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


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



• 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)



• 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


• 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


• 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


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


• 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)


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+


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

genetica bacteriana

Documents

Transcript of genetica bacteriana