4. GENETICA BACTERIANA

GENETICGENETICAA BACTERIANĂBACTERIANĂ

Genetica bacterianaGenetica bacteriana

• Aportul geneticii bacteriene în domeniul biologiei moleculare este considerabil.

• Pentru bacteriologia medicală, acest aport este important mai ales pentru:– diagnosticul bacteriologic, în principal, identificarea

unor variante bacteriene şi explicarea achiziţiei sau pierderii virulenţei;

– descifrarea mecanismului de instalare a rezistenţei la antibiotice a bacteriilor patogene;

– tratamentul unor maladii infecţioase.


• EreditateaEreditatea: însuşirea tuturor vieţuitoarelor de a transmite : însuşirea tuturor vieţuitoarelor de a transmite caracterele specifice speciei la urmaşicaracterele specifice speciei la urmaşi

• VariabilitateaVariabilitatea: apariţia unor caractere diferite de cele ale : apariţia unor caractere diferite de cele ale genitorilor.genitorilor.

• Suportul material al eredităţiiSuportul material al eredităţii: ADN. : ADN. • Structura şi replicarea acestuia este similiară cu cea de la Structura şi replicarea acestuia este similiară cu cea de la

celulele eucariote.celulele eucariote.

• Proporţia de baze complementare este constantă în cadrul Proporţia de baze complementare este constantă în cadrul unei specii. Raportul adenină-timină/guanină-citozină unei specii. Raportul adenină-timină/guanină-citozină (AT/GC) serveşte drept criteriu taxonomic de bază în (AT/GC) serveşte drept criteriu taxonomic de bază în clasificarea modernă a bacteriilorclasificarea modernă a bacteriilor..

Organizarea materialului genetic la Organizarea materialului genetic la bacteriibacterii

Repliconi = formaţiuni genetice ce se replică independent

– cromozomul bacterian – elementele genetice extracromozomiale

plasmidele genomul bacteriofagilor

– elementele genetice transpozabile fragmentele de inserţie transpozonii).

1.1.Cromozomul bacterianCromozomul bacterian haploid haploid

codifică informaţiile absolut necesare supravieţuirii speciei în condiţii normale

organizarea dublu spiralata ADN asigură “împachetarea” economică a ADN şi o configuraţie optimă activităţii funcţionale a ADN (replicare, transcripţie, recombinare).

2. Formaţiunile genetice 2. Formaţiunile genetice extracromozomialeextracromozomiale

2.1. PLASMIDELE•Sunt molecule mici, circulare de ADN dublucatenar, extracromozomial.•Sunt capabile de replicare independenta de cromozomul bacterian.•Cu toate ca de obicei sunt extracromozomiale, ele se pot integra in cromozomul bacterian.•Codifica gene razpunzatoare de;

–Rezistenta la antibiotice–Rezistenta la metale grele (mercur, argint)–Rezistenta la lumina ultravioleta–Prezenta pililor (fimbrii) care mediaza aderarea bacteriilor de celulele epiteliale–Sinteza de exotoxine–Elaborarea de bacteriocine (enzime sau toxine produse de anumite bacterii care sunt letale pentru alte bacterii)

determinanţii genetici esenţiali ai plasmidelor codifică informaţiile legate de replicarea lor autonomă

determinanţii accesori codifică caractere fenotipice neesenţiale supravieţuirii celulei bacteriene în condiţii naturale

• gene de transfer (tra), • gene de rezistenţă la antibiotice (factorul R), • gene de secreţie a unor toxine etc.

Plasmide de interes medicalPlasmide de interes medical

• A. Plasmidele de virulenţă poartă determinanţii genetici ai unor factori de virulenţă – secreţia de enterotoxina (termolabilă şi termostabilă)– factorul de colonizare la Escherichia coli, – hemolizina la Staphylococcus aureus, Streptococcus

faecalis şi E.coli– exfoliantina la S. aureus– gena de invazivitate la Shigella

B. Plasmidele R -de rezistenţă (Factorul R) sunt molecule circulare de ADN care constau în esenţă din două regiuni genetice:

genele care codifică rezistenţa la antibiotice “R”, unice sau multiple (prin aglomerarea mai multor gene de rezistenţă R, pe acelaşi plasmid,)

genele “RTF” care conferă plasmidului capacitatea de a se transfera

Tn 9

Tn

21

Tn 10

Tn 8

RTF

R determinant

Peste 90% din tulpinile de spital prezintă o rezistenţă de tip plasmidic:

familia Enterobacteriaceae, genurile:Escherichia, Salmonella, Shigella, Proteus, Providencia, Klebsiella, Serratia

genurile Pseudomonas, Acinetobacter, Vibrio, Yersinia, Pasteurella, Campylobacter, Haemophilus, Neisseria, Bacteroides, Staphylococcus, Streptococcus, Bacillus, Clostridium, şi Corynebacterium.

Plasmidele prezente la bacilii gram-negativi sunt mai mari decât cele evidenţiate la bacteriile gram-pozitive.

C. Plasmidul F –plasmid de de sex – factor de fertilitate şi conţine genele de transfer ”tra” se pot transmite prin conjugaremediază transferul de gene de la o celulă donor la una receptor în funcţie de prezenţa factorului F

bacterii F- lipsite de factorul F, denumite celule femele şi care sunt receptoare de material genetic, bacterii F+, masculine, care au factorul F+, autonom, ca plasmid în citoplasmă şi care sunt celule donoare, bacterii Hfr care au factorul F+ integrat în cromozom, de asemenea masculine, bacterii F ‘ care au factorul F+ ca plasmid autonom, după ce acesta a fost integrat în cromozom şi l-a părăsit rupând un fragment ADN din cromozom.

2.2.2.2. Bactriofagii Bactriofagii (fagii)(fagii)

• sunt virusuri care infectează bacteriile.• Se cunosc numeroase specii de fagi

(peste 1700). • Aceste virusuri conţin un singur tip de acid

nucleic (ADN) înconjurat de o capsidă de natură proteică.

• Fagii existenţi în stadiul de virioni – particule fagice extracelulare – infectează o bacterie

MorfologieMorfologie

• un cap hexagonal alcătuit dintr-un înveliş proteic caracteristic virusurilor (capsida) şi adăposteşte ADN

• un gât • o prelungire numită picior (coadă).

– Coada este un cilindru rigid învelit într-un manşon proteic asemănător miozinei şi se termină cu o placă hexagonală ce conţine o enzimă de tipul lizozimului.

– De placa bazală se aprind 6 fibre cu rol în fixarea bacteriofagului pe suprafaţa bacteriei

Bacteriofagul

Structura Structura bacteriofaguluibacteriofagului

Coadă

Fibrele

Placa bazală

Cap, capsidă

Manşon contractil

2.3 2.3 Elemente genetice transpozabile

Fragmentele de inserţie (IS)Fragmentele de inserţie (IS)fragmente mici de ADN fragmente mici de ADN (fac parte in mod normal din (fac parte in mod normal din plasmid/cromozom)plasmid/cromozom) cu limite structurale bine precizatecu limite structurale bine precizate se pot integra repetat în mai multe situsuri dintr-un genom. se pot integra repetat în mai multe situsuri dintr-un genom. Transpozoni (Tn)Transpozoni (Tn)Sunt fragmente de ADN care se deplaseaza dintr-un loc in altul, fie Sunt fragmente de ADN care se deplaseaza dintr-un loc in altul, fie in cadrul aceleias molecule de ADN, fie de la o molecula de ADN la in cadrul aceleias molecule de ADN, fie de la o molecula de ADN la alta .alta .Poarta porecla de “jumping genes”Poarta porecla de “jumping genes”Spre deosebire de plasmide si bacteriofagi, nu se pot replica Spre deosebire de plasmide si bacteriofagi, nu se pot replica independent, ei se replica in cadrul ADN-ului recipient.independent, ei se replica in cadrul ADN-ului recipient.Codifica enzime raspunzatoare de rezistenta la antibioticeCodifica enzime raspunzatoare de rezistenta la antibiotice..


• Studiul variantelor bacteriene a permis explicarea apariţiei variaţiilor fenotipice şi genotipice, la bacterii, prin mai multe mecanisme, cum sunt:

- mutaţiile cromozomiale;

- transferul de material genetic;

- ingineria genetică.

• Mutaţiile pot fi întâlnite la două nivele:• molecular – mutaţii genetice moleculare,

caracterizate prin modificări la nivelul secvenţelor de nucleotide a unei gene din ADN-ul bacterian;

• celular – determină apariţia, în sânul unei populaţii suşe, de bacterii diferite faţă de cele de origine. De exemplu, apariţia unor mutante rezistente la unele antibiotice (streptomicina)

Genetica bacteriana Genetica bacteriana 1.Mutatiile cromozomiale 1.Mutatiile cromozomiale

Genetica bacteriana Genetica bacteriana 1. Mutatiile cromozomiale1. Mutatiile cromozomiale

• Constau în schimbări ale mesajului genetic apărute ca urmare a unor modificări accidentale în secventa nucleotidică a unei gene.

• Mutatiile pot apărea prin – substitutii,– insertii, – inversii, – deletii la nivelul materialului genetic

Genetica bacteriana Genetica bacteriana 1. Mutatiile cromozomiale1. Mutatiile cromozomiale

• Mutatia spontană –apare în conditii de mediu obisnuite fără a se putea identifica interventia unui factor.

• Mutatia indusă –se produce sub actiunea unor factori fizici (raze UV, radiatii ionizante etc.) sau chimici (agentii alchilanti, coloranŃi etc.) – factori sau agenti mutageni.

• Mutatiile induse sunt mai frecvente decat cele spontane

2. TRANSFERUL DE MATERIAL GENETIC LA BACTERII

• Schimbul de gene este posibil prin transferul unor fragmente de ADN de la o bacterie donatoare la alta, receptoare.

• Acest schimb este posibil prin trei mecanisme:– transformare – sau adiţie de fragmente de ADN

„străin”;– transducţie – rezultat al infecţiilor bacteriilor cu

bacteriofagi;– conjugare – un proces care se realizează prin

contactul prealabil al bacteriilor donatoare ca conţin un factor de fertilitate, notat F+, cu bacteria receptoare – F-.

• În urma transferului de material genetic de la o bacterie la alta, are loc un proces de recombinare între exogenat (genele bacteriei donatoare) şi endogenat (genele complementare ale bacteriei receptoare), luând naştere un cromozom recombinat.

• Astfel, informaţia transferată (achiziţionată), fiind stabilă, va fi transmisă în urma diviziunii celulare la bacteriile fiice.

2. TRANSFERUL DE MATERIAL GENETIC LA BACTERII

2.1.Transformarea

• Acest mod de transfer al genelor este de obicei un fenomen de laborator, dar natural transformarea poate fi observată în culturi pentru unele bacterii.

• Astfel, transferul de ADN poate avea loc spontan, prin liză celulară, în urma eliberării acestuia în mediul de dezvoltare al bacteriei (sau mai frecvent prin extracţie chimică).

• Transformarea constituie, din punct de vedere istoric, primul model de transfer cunoscut şi care este realizabil doar pentru un număr limitat de specii bacteriene.

• Acest fenomen a fost descoperit de Griffith în 1928, în urma inoculării subcutanate la şoareci a unei tulpini de pneumococi capsulaţi, vii, dintr-o cultură de tip S, provocând astfel, o septicemie mortală.

• Prin inocularea aceleaşi tulpini de pneumococi omorâţi prin căldură, nu se mai produce moartea animalelor.

• De asemenea, şoarecii nu mor nici atunci când le sunt inoculaţi pneumococi neîncapsulaţi, obţinuţi din colonii de tip R.

• Dar, dacă inocularea se face cu un amestec de neîncapsulaţi (R), vii şi de pneumococi încapsulaţi omorâţi prin căldură, animalele de laborator fac septicemie mortală.

• Din hemocultura acestor animale s-au izolat colonii de pneumococi S (virulente), ceea ce demonstrează reversia din pneumococi nevirulenţi în pneumococi virulenţi, în urma transformării ADN –ului bacterian.

2.1.Transformarea

2.1. Transformarea2.1. Transformarea

• Acest fenomen descoperit iniţial la o bacterie gram pozitivă interesează şi unele bacterii gram negative.

• Transformarea cuprinde mai multe faze:–apariţia stadiului de competenţă şi

fixarea la suprafaţa celulei receptoare a ADN-ului celulei donatoare;

–penetrarea ADN-ului donator şi integrarea acestuia în cromozomul bacteriei receptoare.

2.1.Transformarea

• Practic, transformarea, pe lângă importanţa istorică, prezintă interes în – genetica microbiană (analize genetice şi

cadrul genetic) şi – în ingineria genetică (utilizată pentru

penetrarea genelor de origine umană sau animală, fie direct, fie prin intermediul unor vectori sau a plasmidelor, într-o bacterie – şi elaborarea de proteine care pot fi extrase ulterior – insulină, somatostimuline, etc).

2.1.Transformarea

2.2. Transducţia

• Este modalitatea de transfer al unui fragment de ADN de la o bacterie donatoare la alta receptoare, prin intermediul bacteriofagilor temperaţi.

• Bactriofagii (fagii) sunt virusuri care infectează bacteriile.

• Se cunosc numeroase specii de fagi (peste 1700). • Aceste virusuri conţin un singur tip de acid nucleic

(ARN sau ADN) înconjurat de o capsidă de natură proteică.

• Fagii existenţi în stadiul de virioni – particule fagice extracelulare – infectează o bacterie.

2.2. Transducţia - Bacteriofagul

2.2. Transducţia

• Se disting două tipuri de infecţie cu bacteriofagi:– infecţia litică – determinată de fagii virulenţi (de exemplu, fagii T2 ai

bacteriei Escherichia coli) – care se multiplică în celula bacteriană şi duce întotdeauna la liza acesteia;

– infecţia lizogenă – produsă de fagii temperaţi (exemplu, fagul lambda al bacteriei Escherichia coli) care infectează bacteria fără a o distruge obligatoriu

• Dar, între bacteriile infectate există unele în care se produc fagi care vor fi eliberaţi prin liza celulei bacteriene.

• În cele mai multe bacterii însă există ADN-ul fagic, integrat în ADN-ul bacterian, împreună cu care se replică.

• În această stare integrată ADN-ul fagic, poartă numele de profag.

2.2. Transducţia

• Unii profagi pot modifica fenotipul şi genotipul bacterian – conversie lizogenă – care poate duce la apariţia de noi funcţii (de exemplu: modificarea proprietăţilor antigenice - Salmonella), producerea de toxine (Corynebacterium diphteriae, Streptococcus pyogenes – toxina eritrogenă).

• Se disting două variante ale fenomenului de transducţie:– transducţia specializata sau restrictivă;– transducţia generalizată.

2.2. Transducţia

• Transducţia specializata sau restrictiva– fagul transductor transferă un număr mic de

gene aflate în imediata apropiere a situsului de legare a profagului în cromozomul bacterian

• Transducţia generalizată sau nerestrictiva.

• În urma infecţiei fagice, bacteriofagul poate încorpora nu numai genomul fagic ci şi o foarte mică parte din genomul bacterian, pe care noul bacteriofag îl poate introduce într-o altă bacterie.

• Acest fragment de ADN bacterian transferat poate fi integrat în cromozomul noii bacterii infectate prin recombinare, obţinându-se astfel, bacterii cu noi caractere – mutante, rezistente, de exemplu.

2.2. Transducţia

2.2. Transducţia

2.3. Conjugarea2.3. Conjugarea

• Este cel de al treilea mecanism de transfer genetic la bacterii şi care contact direct între celula donatoare şi celula receptoare

• Reprezintă modul de transfer al plasmidelor, care sunt molecule de ADN extracromozomial, purtătoare de informaţii foarte variate.


Dintre cele mai bine cunoscute plasmide fac parte:• factorii de sex – notaţi F+;• factorii col – purtători de gene care codifică producerea de

colicine (toxine letale – bacteriocine, produse de bacteriile coliforme);

• factori de rezistenţă (R) – la antibiotice şi antiseptice; un singur plasmid, de exemplu, poate fi purtător de gene pentru rezistenţă la streptomicină, cloramfenicol, tetraciclină şi sulfamide;

• plasmide pentru penicilinază ale stafilococilor; acestea sunt purtate de către gene pentru sinteza penicilinazei, gene diferite de factorii R;

• factori de virulenţă – prin care poate fi mediată plasmidic patogenitatea unor suşe bacteriene.

2.3. Conjugarea2.3. Conjugarea• Majoritatea plasmidelor pot fi transferate prin

mecanism de conjugare şi mai ales plasmide col, R şi plasmidele F.

• Plasmidul F poate trece de la o bacterie F+ la altă bacterie F- - păstrându-se în stare autonomă.

• Plasmidul F poate trece cu uşurinţă din stare autonomă (F+) în stare integrată în cromozom şi atunci a fost notat Hfr (high frequency of recombination).

• În cazul bacteriilor Hfr, plasmidul F integrat asigură transferul liniar şi orientat al genelor, dar cu origini şi direcţii diferite.

2.3. Conjugarea2.3. Conjugarea• Convenţional s-au definit mai multe etape ale

procesului de conjugare:– formarea perechilor specifice donor – receptor – care

depinde de prezenţa pililor de pe suprafaţa celulelor donor;– formarea unei punţi de legătură, între celula donor şi

receptor, punte care a fost vizualizată la microscopul electronic şi care serveşte la realizarea transferului de material genetic;

– transferul materialului genetic, care are loc după replicarea unei catene a plasmidului conjugativ, fie din plasmid fie dintr-o regiune a cromozomului, care pătrunde prin puntea de legătură în celula receptoare.

Ingineria genetică

•Existenţa Existenţa vectorilor (plasmide, bacteriofagivectorilor (plasmide, bacteriofagi şi în ultimul timp descoperirea existenţei unor şi în ultimul timp descoperirea existenţei unor transpozonitranspozoni ce se pot transmite de la o celulă ce se pot transmite de la o celulă bacteriană la alta) permite bacteriană la alta) permite transferul de gene transferul de gene celulei bacterienecelulei bacteriene, ceea ce consituie baza , ceea ce consituie baza ingineriei genetice.ingineriei genetice.•Bacteria preferată a ingineriei genetice este Bacteria preferată a ingineriei genetice este E.coliE.coli,, care în mod natural nu este capabilă de care în mod natural nu este capabilă de transformare, dar căreia transformare, dar căreia prin clonare i s-au prin clonare i s-au introdus în genom cei mai diverşi determinanţi introdus în genom cei mai diverşi determinanţi geneticigenetici provenind de laprovenind de la organisme îndepărtate organisme îndepărtate filogenetic, cum sunt filogenetic, cum sunt omul şi animaleleomul şi animalele. . •Prin această tehnică se introduc în genomul Prin această tehnică se introduc în genomul bacterian bacterian gene care codifică sinteza unor gene care codifică sinteza unor substanţe ca, de exemplu, interferoni, insulină, substanţe ca, de exemplu, interferoni, insulină, STHSTH etc., a căror obţinere pe cale chimică ar fi fie etc., a căror obţinere pe cale chimică ar fi fie imposibilă, fie foarte costisitoareimposibilă, fie foarte costisitoare.

AplicaAplicaţţiiiile le biotehnologiei biotehnologiei moleculare moleculare îîn diagnosticul clinicn diagnosticul clinic

• Au permis apariţia unei noi discipline: diagnosticul molecular – reprezentând utilizarea probelor de acizi nucleici în diagnosticul bolilor– boli infecţioase,– neoplasme,– boli ereditare

• O altă aplicaţie : amprenta ADN - permite diferenţierea indivizilor prin utilizarea unor fragmente minuscule de ţesut sau probe de sânge

4. GENETICA BACTERIANA

Documents

Transcript of 4. GENETICA BACTERIANA