

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¿Cómo la replicación del ADN está acoplado a la división celular?

Regulación de la síntesis de DnaA.

Dam metilasa y SeqA regulan el inicio de la replicación por secuestro de la región OriC.

(OriC y región promotora de del gen dnaA son ricas en sitios damGATC/CTAG)

(11 sitios dam en OriC. La hemimetilación inhibe el inicio de la replicación)

INFORMACIÓN GENÉTICA EN BACTERIAS

ELEMENTOS EXTRACROMOSÓMICOS

Plásmidos

Transposones

Fagos

Integrones y Cassettes Génicos

Islas Genómicas

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PLÁSMIDOS• Moléculas de ADN circular

extracromosómico

• Origen de replicación propio (ORI), determina el rango de hospederos

• Tamaño molecular 1kb a 200kb

Plásmidos Auto-transferibles: Genes tra(Pilina, helicasa, primasa, chaperonas, etc)

Plásmidos Movilizables: Genes mob, Ori T

• Número de copias por célula es variable

• Transportan información genética no esencial

• Pueden portar genes de virulencia o resistencia a antibióticos

• Grupos de incompatibilidad: Replicación y Partición. Ej. IncW, IncPe IncN

TRANSPOSONES

Transposasa

Transposasa Transposasa

IS50L IS50RKm

(Resistencia a kanamicina)

Elemento de Inserción (IS 1)

Transposón Compuesto(Tn 5)

Transposasa ResolvasaAp

(Resistencia a ampicilina)Transposón NO-Compuesto (Tn 3)

• No se reproducen en forma autónoma

• Elementos genéticos móviles (0.75kb a 10 kb) Transposición

• Recombinación no homóloga

• Transposición:“Cortar y Pegar” (IS y transposones compuestos)Replicativa (transposones no-compuestos con resolvasa)

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INTEGRONES Y CASETES GÉNICOS

FAGOS• Partículas virales que infectan

bacterias

• Genoma ADN o ARN, encapsulado por proteínas

• Adsorción: unión a receptores específicos de la pared celular

• Pueden establecer un ciclo lítico o lisogénico

• Para integrarse reconocen secuencias específicas en el genoma bacteriano

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TRANSFERENCIA GENÉTICA HORIZONTAL

TRANSFORMACIÓN

TRANSDUCCIÓN

CONJUGACIÓN

TRANSFORMACIÓN

PLASMIDOS: Plásmidos R Shigella, E. coliPlásmidos col Bacteriocina E1Plásmidos de virulencia Shigella 200 Kb

Yersinia 70 Kb (Yops)Plásmidos metabólicos P. putida (Tol)

FRAGMENTOS DE DNA LIBRES

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TRANSDUCCIÓN

Ciclo Lisogénico, P1 y P4

Ciclo Lítico(T4 y T7)

Generalizada: P1 y P22

Especializada:

CONJUGACIÓN

PLÁSMIDOS AUTO-TRANSFERIBLES : Factor F y pKM101

TRANSPOSONES CONJUGATIVOS : Tn916 (E. faecalis)

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TRANSFERENCIA GENÉTICAEN EL AMBIENTE

FENOTIPOS ADQUIRIDOSEN EL AMBIENTE

• Resistencia a metales pesados

• Resistencia a antibióticos

• Nuevas capacidades metabólicas

• Adquisición factores de virulencia

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TRANSFERENCIA ENTRE REINOS

Integrón(Resistencia Antibiótico)

BACTERIA

Tn5090 pR7S1 (IncP)Plásmido Promiscuo

LEVADURA

TRANSFERENCIA ENTRE REINOS

Plásmidos autotranferibles“promiscuos”

IncW

IncP (RP4)

IncV

Gram (-) Gram (+)

Gram (-) Cianobacterias

Gram (-) Plantas

Bacterias Bacterias

Bacterias Archea

Eucariontes Bacterias

Bacterias Eucariontes

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ISLAS GENÓMICAS

• Flanqueada por secuencias repetidas directas

• Contiene un gen para movilidad, como integrasa o transposasa

• Elementos relacionadas a secuencias de inserción y transposones

• Regiones con contenido G+C diferente al genoma

• Uso de codones diferentes

• Abundancia relativa de dinucleotidos o tetranucleótidos

• Próximos a genes de tRNA

• Estabilidad de la región (pérdida y/o adquisición)

ISLAS DE PATOGENICIDAD• Presence in pathogenic strains, and absence (or sporadic

distribution) in less pathogenic strains of the same or a related species

• Carriage of (often many) virulence genes (toxins, adhesins, invasins, secretion systems (type III, type IV) and theirsubstrates (effectors)

• Expression of acquired genes is under the control of chromosomal or PAI-encoded regulators; interaction of thePAI with the genome is required. E.g.: expression of invasion genes within the Salmonella SPI-1 is governed bythe PhoP/PhoQ two-component system outside of SPI-1.

Bacteria

Elemento Genético Móvil

Mayor Fitness(adecuación)

Adquisición de bloques de genes

Selección

Adecuación ecológica

Interacción Saprofítica

Simbiosis Patogenicidad

AMBIENTE HOSPEDERO

Especialización

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ISLAS DE PATOGENICIDAD EN E. coli K12

UPECEPEC/EHEC

Shigella (SHI-2)Salmonella (SPI-3)

Sepsis E. coliUPEC

UPECUPEC

UPECUPEC

Sepsis E. coliMeningitis E. coli

EHEC

EHEC

UPECEHEC

Salmonella (SPI-5)

EHEC

EHEC

Salmonella (SPI-2)

TGH y PATOGENICIDAD DE Escherichia coli

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Distribución de ADN codificante de proteína adquirido por TGH

plásmidos, transposones, fagos

mecanismo desconocido