genetica bacteriana
-
Upload
cristina-tefania-radulescu -
Category
Documents
-
view
35 -
download
4
description
Transcript of genetica bacteriana
Genetica bacteriana
Genetica bacteriana
• Genetica – studiul caracterelor ereditare si al variatiei acestora
• Gena – secventa ADN care codifica un produsspecific (ARN, proteina)
• Genom – totalitatea genelor unui organism
Structura ADN
Bailey , Scott – Diagnostic Microbiology, 12th ed
Genetica bacteriana
Genomul bacterian
• Cromozom
• Plasmide
• Episomi – plasmide sau gene profagiceintegrate linear in cromosomul bacterian
Cromozomul bacterian
• molecula unica de ADN d.c. circular
• Contine genele care codificatoate caracterele esentialementinerii viabilitatii
• Atasat unui situs membranarde replicare
• 1-2 mm lungime (cromozomul E coli - 1300 µm lungime, dimensiunilebacteriei 1µm x 3µm)
• 2000 – 4000 gene
• 500 – 5000 kbJawetz, Melnick, Adelberg`s Medical Microbiology, 24 th ed
Plasmide
• Elemente genetice extracromosomale
• Atasate unui situs membranar de replicare
• Autonomie replicativa
• <5% din cromozom
• Prezente la unele bacterii (caracter de tulpina)
• Celula bacteriana – numar variabil de plasmide
• Codifica unele caractere necesare bacteriilor pentrusupravietuire in conditii modificate de mediu (darexpresia acestor caractere creste timpul de generatie)
Plasmide
• Gene necesare pentru autonomia replicativa
• Gene care codifica structuri exprimate in fenotipulgazdei– Fact de virulenta (toxine, adezine etc)
– Enzime ale unor cai metabolice particulare
– Sinteza unor agenti antimicrobieni (bacteriocine)
– Factori de rezistenta la agenti antimicrobieni (beta-lactamaze)
– Criptice
• Gene care codifica structurile implicate in conjugareabacteriana (la plasmide conjugative)
Bacteriofagi (fagi)
• virusuri care se replica in celule bacteriene
• specificitate de specie
• Structura
– Cap - capsida (ADN sau ARN, 3-200 gene)
– Coada
• Teaca contractila
• Fibrele cozii
Bacteriofagi
• Fag virulent: stadiul de fag infectios si fag vegetativ
Bacteriofagi
• Fag temperat: fag infectios, profag si fag vegetativ
Bacteriofagi
• Bacterie lizogena – bact care gazduieste un profag(dupa un numar nedeterminat de diviziuni va genera fagi maturi)
• Genomul profagic se replica sincron cu cel bacterian
• In stadiul de profag genele vegetative sunt represate, fiind exprimate doar genele responsabile de replicarea genomului; uneori si gene exprimate in fenotipul bacterian
• Conversie lizogenica –aparitia unui caracter nou (ex producerea de toxina) la bacterii care gazduiesc un profag
Bacteriofagi
• Derepresia genelor vegetative – in functie de statusulbacteriei, stimuli externi (UV etc)
• Integrarea profagului in cromosom – aleatorie sausitus specifica
Genomul bacterian
• Cromozom
• Plasmide
• Episomi – plasmide sau gene profagiceintegrate linear in cromosomul bacterian
Elemente transpozabile
• elemente genetice mobile (“jumping genes”)
• fragmente de ADN capabile sa se insere si sa treaca de la cromozom la plasmide si invers
• nu exista independent in celula
• Secvente de insertie vs transpozomi
• structura– secv scurte (20-40 pb), inversate, dispuse la capetele
elementului; recunoscute de transpozaze
– gene care codifica transpozaze
– gene care codifica factori specifici (patogenitate, rezistenta la antibiotice) si se exprima in fenotipul gazdei; prezente doar la transpozomi, nu si la SI
Elemente transpozabile
Harvey, Cornelissen, Fisher – Microbiology, 3rd ed
Consecinte• integrare aleatorie - alterarea secventei genei in care se insera• transfer intercelular (prin plasmide sau fagi) - factor major in producerea variabilitatii genetice in populatiibacteriene (ex. – rezistenta la antibiotice)
Replicarea ADN-ului bacterian
• in cursul diviziunii celulare
• semiconservativa
• Bidirectionala
• Etape– derularea ADN
– Desfacerea celor 2 catene ADN parental – origineareplicarii – giraza si helicaza
– Sinteza noilor catene ADN – model semiconservativ – ADN polimeraza
– Terminarea replicarii
Replicarea ADN
Bailey , Scott – Diagnostic Microbiology, 12th ed
Expresia informatiei genetice
• in toate celulele vii, continuu (replicarea ADN doar in cursul diviziunii celulare)
• Structura genei– secv promotor
– Cadru de citire (ORF)
– secv terminator
• Operon – ansamblu de gene care au acelasi promotorsi terminator, iar reglarea transcrierii acestor gene se face prin intermediul aceleiasi secvente, numitaoperator
ex. - gene care codifica enzime implicate in aceeasi calemetabolica
Expresia informatiei genetice
Bailey , Scott – Diagnostic Microbiology,
• Transcriere– are loc in citoplasma
– ARN polimeraza recunoastesecventa promotor
– sinteza ARNm complementar
– unidirectionala 5` 3`
– ARNm bacterian – policistronic(codifica produsele genelorgrupate intr-un operon)
– ARN polimeraza recunoastesecventa terminator
– ADN-ul bacterian nu contineintroni
Expresia informatiei genetice
Bailey , Scott – Diagnostic Microbiology,
• Translatie – sinteza proteinelor, pe baza secventei ARNm(un codon – 3 nucleotide – codifica un aminoacid)
• Codul genetic – universal si redundant (43 = 64 codoni; 61 codifica20 aminoacizi)
Expresia informatiei genetice
Bailey , Scott – Diagnostic Microbiology,
• Translatie
• Etape
– Initierea – asocierea subunit ribosomale, ARNm, ARNtformilmetionina (codon start AUG), factori de initiere
– Elongarea• Polisomi – mai multi ribosomi pe acelasi ARNm
– Terminarea – codon stop (UGA, UAG sau UAA)
• Procese post-translationale
Reglarea expresiei informatiei genetice
Reglarea expresiei genice - responsabila de variatiafenotipica (nu toate genele sunt permanent exprimatefenotipic)
• gene care codifica produsi esentiali pentru viabilitateacelulei in orice conditii de mediu (gene constitutive) –exprimate continuu
• gene care codifica produsi necesari doar in anumiteconditii – expresia lor este controlata la nivel– Transcriptional
– Translational
– Post-transcriptional
Reglarea expresiei informatiei geneticela nivel transcriptional
Bailey , Scott – Diagnostic Microbiology,
• Represia = inhibitia transcrieriiunor gene in prezenta unui produsmetabolic
- genele care codifica enzimeleimplicate in sinteza unui anumitprodus nu sunt transcrise in prezentaacelui produs
- Produsul (corepresor) formeaza un complex cu represorul (proteinareglatoare) si se fixeaza pe regiuneaoperator, astfel fiind blocatatranscrierea genelor operonului
Reglarea expresiei informatiei geneticela nivel transcriptional
Bailey , Scott – Diagnostic Microbiology,
• Inductia- genele care codifica enzime
implicate in catabolizarea unuianumit substrat sunt transcrise doarin prezenta acestuia
- Represorul se fixeaza pe regiuneaoperator si blocheaza transcriereagenelor operonului
- Substratul (inductorul) – formeazaun complex cu represorul si reduce afinitatea represorului pt regiuneaoperator, astfel fiind indusatranscrierea
Reglarea expresiei informatiei genetice
Exemple
• Represia unor gene vegetative in cursul sporularii; inductia acelorasi gene declanseaza germinarea (prinmodificarea specificitatii ARN polimerazei)
• Inductia sintezei unor β-lactamaze de catre antibiotice β-lactamice
• Inductia unor pompe de eflux de catre subst toxice(antibiotice, dezinfectante etc)
• Inductia (in prezenta lactozei) a enzimelor care degradeaza dizaharidul
• Represia sintezei unor aminoacizi in conditiile prezenteilor in mediu
Reglarea expresiei informatiei genetice
• Exista interactiuni complexe intre diferitelemecanisme reglatorii
• Diversitatea si interdependenta mecanismelorreglatorii – necesare pentru adaptarea rapidasi adecvata a microroganismului la variateconditii de mediu
Variatia bacteriana
Fenotipica• Indusa de interactiunea
genomului cu factori de mediu
• Reversibila
• Nu se transmite ereditar
• Prin controlul la niveltranscriptional, translational sauposttranslational
Genotipica• Modificare brusca,
(spontana sau indusa)
• Ireversibila
• transmisibila ereditar
• prin
– Mutatii
– Transfer de ADN
– Recombinare genetica
Mutatii
• Modificare in secventa nucleotidica a unei gene • Spontane - erori in cursul replicarii ADN
– ADN polimeraza realizeaza 1 eroare la 109 baze/celula/ciclu de replicare)
• Induse de agenti mutageni– fizici (radiatii ionizante, UV) – chimici (acid nitros, analogi nucleozidici, benzopiren etc); cresc rata mutatiilor de 10 – 1000 ori
• Mecanisme de reparare a ADN-ului: repararea prin excizie• Prezenta si manifestarea mutatiilor bacteriene – favorizate
de– Marimea populatiilor bacteriene– Caracterul diploid al genomului bacterian
MutatiiTipuri
• Substitutii – modifica un singur nucleotid dintr-un codon, care astfel poate deveni codon– sinonim – nu se modifica aminoacidul codificat
– nou – modificarea secventei de aminoacizi (mutatie cu sens gresit)
– non-sens - sinteza unui peptid incomplet (mutatie non-sens); daca mutatia non-sens este in prima genastructurala a unui operon – mutatie polara
GAG GAA GAG GTG GAG UAG
Glu Glu Glu Val Glu stop
Mutatii
• Microinsertii, microdeletii – insertia sau deletia a unul sau mai multe nucleotide (mutatii cu schimbarede proiect)
AUG GCU ACC GUC AUG AGC UAC CGU C..
Met – Ala – Tre – Val Met – Ser – Tyr – Arg - …
Mutatii
• Consecinta: modificarea unui caracter/ functii
• Reversia fenotipica
– Reversie genotipica – f rar
– Supresie - mutatii compensatorii - frecvent
Transfer genetic
• limitat la fragmente mici de ADN provenit de la o bacterie donor
• Bacteria receptor se apara de ADN-ul strain, daca ilrecunoaste ca atare - endonucleaze de restrictie
Endonucleaze de restrictie
• recunosc si cliveaza secvente specifice de 6-10 pbcare constituie un palindrom (se citesc identic in ambele sensuri)
• Fiecare specie are propriile enzime de restrictie
• Bacteria mascheaza situsurile de restrictie ale propriului ADN – prin metilarea nucleotidelor (A sauC) din pozitii specifice
• Metilarea – dupa sinteza catenelor de ADN
3`--GAATTC- -5` 3`--GA*ATTC- -5`5`--CTTAAG- - 3` 5`--CTTAA*G- - 3`
Transfer genetic
• Gene ale bacteriei donor pot persista
– integrate in cromosomul bacteriei receptor –consecutiv recombinarii genetice
– ca replicon – daca ADN-ul are informatii necesarepentru propria replicare
Recombinarea genetica
= schimb de gene intre doua molecule de ADN
• La eucariote – in cursul meiozei (reproduceresexuata) – transfer genetic vertical
• La procariote – in urma transferului genetic lateral (de la bacterii din aceeasi generatie)
• Fenomen rar - <1%
Recombinarea genetica
• Legitima – omologie intre secventele ADN donor sireceptor
– Generalizata
– Situs specifica
• Nelegitima – recombinarea catalizata enzimatic intresecvente diferite de ADN
– Transpozitia
Recombinarea legitima
• Generalizata
– prin ruperea si reunirea moleculelor de ADN, dupasubstituirea a 1-n alele intre ADN-ul donor si celreceptor
– controlata de genele rec
• Situs-specifica
– Situs de atasare – zona de omologie structuralaprezenta pe ambele elemente genetice: ADN receptor si plasmid/ profag
– integrarea unor episomi (factor F, profagi etc)
Transferul genetic
Mecanisme
• Transformarea
• Conjugarea
• Transductia (transferul mediat de bacteriofagi)
Transformarea
• Transfer de gene realizat prinintermediul ADN-ului liber(neincorporat in cromozom) provenit de la o bacterie donor siacceptat de bacteria receptor
• Griffith, 1928
• depinde de starea de competentaa bacteriei
• fenomen descris la pneumococi, Bacillus, Haemophilus, Neisseria
Transductia (transfer mediat de bacteriofagi)
Harvey, Cornelissen, Fisher – Microbiology, 3rd ed
Conjugarea
• Transfer genetic realizat prin contact fizic intre douabacterii, prin intermediul unor
– pili sexuali (bact Gram neg)
– molecule de adeziune (bact Gram poz)
• intraspecific si interspecific
• Bacteria donor – are plasmide conjugative (conjugoni), care codifica structuri si enzime necesare transferului(genele tra)
• Fiziologia si efectele conjugarii difera in functie de localizarea plasmidului (independent in citoplasma sauintegrat in cromosom)
Conjugarea prin pili sexuali
• Factorul F – plasmid care are numai geneletra
• Bact F+ (au pili sexuali), bact F- (receptori pt pili)
• Etape– pereche specifica
– pereche eficienta
– Replicare de transfer – o nucleaza cliveazauna dintre catenele ADN la origineatransferului, capatul 5` trece prin punteacitoplasmatica in celula receptoare; replicare pe matritele catenelor parentale, apoi circularizare
• Rezulta doua bact F+
Harvey, Cornelissen, Fisher – Microbiology, 3rd ed
Conjugarea intre bacterii Hfr si bacterii F-
• Bacterii cu factorul F episomal(integrat in cromosom) – transferafrecvent gene cromosomale: Hfr(High frequency of recombinations)
• transferul genetic – incepe cu genele cromosomale (episomul ar fiultimul transferat)
• Cuplul bacterian se separa inaintede transferul episomului
• Rezultat bact receptor ramane F-, dar primeste gene cromosomalecare codifica noi caracterefenotipice
Jawetz, Melnick, Adelberg`s Medical Microbiology, 24 th ed