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Genética Bacteriana y Mecanismos de la
Transferencia Horizontal Genética
PARTE 2
Dra Daniela CentrónDepartamento de Microbiología, Parasitología e Inmunología, Facultad de Medicina, Universidad de Buenos Aires.
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TRANSFERENCIA HORIZONTAL
GENÉTICA
Movimiento del material genético entre
dos células bacterianas. Una vez
incorporado, es fijado y se hereda en
forma vertical.
“THG”
“Adaptación a Tiempo Real”
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Plásmidos de relevancia
asociados a virulencia
operón gerX relacionado con el proceso
de germinación de las esporas.
182 kb
cápsula
Factor edema
Factor letal
Antígeno
protectiv
o
Factores de
Virulencia
(Saile, E, 2006, Rouli, L, 2014)
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Fago T12 que lisogeniza cepas de S. pyogenes
y produce la escarlatina
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Plásmidos de relevancia
asociados a virulencia
(Bruggemann, H, 2015)
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Modelos Biológicos en
estudio
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Diversificación genómica
GENOMA
“Elementos adquiridos”
Duplicación
Transferencia Horizontal Genética
Recombinación homóloga
Recombinación no-homóloga
Recombinación sitio-específica
“Elementos perdidos”
Pérdida de genes
El contenido genómico es dinámico
GENOMA
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El largo de las barras representa la cantidad de ADN codificante.ADN Nativo es celeste.ADN de Elementos Móviles es amarillo.ADN foráneo no identificado como elementos móviles es rosa.Los números representan el % de ADN foráneo. (Ochman, et al 2000)
La THG al comparar varios genomasprocariontes
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(Welch et al.,PNAS, 2002)
Total de proteínas=76382996 (39,2%) en los 3 genomas911 (11,9%) en 2 de los 33554 (46,5%) en 1 de los 3
MG1655 (K-12)no patogénica
CFT073uropatógena
EDL933 (O157:H7)enterohemorrágica
Genoma “flotante”
Genoma “core”
Pangenoma
La THG al comparar linajes de una especie, 2002
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(Touchon et al.,Plos, 2009)
20 genomas de E.coli secuenciados poseen solo el 11% de genes en común.
La THG al comparar linajes de una especie, 2009
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Genoma “core” Genoma “flotante”
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Tal vez se pueda considerar especie al conjunto de bacterias que comparten un mismo genoma básico
¿Dónde queda el concepto de especie bacteriana?
• Pangenoma: conjunto de genomas de cepassecuenciadas de una especie
• Genoma Core: conjunto de genes que pueden ser basede una taxonomía
• Genoma Flexible: genes adquiridos por la transferenciahorizontal de genes
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MECANISMOS DE LA THG
• Transformación
• Transducción
• Conjugación
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TRANSFORMACIÓN
Bacteria
Inyección
Resultados
Células Lvivas
Células R vivas
Células L muertas por
calor
Células L muertas por calor junto a células R
vivascápsula
“factor detransformación”
DESCUBIERTA POR GRIFFITHS EN 1928
Transformación con colonias rugosas y con colonias lisas de Streptococcus pneumoniae.
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En 1944, Oswald Avery, MacLeod y McCarty identifican que el ADN purificado es “el factor de transformación” y la base química de la herencia.
El ADN de las células lisas de Sreptococcus pneumoniae
“transformaba” a las rugosas.Puede incorporarse por
transformación ADN cormosómico o plásmidos
completos.
TRANSFORMACIÓN
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• Transformantes naturales• Bacterias Gram-positivas
• Streptococcus pneumoniae, S. sanguis, B. subtilis, B. cereus, B. Stearothermophilus
• Bacterias Gram-negativas• Neisseria gonorrhoeae, Acinetobacter baumannii, Moraxella
osloensis, M. urethans• Psychrobacter sp., Azotobacter agilis, Haemophilus influenzae,
H. parainfluenzae, Pseudomonas stutzeri
• Transformación Artificial• Escherichia coli, Salmonella Thyphimurium, Pseudomonas
aeruginosas y muchas otras.
TRANSFORMACIÓN
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Etapas de la TRANSFORMACIÓN en Neisseria gonorrhoeae
• A diferencia de las otras especies, el estado de competencia es continuo en esta especie.
• El ADN del medio extracelular se adhiere al Sistema de Secreción de Tipo IV (SSTIV).
(Hamilton HL et al., Mol Microb, 2006)
lisis bacteriana
Adhesión del ADN al SSTIV
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Medio exterior
Citosol bacteriano
• Unión inespecífica de todos los tipos de ADN doble cadena a la membrana externa.
• Reconocimiento de una secuencia de 10 pb (GCCGTCTGAA), llamadas DUS (por DNA uptake sequence) presentes frecuentemente en el cromosoma del género Neisseria.
• Hay 1965 copias de DUS en el genoma de la cepa FA1090, con una copia de DUS cada 1096 pb.
Etapas de la TRANSFORMACIÓN en Neisseria gonorrhoeae
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• La incorporación del ADN,luego de ser reconocido,es llevada a cabo por elSSTIV.
• El ADN entra lineal doblecadena (ADNdc) y tambiéncomo ADN simple cadena(ADNsc) al citosolbacteriano.
Etapas de la TRANSFORMACIÓN en Neisseria gonorrhoeae
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RecA
CB
DA AA A
Etapas de la TRANSFORMACIÓN en Neisseria gonorrhoeae
• Una vez en el citosolbacteriano, el ADNdc puedeser digerido por las enzimasde restricción o procesadopor las nucleasas RecBCD.
• El ADNsc se une a RecA,quien media RecombinaciónHomóloga con el ADNcromosomal de Neisseriagonorrhoeae.
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Neisseria gonorrhoeae
• La tasa de transformación estan alta que la estructurapoblacional es panmíctica.
• El alto grado derecombinación es necesariopara generar diversidadantigénica en su nichoecológico, el ser humano.
FENOTIPOS TRANSFORMACIÓN DEPENDIENTES DE RELEVANCIA
(Hamilton HL et al., Mol Microb, 2006)
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Identificada en 1946, por Lederberg y
Tatum.
CONJUGACIÓN
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CONJUGACIÓN
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Etapas de la CONJUGACIÓN
• Síntesis del pili. • Ensamblado del pili,
el cual tiene comofunción acercar a lasdos células.
• El pili puede reconocer diferentesreceptores en lacélula receptora.
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• Transferencia de unasola cadena de ADN, la cual va del extremo 5´y es acompañada por la síntesis continua de la cadena de ADN
complementaria en la célula donante.
• El ADN pasa por un SSTIV.
Etapas de la CONJUGACIÓN
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• Mientras tanto en la célula receptora, el ADN simplecadena transferido sirve comotemplado para la síntesisdiscontinua de la cadenacomplementaria.
Etapas de la CONJUGACIÓN
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PLÁSMIDOS CONJUGATIVOS DE RELEVANCIA
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Identificada en 1951, por Lederberg y
Zinder,
trabajando en un modelo de
Salmonella spp..
TRANSDUCCIÓN
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Bacteriófago T4 infectando a Escherichia coli.
TRANSDUCCIÓN
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TRANSDUCCIÓNEl fago se replica
y produce la lisis bacteriana.
Fago normal
Fago transductante(contiene ADN de la célula huésped)
Transducción
Célula bacteriana transducida
Recombinaciónhomóloga
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TRANSDUCCIÓNEl fago se replica
y produce la lisis bacteriana.
Fago normal
Fago transductante(contiene ADN de la célula huésped)
Transducción
Célula bacteriana transducida
Recombinaciónhomóloga
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FENOTIPOS TRANSDUCCIÓN DEPENDIENTES DE RELEVANCIA
Resistencia a la meticilinaen S. aureus
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Dinámica intercelularEntre una bacteria y,
Plásmidose islas genómicaspor conjugación
ADN libre, plásmidos u otra bacteriapor transformación
Bacteriófagospor transducción
Genoma “exógeno”
Etapas de la THG
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Replicación ymantenimiento
del plásmido transferido
Dinámica intracelulardentro de una célula bacteriana, gracias a procesos moleculares,
Eventos de recombinación homóloga
y no-homóloga
Movilización de transposones, secuencias de inserción
y cassettes
“Fijación” del ADN incorporado
Etapas de la THG
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Dinámica poblacionalselección del ADN “exógeno, accesorio o flotante” que pudo ser “fijado”,
“Herencia vertical” del ADN fijado
Etapas de la THG
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EJEMPLO DE LA THG Y EL PROCESODE PATO-ADAPTACIÓN:
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“No es la más fuerte de las especies la quesobrevive, ni tampoco la más inteligente, sinoaquella que responde más rápido al cambio”
Charles Darwin
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MUCHAS [email protected]