GENÉTICA BACTERIANA I. Elementos genéticos I. Elementos genéticos II. Variabilidad genética III. Genómica y concepto de especie GENOMA BACTERIANO es el conjunto de elementos genéticos autorreplicativos que tiene una bacteria *cromosoma (imprescindible) * plásmidos (prescindibles) * profagos (prescindibles) BACTERIAS = CÉLULAS PROCARIOTAS 2 µm Membrana celular Pared celular (péptidoglicano) EL CICLO CELULAR DE LA CÉLULA PROCARIOTA Bacteria Bacterias hijas recién nacida recién nacidas 0.5 µm Citoplasma Cromosoma (DNA) Ribosoma NO HAY MITOSIS! HAY FISIÓN BINARIA! UNA ÚNICA MOLÉCULA DNA DE DOBLE CADENA CIRCULAR HAPLOIDE 1000-6000 KILOBASES (kb) CRECIMIENTO REPLICACIÓN DEL DNA DIVISIÓN CELULAR Tiempo de generación: 20 min o más RIBOSOMAS PARED CELULAR FOTO- MICROGRAFÍA ELECTRÓNICA DE UNA CÉLULA BACTERIANA PRINCIPALES DIFERENCIAS ENTRE CÉLULAS PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS CARACTERÍSTICA CÉL. PROCARIOTA CÉL. EUCARIOTA TAMAÑO MEMBRANA NUCLEAR NÚCLEO GENOMA (cromosoma/s) Célula pequeña 2 µm diámetro No hay Una única molécula de DNA circular HAPLOIDE Célula más grande 2 a > 100 µm diámetro Sí hay Varias mol. de DNA lineal (cromosomas) DIPLOIDES DIVISIÓN CELULAR Fisión binaria Mitosis GENOMA PRESENCIA DE ORGANELOS CITOESQUELETO No Sí No Sí PARED CELULAR Sí No siempre y de química diferente
CLASIFICACIÓN FILOGENÉTICA: LOS TRES DOMINIOS SEGÚN CRITERIOS MOLECULARES (rrna 16S; seq. prots.) CLASIFICACIÓN TAXONÓMICA: LOS CINCO REINOS SEGÚN CRITERIOS FENOTÍPICOS PLANTAS ANIMALES HONGOS EUCARIOTAS UNICELULARES Dominios Bacteria + Archaea PROCARIOTAS Otros elementos genéticos en las bacterias además del cromosoma: LOS PLÁSMIDOS MANTENIMIENTO DE PLÁSMIDOS en el ciclo celular 1 2 Replicación Partición Pequeñas moléculas de DNA circular (3 a cientos de kb) Autorreplicativas No contienen genes esenciales Confieren habilidades útiles en circunstancias muy específicas (e.g. resistencia a antibióticos) Nº característico de copias por cromosoma bacteriano (1 a varias decenas) Una bacteria puede tener varios plásmidos distintos a la vez PLÁSMIDO R1 100 kb Nº característico = 2 REGIÓN TRA (TRANSFERENCIA CONJUGATIVA) copb copa repa ori REPLICÓN BÁSICO (REPLICACIÓN) región R (genes de resistencia) Km R (kanamicina) Ap R (ampicilina) Sm R (estreptomicina) Su R (sulfonamida) Cm R (cloranfenicol) 370 kb PLÁSMIDO simbiótico de Rhizobium etli Nº característico = 1 Relación simbiótica de la bacteria con plantas leguminosas: forma nódulos en las raíces y fija nitrógeno REPLICÓN BÁSICO SIMBIOSIS Nodulación + Fijación Biológica de Nitrógeno para parb REGIÓN PAR (PARTICIÓN) REGIÓN tra
Otros elementos genéticos en las bacterias además del cromosoma: LOS BACTERIÓFAGOS FAGOS (virus de bacterias) Pequeñas moléculas de DNA o RNA Con cápside proteica en la forma libre Sin cápside dentro de las bacterias Autorreplicativas: Se multiplican dentro de las bacterias CICLO LÍTICO DE MULTIPLICACIÓN FÁGICA 1. Adsorción 2. Inyección 3. Replicación VÍA LISOGÉNICA DE MULTIPLICACIÓN FÁGICA 1. Adsorción 2. Inyección 3. Circularización Todos los fagos son capaces de propagarse por ciclo lítico Los que sólo se propagan de esta forma se llaman fagos virulentos 4. Síntesis proteica 5. Ensamblaje 6. Lisis por propagarse 4. Integración por ciclo lítico Bacteria lisogénica PROFAGO Los fagos que pueden optar o por vía lisogénica se llaman fagos temperados Nº característico de progenie Escisión Ciclo lítico TRANSPOSONES: son elementos genéticos NO autorreplicativos Mecanismos de transposición Los transposones son segmentos de DNA de doble cadena con extremos repetidos invertidos con un gen que codifica para la transposasa (tnp) 5 ACTG CAGT 3 3 TGAC tnp GTCA 5 REPLICATIVA Tienen cientos o miles de pb NUNCA INDEPENDIENTES! porque no son replicones NO REPLICATIVA Saltan al azar de un sitio a otro del DNA de la célula Saltan con muy baja frecuencia Producen mutaciones allí donde se insertan
IS IS1, IS2, IS3, etc. SECUENCIAS DE INSERCIÓN. Son los más simples, sólo saltan TIPOS DE TRANSPOSONES tnp IS Secuencias de inserción presentes en el cromosoma de E.coli K12 6 IS1 10 IS2 5 IS3 Tn Tn3, Tn5, etc. tnp At R, etc. TRANSPOSONES propiamente dichos. Son más complejos y, además de saltar, portan genes adicionales, e.g. genes de resistencia a antibióticos Tn GENÉTICA BACTERIANA VARIABILIDAD GENÉTICA EN BACTERIAS 1. Mutaciones 2. Transferencia horizontal de genes MUTACIONES Cambios heredables en la secuencia original de DNA SON LA FUENTE DE TODO CAMBIO GENÉTICO SIN ELLAS NO HABRÍA OCURRIDO EVOLUCIÓN ALGUNA MUTACIONES PUNTUALES A B Afectan un par o unos pocos pares de bases y se originan a partir de: Errores en la replicación del DNA EVENTOS INTRACELULARES Lesiones del DNA producidas por agentes químicos o físicos REARREGLOS Afectan A extensos segmentos A B de DNA y Bse originan A a partir A de: B B B Fenómenos de recombinación (corte, intercambio y unión de segmentos de DNA) Son las inserciones, deleciones, inversiones y duplicaciones inserción deleción inversión duplicación TRANSFERENCIA HORIZONTAL DE GENES EN BACTERIAS EVENTO INTERCELULAR Donante Receptora Resultante TRANSFORMACIÓN Transformante TRANSDUCCIÓN Transductante IMPORTANCIA DE LA TRANSFERENCIA HORIZONTAL DE GENES EN BACTERIAS También llamada sexualidad. Se da en cualquier momento de la vida de la bacteria. Se da con mayor frecuencia entre bacterias muy emparentadas entre sí, pero no exclusivamente. Genes de una bacteria pueden terminar integrando el genoma de otra muy alejada filogenéticamente. Por lo anterior, el concepto de especie no se aplica claramente a las bacterias. CONJUGACIÓN Transconjugante LA AUSENCIA DE LÍMITES DE TIEMPO Y ESPECIE PARA LA TRANSFERENCIA SEXUAL PERMITE LA ADAPTACIÓN A LOS CAMBIOS AMBIENTALES MÁS VELOZ QUE SE CONOCE.
HERENCIA VERTICAL HERENCIA Y VARIABILIDAD GENÉTICA MUTACIÓN HERENCIA HORIZONTAL Cuál predomina? Si predomina la herencia vertical, encontraremos especies y linajes bien distinguibles entre sí porque no se intercambian material genético TRANSFERENCIA HORIZONTAL DE GENES Si predomina la herencia horizontal, no encontraremos límites claros que permitan clasificar las bacterias en especies y linajes porque los individuos estarán continuamente intercambiando sus genes BREVE INTRODUCCIÓN A LA GENÓMICA BACTERIANA La genómica es una especialidad que nace del conocimiento de la secuencia nucleotídica de los genomas bacterianos (cromosoma, plásmidos, genomas fágicos) CROMOSOMA BACTERIANO Escherichia coli K12 y Escherichia coli uropatógeno Comparación de la secuencia nucleotídica del cromosoma de dos cepas de la misma especie GENOMA BÁSICO: REGIONES ESENCIALES (AZUL) Varían poco y fundamentalmente por mutaciones puntuales ISLAS GENÓMICAS: FUNCIONES PRESCINDIBLES (OTROS COLORES) Varían mucho y fundamentalmente por herencia horizontal y recombinación Dos grandes categorías de información genética en la célula procariota Información básica 42% Varía poco, sólo por mutaciones puntuales Cromosoma básico Información flexible 58% Varía mucho por herencia horizontal y recombinación Islas genómicas Profagos Plásmidos Transposones Predomina la herencia Organización general dentro Relaciones de la célula de la célula VERTICAL con el exterior HORIZONTAL Vías metabólicas clave Metabolismo secundario Envolturas Estabilidad celulares del mensaje genético Simbiosis Variabilidad del mensaje genético Ribosomas Resistencia a antibióticos División celular, etc. Patogenicidad Dónde queda el concepto de especie bacteriana? Tal vez se pueda considerar especie al conjunto de bacterias que comparten un mismo genoma básico Genoma básico de especie 1 Genoma flexible Islas genómicas Plásmidos o profagos Genoma básico de especie 2 POR SU DIVERSIDAD METABÓLICA, BASADA EN SU GRAN PLASTICIDAD GENÉTICA, LAS BACTERIAS MODELARON LA BIOSFERA HACIENDO POSIBLE QUE LA VIDA EVOLUCIONASE HACIA ORGANISMOS MÁS COMPLEJOS. AÚN HOY ELLAS SON DECISIVAS PARA QUE LOS EUCARIOTAS PODAMOS SUBSISTIR.