Tema 12. (2016)

Apunte Español
Universidad Universidad Complutense de Madrid (UCM)
Grado Farmacia - 3º curso
Asignatura Microbiologia I
Año del apunte 2016
Páginas 6
Fecha de subida 20/06/2017
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    Tema  12:  Genómica  microbiana     Estructura  del  DNA  procariótico   Un  único  cromosoma  está  superenrollado  dentro  de  la  célula.  Es  una  molécula  circular  covalentemente   cerrada  y  compactada.  Se  compacta  de  forma  distinta  que  los  eucariotas.  El  genoma  no  es  solo  el  cromosoma,   sino  también  el  DNA  mitocondrial  en  el  caso  de  los  humanos.     En  el  caso  de  las  bacterias  hay  plásmidos,  elementos  extracromosómicos.  Se  pueden  perder  y  no  se  altera  la   bacteria.  Proporcionan  propiedades  extra,  se  pueden  conjugar  y  trasmitir  de  unas  bacterias  a  otras.  Son   capaces  de  intercambiar  estas  pequeñas  moléculas  de  DNA.  Es  una  cadena  de  DNA  circular  más  pequeño  que   el  DNA.  Generalmente  son  circulares  (2-­‐200kb).       Plásmidos     Hay  microorganismos  eucarióticos  que  pueden  tener  plásmidos,  como  las  levaduras  unicelulares.   Todos  los  plásmidos  deben  ser  autorreplicativos,  tienen  su  propio  origen  de  replicación  para  formar  la   horquilla  de  replicación.  Son  autónomos  del  cromosoma.  Son  heredables.   No  codifican  funciones  esenciales  o  indispensables:  pueden  ``curarse´´.     Tipos  de  plásmidos:   Los  episomas  pueden  estar  de  manera  individual  o  integrarse  en  el  cromosoma  por  recombinación  no   homóloga.  Pueden  fusionarse  con  el  cromosoma  y  luego  escindirse.       Según  el  número  de  copias:   -­‐  Plásmidos  de  bajo  número  de  copias  (1-­‐3).  Su   replicación  y  herencia  está  bastante  ligada  a  la   replicación  del  cromosoma  bacteriano,  por  eso  puede   mantener  el  bajo  número  de  copias.  Se  segrega  a  las   células  hijas  cuando  se  divide.     -­‐  Plásmidos  de  alto  número  de  copias  (30-­‐40).  Se  replican   de  forma  autónoma  del  cromosoma.  Sus  orígenes  de   replicación  son  autónomos,  se  replican  en  cualquier   momento  y  no  tienen  que  sincronizarse  con  el   cromosoma.  Las  probabilidades  son  que  las  dos  células   hijas  tengan  plásmidos.     Los  plásmidos  más  relacionados  se  agrupan  en  grupos  de  incompatibilidad.   Cuanto  más  parecidos  sean  entre  sí  dos  plásmidos,  más  problemas  van  a   tener  para  coexistir.  Si  utilizan  distinta  maquinaria  replicativa,  no  compiten   entre  sí.  Si  las  enzimas  se  comparten  entre  dos  plásmidos,  va  a  ganar  el   plásmido  más  eficaz.   Dos  plásmidos  son  incompatibles  si  son  parecidos.  Tienden  a  segregarse.   Dos  plásmidos  son  compatibles  si  no  se  parecen  en  su  maquinaria   replicativa.  Pueden  heredarse  juntos.       Según  su  función:   Naturales:   -­‐  Plásmidos  R:  resistencia  a  antibióticos  (transposones).     -­‐  Plásmidos  Col:  producción  de  bacteriocinas.  Son  para  matar  otras  bacterias  de  su  entorno.   -­‐  Plásmidos  de  virulencia:  los  genes  de  los  plásmidos  son  factores  de  virulencia  (adhesinas,  toxinas,  etc).   -­‐  Plásmidos  metabólicos:  otorgan  la  capacidad  de  degradar  un  sustrato  para  crecer:  degradación  de  azúcares,   compuestos  aromáticos,  pesticidas,  fijación  de  N,  antibióticos…   -­‐  Plásmidos  conjugativos:  factor  F  de  fertilidad  (pili,  conjugación).   Artificiales:  generados  en  el  laboratorio  para  clonación  molecular.     1       En  biología  molecular  se  aprovechan  los  plásmidos  para  la  clonación  molecular.  Es  para  modificar   genéticamente  un  sistema  biológico.  Se  cortan  por  las  zonas  palindrómicas.     Se  manipula  un  plásmido  de  E.  coli  para  poner  un  marcador  de  selección,  DNA  de  mamíferos,  etc.   Obtenemos  plásmidos  artificiales  para  la  clonación  molecular  o  de  expresión.  Los  de  expresión  deben  tener   un  promotor.     El  mayor  interés  farmacéutico  es  el  problema  de  la  resistencia  a  antibióticos.  Esto  ocurre  porque  muchas  de   las  resistencias  a  los  antimicrobianos  están  codificadas  por  genes  de  resistencia  de  plásmidos.     Los  antimicrobianos  se  obtienen  de  las  bacterias,  por  lo  que  ellas  deben  tener  un  antídoto  para  no  morir.     Estructura  del  cromosoma   Las  topoisomerasas  (DNA  girasa)  copian  y  pegan  el  DNA  para  reducir  la  torsión  que  genera  el   superenrollamiento  de  la  molécula.  La  molécula  reconoce  una  hebra  de  DNA,  la  corta,  la  pasa  a  través  y  relaja   la  tensión  de  la  estructura.     La  DNA  girasa  es  una  diana  de  antibióticos,  que  la  inhiben.  Es  una  diana  selectiva  porque  no  afecta  al  DNA  de   nuestras  células.     En  eucariotas,  este  problema  se  resuelve  con  el  empaquetamiento  de  los  cromosomas  empaquetados.  El  DNA   está  compactado  en  los  octámeros  de  histonas.  Son  proteínas  muy  ricas  en  cargas  positivas,  lo  que  neutraliza   la  carga  negativa  de  los  fosfatos.  Cuando  los  genes  se  expresen,  esto  se  tiene  que  desensamblar,  por  eso  la   regulación  de  la  expresión  génica  es  más  compleja  en  eucariotas  que  en  procariotas.       Dogma  de  la  biología  molecular   Características  del  material  genético:   -­‐  Estable   -­‐  Transmisión  de  la  información  a  la  progenie   -­‐  Expresión  de  la  información   Hay  diferencias  entre  procariotas  y  eucariotas.  Está  derivado   principalmente  de  la  ausencia  de  núcleo.   La  DNA  polimerasa  en  la  replicación  copia  el  DNA  y  no  se  equivoca.   Una  mutación  implica  que  en  la  replicación  por  parte  de  la  DNA  polimerasa,  hay  un  error.  La  hebra  copiada   lleva  un  cambio.  Esto  determina  la  evolución.     El  material  genético  debe  expresarse  en  la  transcripción  por  la  RNA  polimerasa.     En  el  ribosoma  se  da  la  traducción.     Replicación   Es  universal,  no  hay  diferencia  entre  procariotas  y  eucariotas.  Implica  la  copia  fidedigna  mediante  un  sistema   replicativo.  Hay  replicación  continua  y  discontinua.     Una  horquilla  de  replicación  es  idéntica  en  procariotas  y  eucariotas.  Hay  helicasa  para  abrir  la  hélice,   proteínas  para  estabilizar  la  hebra  sencilla  de  DNA  y  una  DNA  polimerasa  que  reconozca  el  primer.  Es   bidireccional  la  replicación.  Cuando  una  de  las  bases  se  incorpora  erróneamente,  tenemos  una  mutación.   Mecanísticamente  no  hay  diferencias  entre  la  replicación  de  eucariotas  y  procariotas.     En  eucariotas  los  cromosomas  son  lineales  y  muy  grandes.  Los   procariotas  tienen  cromosomas  circulares  y  más  pequeños.     En  un  cromosoma  lineal  suele  haber  varias  horquillas  de  replicación.   En  un  cromosoma  bacteriano  puede  haber  o  no  varias  horquillas.  En   un  plásmido,  la  replicación  va  avanzando  desde  el  origen  de   replicación  hasta  que  se  separan  las  dos  copias.  Los  plásmidos  tienen   su  propio  sistema  de  replicación  con  las  enzimas.     Hay  algunos  procariotas,  como  el  fago  l  o  el  plásmido  F,  que  se   replican  de  forma  distinta.  Es  el  mecanismo  del  círculo  rodante.  No  se   abre  una  horquilla,  sino  que  hay  una  mella.  Implica  que  se  rompe  una   de  las  cadenas.  La  cadena  intacta  se  va  utilizando  como  molde  para   girar  en  sentido  antihorario.  La  polimerasa  lo  utiliza  como  una   molécula  lineal  para  producir  en  serie  cientos  de  copias.  La  otra   cadena  también  se  va  reconstituyendo.       2       Transcripción   Es  la  expresión  de  los  genes.  La  RNA  polimerasa  es  muy  similar  en  eucariotas  y  procariotas,  aunque  con   diferencias  estructurales.  La  RNA  polimerasa  se  pega  en  un  promotor,  se  elonga  la  cadena  y  se  genera  el   mensajero.  hay  una  terminación  en  la  que  el  mensajero  se  suelta.     El  sistema  de  reconocimiento  es  distinto.  En  procariotas  hay  un  factor  s  que  reconoce  los  promotores  (caja   TATA),  las  secuencias  -­‐10  y  -­‐35.     Los  genes  de  procariotas  están  estructurados  de  diferentes  formas.  Los  procariotas  tienen  operones,  que  son   un  conjunto  de  genes  que  están  sometidos  a  regulación  por  un  promotor  común  a  todos  los  genes   estructurales.  Cuando  se  reconoce  por  la  RNA  polimerasa,  se  hace  un  solo  mensajero  que  lleva  información   para  todas  las  proteínas  codificadas  por  el  operón.  Esto  es  exclusivo  en  procariotas.  Son  RNAm  policistrónicos,   solo  de  procariotas.     La  transcripción  y  traducción  en  procariotas  es  simultánea,  porque  no  hay  membrana  nuclear.     Los  genes  eucarióticos  pueden  ser  discontinuos,  hay  intrones  (zonas  sin  información).  Se  tiene  que  producir  el   splicing  para  eliminar  los  intrones  y  quedarnos  con  los   exones.  Se  pone  cap  al  principio  del  mensajero  y  colas  de   poliA  al  final  del  mensajero  (procesamiento  del  RNAm).  En   procariotas  esto  no  se  da.     El  reconocimiento  del  ribosoma  por  parte  del  RNAm  se  hace   con  las  secuencias  de  Shine-­‐Dalgarno  en  procariotas.  Así  se   inicia  la  traducción  en  proteínas.       Regulación  de  la  expresión  génica   Necesitamos  atraer  a  la  RNA  polimerasa  mediante  órdenes.  En   condiciones  favorables,  no  expresa  genes  destinados  a  superar   situaciones  de  estrés.  Lo  llevan  a  cabo  los  factores  de   transcripción,  que  son  secuencias  cercanas  a  los  promotores.   Atraen  o  estorban  a  la  RNA  polimerasa  en  función  de  la   situación.       Operón  lac   La  RNA  polimerasa  se  une  al  operón  lac.  Cuando  no  hay  lactosa   como  fuente  de  carbono,  estos  genes  están  apagados.  En  el   operador  hay  un  represor  (proteína)  que  no  deja  trabajar  a  la   RNA  polimerasa.  Es  un  factor  de  transcripción.  Cuando  hay   lactosa,  esta  se  pega  al  represor,  tiene  un  cambio   conformacional  y  se  impide  pegarse  al  operador.  Así  se  inicia  la   transcripción.  Se  usa  como  inductor.       Regulación  del  operón  trp   En  ausencia  de  triptófano,  se  expresa  el  operón  con  5  genes  que  son  parte  de  un  mensajero  policistrónico.  El   represor  normalmente  no  se  une,  porque  necesita  triptófano.  Sin  embargo,  si  hay  triptófano  en  el  medio,  este   se  une  al  represor  para  inducir  un  cambio  conformacional  que  se  hace  afín  a  la  zona  reguladora.  Si  tenemos   triptófano  en  el  medio,  la  célula  no  necesita  sintetizar  más.  El  triptófano  es  un  correpresor.     Es  un  mecanismo  inverso  al  anterior.       3       La  complejidad  de  regulación  en  eucariotas  es  mucho  mayor  que  en  procariotas  porque  tenemos  tejidos  muy   distintos  que  tienen  el  mismo  DNA.     Sistema  de  dos  componentes   Las  señales  para  activarse  o  inactivarse  la  transcripción  es  mediante   receptores  de  la  membrana  celular.  Detectan  las  condiciones  del  exterior  y   mandan  la  información  al  genoma  (señalización  celular).  Esta  señalización   celular  en  procariotas  es  muy  simple  en  comparación  con  eucariotas.     El  sistema  de  dos  componentes  en  bacterias  es  con  un  componente  en  la   membrana  que  es  el  receptor.  Cambia  la  conformación  y  pasa  el  fosfato  al   segundo  componente.  Se  activa,  va  al  promotor  que  activa  una  serie  de  genes.     En  eucariotas  hay  proteínas  G,  tirosin-­‐quinasas,  cascadas  de  fosforilación  de   quinasas  MAP,  etc.     Hay  vibrios  (Vibrio  fischeri)  que  producen  luz  solo  cuando  se  dan  cuenta  de   que  hay  muchos  juntos  (Quorum  sensing).  Cada   bacteria  secreta  una  hormona  o  factor  y   cuando  hay  muchas,  las  bacterias  se  dan  cuenta   de  que  están  juntas.  Hay  un  sistema  de  dos   componentes  que  activa  la  expresión  de  los   genes  de  bioluminiscencia.     Los  sistemas  de  dos  componentes  detectan   muchas  cosas  del  entorno  de  las  bacterias  para   reprogramar  su  genoma  y  que  exprese  los   genes  adecuados.       Genomas  microbianos   El  genoma  es  el  conjunto  de  material  genético  que  contiene  una  célula  o   un  virus.     La  genómica  surge  cuando  tenemos  secuenciadores  automatizados  que   permiten  leer  trozos  de  genoma  de  manera  organizada.  Estas  secuencias   se  almacenaron  en  los  ordenadores.  En  el  2005  las  técnicas  de   pirosecuenciación  permitieron  leer  cientos  de  millones  de  bases  en   carrera.     Cada  color  del  mapa  genómico  representa  un  gen.  Hay  2  filas  porque  hay   2  cadenas  de  DNA.  No  suelen  ser  genes  solapantes.  Hay  muy  poco  DNA   basura.  Hay  operones  ribosomales  representados  fuera  de  las  2  filas.       Estudiar  los  genomas  facilita  estudiar  la  evolución.  El   genoma  celular  mínimo  es  el  mínimo  de  genes  que   tiene  que  tener  una  célula  para  poder  funcionar  como   tal.  La  biología  sintética  estudia  como  diseñar  células   con  las  propiedades  metabólicas  necesarias.     A  lo  largo  de  la  historia  ha  habido  evolución  e  involución.  Un  parásito  puede  acabar  convirtiéndose  en   endosimbionte  y  luego  en   orgánulo,  como  los  plastos   y  las  mitocondrias.  Cuando   se  comparan  sus  genomas   con  los  de  los  orgánulos,   vemos  que  han  ido   perdiendo  sus  genes   mediante  eventos  de   recombinación.  Pierden  los   genes  que  ya  no  necesitan.       4       Se  ha  sintetizado  en  genoma  con  un  ordenador  para  crear  un  micoplasma  en  el  2010.  Se  quita  el  genoma  de   un  micoplasma  y  se  le  pone  el  genoma  sintético.  Se  puede  replicar  y  actuar  como  una  célula  independiente.     Genómica   Es  la  ciencia  que  se  ocupa  del  estudio  de  los  genomas  de  los  organismos.  Implica  la  secuenciación  y  análisis  de   genomas  de  manera  sistemática  (genómica  estructural).  Tenemos  mucha  información  genómica  y  muy  poca   genómica  estructural.   La  genómica  funcional  es  la  anotación  funcional  de  los  genomas.  Es  para  saber  qué  hace  cada  gen  y  cómo   modificarlo.     La  genómica  comparativa  implica  el  uso  de  herramientas  bioinformáticas.  Se  alinea  la  secuencia  de  bases  de   los  genomas  para  ver  cómo  han  evolucionado  los  genomas  a  partir  de  un  ancestro  común.  Se  ven   características  propias  de  esa  rama  común  y  no  de  otras.  Búsqueda  de  ``ortólogos´´  (genes  con  analogía   funcional  y  estructural  a  otros  conocidos  de  otros  genomas).     La  sintenia  es  el  orden  de  los  genes  en  un  determinado  genoma.  Se  ve  con  la  genómica  comparativa.  Es  útil  en   genomas  eucarióticos  humanos.  Se  ven  las  enfermedades  genéticas  raras.  No  se  tiene  la  prueba  de  que  el  gen   mutado  sea  el  que  produce  la  enfermedad.  Para  encontrar  los  genes  se  usan  ratones.  Los  ratones  pueden   tener  estos  genes  en  otros  cromosomas  que  tenemos  que  buscar  mediante  la  genómica  comparativa.     La  biología  de  sistemas  es  para  que  toda  la  información  genética  y  metabólica  se  convierta  en  números  y   algoritmos,  se  pone  en  un  sistema  informático  y  se  puede  predecir  qué  fenómenos  biológicos  van  a  pasar.     Tenemos  una  especie  patógena  y  otra  comensal,  incluso  dentro  del  mismo  género.  Se  ven  las  diferencias  en  el   genoma  que  implican  la  patogenia  (islas  de  patogenicidad).  Así  se  estudian  los  genes  de  virulencia.  Se  hace   mediante  la  genómica  comparativa.  Se  alinean  los  genomas  de  las  especies  y  se  ven  los  genes.  Las  zonas  que   el  patógeno  tenga  y  el  comensal  no,  puede  indicar  el  gen  de  patogenicidad.       Pangenoma  de  una  especie  o  grupo  microbiano   Pangenoma:  el  elenco  de  genes  de  una  especie  microbiana  tras  la  secuenciación  de  varias  estirpes  de  dicha   especie. Incluye  el  “genoma  base”  que  contiene  los  genes  presentes  en  todas  las  estirpes,  un  “genoma   dispensable”  de  genes  que  sólo  existen  en  una  o  dos  estirpes  y  “genes  únicos”,  presentes  en  una  única  estirpe   de  la  especie.     Es  el  conjunto  de  genomas  que  definen  una  especie.  Si  tenemos  muchas  cepas  de   una  especie,  el  pangenoma  es  la  colección  de  genomas  de  todas  las  cepas.  Aplicando   la  genómica  comparativa,  se  puede  analizar  en  pangenoma  de  la  especie.     Se  cogen  3  cepas  de  E.  coli  y  se  anotan  los  genes  de  los  genomas.  Cada  cepa  tiene  un   número  distinto  de  genes,  hay  mucha  variabilidad  evolutiva  en  la  misma  especie.  Se   buscan  los  genes  comunes  a  las  3  cepas.  Es  el  genoma  base  (core  genome).  El   genoma  dispensable  son  los  genes  que  no  los  tienen  las  3  cepas.  Los  genes  únicos   son  los  que  solo  están  en  una  cepa.     Da  idea  de  la  variabilidad  genética  de  una  especie  mediante  la  genómica   comparativa.       Metagenómica   De  la  gran  variabilidad  microbiana,  somos   capaces  de  cultivar  entre  el  1  y  5%.  Se  coge   una  comunidad  microbiana  con  muchas   especies,  se  ensamblan  los  genes  por  el   secuenciador  y  se  obtienen  contigs.     Por  homología  de  bases  se  ensamblan  en   teoría  cromosomas  completos.       5       De  las  especies  menos  representados  no  se  ensamblan  todos  los  genomas.  Así  obtenemos  mucha  información   genética,  pero  no  se  sabe  a  quién  corresponde  cada  genoma,  porque  no  se  pueden  cultivar  los   microorganismos.       Para  estudiar  la  función  de  los  genes  estructurales  de  un   genoma  hay  que  expresarlos.  Hay  que  traducirlos  a  RNAm   y  expresarlos.  Se  mide  la  expresión  de  los  genes  en   función  de  las  condiciones  ambientales,  etc.     Lo  estudian  ramas  de  la  genómica  funcional  adaptadas  a   trabajar  a  gran  escala.   El  transcriptoma  son  todos  los  RNAm  de  la  célula.     Se  ponen  determinadas  condiciones  ambientales  y  se  ve   qué  genes  se  activan.   Si  se  estudian  a  la  vez  todas  las  proteínas  del  sistema   biológico  en  estudio  se  hace  el  proteoma.   Si  se  ven  las  rutas  metabólicas,  es  el  metaboloma.  Son   todos  los  metabolitos  de  una  célula.       6   ...

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