Tema 10: Mecanismes de transferència horitzontal (MB) (2016)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Microbiología - 1º curso
Asignatura Microbiologia
Año del apunte 2016
Páginas 5
Fecha de subida 11/04/2016
Descargas 49
Subido por

Vista previa del texto

TEMA  10:  Mecanismes  de  transferència  horitzontal   1.  Transferència  horitzontal   Aquest   tipus   de   transferència   és   aquella   en   que   es   tranfereixen   determinades   coses  a  entre  cèl·lules,  no  als  descendents  com  la  transferència  vertical.  Tipus:     -­Transformació:   Consisteix   en   que   la   cèl·lula   adquireix   DNA   del   medi   i   posteriorment  s’acaba  estabilitzant  produint  un  canvi  en  les  característiques  de   la  cèl·lula.     -­Transducció:   Consisteix   en   l’adquisició   de   material   genètic   d’una   cèl·lula   mitjançant  un  bacteriòfag.     -­Conjugació:  Consisteix  en  el  pas  de  material  genètic  d’una  cèl·lula  amb  una  altre   per   contacte   íntim   i   directe   a   nivell   d’envolta   entre   les   dues   cèl·lules   que   hi   participen.     En   tots   tres   hi   ha   una   cèl·lula   donadora,   per   exemple   en   el   cas   de   la   transformació  haurà  sigut  algú  que  hagi  deixat  el  material  allà,  però  sempre  hi   haurà  una  cèl·lula  donaradora  i  per  tant  algú  que  rebi,  també.     Fora  de  la  cèl·lula  el  DNA  s’anomena  exozigot  i  quan  entra  en  una  cèl·lula,  ho  fa   en   forma   de   merozigot.   Posteriorment   es   pot   produir   l’estabilització   d’un   DNA   exogen   per   cirularització   o   per   recombinació;;   o   si   la   cèl·lula   reconeix   aquest   material  genètic  com  “DNA  no  propi”,  pot  degradar-­lo.  Per  tal  de  reconèixer  un   DNA   propi,   una   cèl·lula   conté   enzims   que   reconeixen   el   DNA   que   només   pot   entrar  en  funció  del  patró  de  metilació  que  presenta.  Quan  una  cèl·lula  replica  el   seu  DNA,  el  metila.  Cada  espècie  té  un  patró  de  metilació  al  seu  material  genètic.     Possibilitats:     1)  Que  el  DNA  extern  s’estabilitzi  perquè  es  recombina  a  nivell  de  cromosoma  o   plasmidi,  i  aleshores,  el  DNA  ja  es  transmet  el  DNA  a  la  descendència.  És  a  dir,   primerament  pateix  una  tranferència  horitzontal  (pas  de  material)  i  seguidament   transferència  vertical  (pas  d’aquest  material  extern  als  descendents).     2)   El   DNA   es   circularitza,   s’estabilitza   i   per   tant,   pot   passar   als   descendents   perquè  té  capacitat  de  replicar-­se  (forma  com  un  cromosoma  independent).       3)  També  pot  ser  que  el  DNA  extern  es  circularitzi  però  no  es  repliqui,  quedarà   com  a  DNA  residual.  Per  tant  si  això  dona  lloc  a  una  població  només  una  cèl·lula   contindrà  aquest  material  genètic  extern,  ja  que  no  es  transmet  als  descendents.     4)  Aquest  DNA  exògen  sigui  degradat  pels  propis  sistemes  de  la  cèl·lula.     2.Transformació   Aquest  tipus  de  transferència  horitzontal  consisteix  en  que  DNA  lliure  del  medi   es   adquirit   per   la   cèl·lula   i   llavors   pot   ser   que   es   recombini   o   es   degradi.     La   transformació   en   si,   és   un   procès   natural   que   està   dirigit   per   uns   enzims   específics  que  permeten  que  les  cèl·lules  passin  a  un  estat  de  competència  que   es  basa  en  disposar  d’un  tipus  de  receptors  de  DNA  en  les  seves  envoltes  i  de   proteïnes   que   protegeixen   aquest   DNA   de   la   degradació   que   es   pugui   donar.   Aquestes   cèl·lules   són   transformables   i   la   competència   està   codificada   genèticament.  No  totes  les  cèl·lules  d’una  població  són  competents  (només  un   percentatge,  o  només  durant  un  període  de  temps).  El  percentatge  de  cèl·lules   competents  pot  variar  segons  el  medi  i  les  condicions  de  cultiu.       2.1  El  DNA  transformant     El  DNA  transformant  ha  de  ser  lineal  i  bicatenari.  Tot  i  que  es  pot  donar  en  DNA   plasmídic,   la   eficiència   és   molt   baixa.   Però   en   el   citoplasma   de   la   cèl·lula   receptora  només  entra  DNA  monocatenari.       -­En  gramnegatius:  es  reconeix  específicament  el  DNA  bicatenari  que  tingui  unes   seqüències   determinades.   Es   degrada   una   cadena   en   l’espai   periplasmàtic   i   l’altre  cadena  entra  en  el  citoplasma.       -­En  grampositius:  es  reconeix  qualsevol  DNA  bicatenari,  es  degrada  una  de  les   cadenes  i  l’altra  cadena  entra  al  citoplasma.     2.2  Model  de  transformació  de  dsDNA  lineal  en  grampositius   Trobem  unes  proteïnes  a  les  cèl·lules  competents  en  l’envolta  (proteïnes  d’unió   al  DNA)  que  reconeixen  el  DNA  lineal  de  doble  cadena,  sense  necessitat  de  que   sigui  DNA  de  la  mateixa  espècie.  Una  vegada  s’han  unit,  es  comença  un  procès   de   degradació   d’una   de   les   cadenes   mentre   que   l’altre   cadena   entra   al   citoplasma.  Al  entrar  una  cadena  simple,  es  susceptible  de  ser  degradada  i  per   això  trobem  uns  enzims  d’unió  a  la  cadena  simple  que  la  protegeixen.  Llavors,  si   posteriorment   trobem   homologia   entre   el   DNA   exògen   i   el   propi   de   la   cèl·lula,   aquest  s’inclourà  al  cromosoma.     *En   gramnegatius,   la   gran   diferencia   es   dóna   en   el   reconeixement   del   DNA,   perquè  cal  que  el  DNA  contingui  uns  pocs  parells  de  bases  propis  de  l’espècie,   és  a  dir,  reconeix  seqüències.  Tot  i  que  en  tots  dos  casos  entra  una  sola  cadena   i  el  DNA  s’estabilitza  per  recombinació.     2.3  Transformació  induïda   És  el  procés  que  s’utilitza  quan  es  fan  expreiments  de  clonació,  és  a  dir,  s’indueix   genèticament  la  competència  a  cèl·lules  no  competents.  Es  necessita,  per  tant,   transformar   el   DNA   extern   en   DNA   plasmidial   perquè   si   fos   lineal   podria   ser   degradat  al  entrar  a  la  cèl·lula.  El  fet  de  tranformar-­lo  en  DNA  plasmídic  fa  que   no   pugui   ser   degradat   per   les   exonucleases,   és   a   dir,   el   vector   plasmidic   protegeix   el   DNA   de   les   exonucleases.   Hi   ha   dos   mètodes   per   induir   la   competència  al  laboratori:     1)  Amb  ions  calci  i  tractament  a  0ºC,  desestabilitzant  les  envoltes  per  tal   que  el  DNA  exògen  pugui  entrar.   2)   Electroporació:   es   formen   transitòriament   porus   a   les   envoltes,   que   permet  l’entrada  del  DNA.     El  DNA  entra  dins  la  cèl·lula  i,  en  estar  en  un  plasmidi,  el  DNA  esta  estabilitzat.   Si  aquest  tingues  homologia  amb  el  DNA  propi  de  la  cèl·lula,  podria  recombinar,   sino  es  manté  com  a  plastidi.     3.  La  transducció   És  un  fenomen  natural  i  molt  freqüent  en  grampositius,  gramnegatius  i  Archaea.   A  més,  es  possible  reproduir-­la  a  nivell  de  laboratori.  Aquest  és  un  procès  molt   més  específic,  ja  que  el  que  porta  el  DNA  a  la  cèl·lula  és  un  bacteriòfag  i,  per   tant,   ha   de   ser   capaç   d’infectar-­la.   Els   receptors   dels   bacteriòfags   són   molt   específics  i,  això,  implica  una  gran  homologia  entre  el  DNA  del  donador  i  el  DNA   de  la  pròpia  cèl·lula.  Hi  ha  dos  tipus:     -­Generalitzada:   es   pot   transduir   qualsevol   gen   d’un   cromosoma.   Aquesta   es   dóna  en  bacteriòfags  atenuats  (aquells  que  fan  el  cicle  lisogènic  i  lític)  i  virulents   (aquells  que  fan  el  cicle  lític).  Es  transdueix  un  fragment  de  DNA  de  qualsevol   genoma,  el  qual  és  encapsulat  en  un  partícula  transductant  en  lloc  del  DNA  del   virus.     -­Especialitzada:   només   es   dóna   en   gens   concrets   i   només   en   bacteriòfags   atenuats.  Es  transdueix  una  regió  específica  del  genoma  del  procariota,  la  qual   forma  part  del  DNA  d’una  particula  transductant,  substituint  alguns  gens  del  virus.   Es  transfereixen  gens  al  costat  del  lloc  d’integració  del  bacteriòfag  al  cromosoma   bacterià.     3.1  La  transducció  generalitzada   Normalment   es   destrueix   el   material   genètic   de   l’hoste   i   el   cromosoma   del   bacteriòfag  és  el  que  es  replica.  En  aquesta  replicació,  quan  està  acabant  o  ha   acabat,   es   sintetitzen   les   proteïnes   de   la   càpside   i   després   es   comencen   a   empaquetar  el  DNA  dintre  de  les  càpsides.  Aquestes  proteïnes  responsables  de   l’empaquetament  del  DNA  a  la  càpside,  a  vegades  s’equivoquen  tot  i  que  amb   una  freqüència  baixa  i  enlloc  d’empaquetar  el  DNA  viral,  empaqueten  el  DNA  de   l’hoste.   Això   per   tant,   forma   partícules   de   transducció   generalitzada   que   no   poden   causar   infecció   vírica   perquè   no   tenen   DNA   víric.   Però   junt   a   aquestes   partícules  amb  material  del  bacteri  també  trobem  partícules  víriques  amb  el  propi   material   del   virus,   es   a   dir,   una   barreja   de   virions   normals   (vírics)   i   partícules   transductores.   Quan   aquesta   barreja   infecta   a   una   població   de   cèl·lules   receptores,  la  majoria  de  les  dites  cèl·lules  són  infectades  pel  virus  normal  però   una  petita  proció  de  la  població  rep  les  partícules  transductores  que  injectaran  el   DNA  que  tenen  empaquetat  del  bacteri  hoste  previ.  Malgrat  que  aquest  DNA  no   pot  replicar-­se  pot  fer  recombinació  genètica  amb  el  DNA  del  nou  hoste,  si  hi  ha   homologia,  i  per  tant  s’estabilitza  obtenint  cèl·lules  transductants.  Aquest  procès   es  produeix  amb  una  freqüència  baixa.     3.2  La  transducció  especialitzada   Aquest  tipus  de  transferència  es  extremadament  eficient  però  és  molt  selectiva   ja  que  es  transfereix  una  petita  part  o  regió  del  cromosoma  bacterià.       Quan  una  cèl·lula  conté  un  virus  en  forma  de  profag  (que  el  DNA  està  unit  al   DNA  de  la  cèl·lula)  i  de  forma  espontània  o  induida,  aquest  profag  es  pot  separar   del  cromosoma  i  el  DNA  fàgic  es  circularitza,  donant  lloc  a  un  cicle  lític  normal.         Amb   una   freqüencia   molt   més   baixa,   aquest   procès   d’escissió   del   DNA   fàgic   passa,  però  incorrectament,  de  manera  que  quan  el  DNA  del  profag  s’escindeix,   deixa  un  tros  del  seu  propi  cromosoma  viral  i  s’emporta  un  tros  del  cromosoma   bacterià   (dreta   o   esquerra   d’on   estava   inserit).   Quan   aquest   genoma   viral   es   multipliqui  i  s’encapsidi,  totes  les  càpsides  portaran  DNA  viral  i  de  l’hoste.  Quan,   ara,   aquestes   partícules   infectin   una   cèl·lula,   pot   adquirir   certes   capacitats   codificades  als  gens  de  l’hoste.  Els  bacteriòfags  s’integren  a  llocs  molt  específics   i,  per  tant,  uns  pocs  gens  poden  ser  transferits.     4.  La  conjugació   És   un   fenomen   natural   de   tranferència   genètica   que   implica   el   contacte   entre   cèl·lules  i  està  codificat  per  un  plasmidi.  Els  plasmidis  conjugatius  utilitzen  aquest   mecanisme   per   transferir-­se   a   si   mateixos   a   nous   hostes   (passen   de   cèl·lula   donadora  amb  plasmidi  conjugatiu,  a  cèl·lula  receptora  sense  plasmidi).     Aquests  plasmdis  que  codifiquen  per  a  operons  i  que  es  poden  transferir  tenen   un   origen   de   tranferència   (oriT).   Els   mecanismes   són   diferents   en   funció   del   plasmidi,   però   la   majoria   de   plasmidis   gramnegatius   utilitzen   un   mecanisme   similar   al   que   utilitza   el   plasmidi   F   (Fertility,   no   codifica   per   resistències   ni   funcions).  El  plasmidi  F  és  una  molècula  de  DNA  circular  que  té:   -­Una  regió  que  conté  gens  que  regulen  la  replicació́  del  DNA,     -­Elements  transposables  que  li  permeten  la  integració  al  DNA  del  hoste  (IS,  Tn).   -­Una  regió  de  DNA  llarga  (tra)  que  conté  gens  que  codifiquen  per  funcions  de   transferència,  gens  implicats  en  la  formació  de  l’aparellament,  gens  relacionats   amb  la  síntesi  del  pili...       *Només  els  bacteris  donadors  sintetitzen  aquests  pilis.  El  pili  que  serveix  per  al   reconeixement  de  les  superfícies  de  cèl·lules  a  les  quals  transferir  els  plasmidis,   fins  que  es  forma  un  pont  de  conjugació.     4.1  Conjugació  plasmídica  en  gramnegatius   •    Creuament  F+  (Donadora)  x  F-­  (Receptora)   El  DNA  plasmidial  s’ha  de  replicar  per  a  transferir-­se   per   conjugació,   però   no   es   replica   de   forma   semiconservativa,   sinó   per   replicació   del   cercle   rodant.       La   transferència   de   DNA   s’inicia   pel   contacte   entre   cèl·lules  a  través  del  pili,  moment  en  què  una  cadena   de   DNA   circular   del   plasmidi   es   tallada   per   l’enzim   Tral,  codificat  per  l’operó  tra  del  plasmidi  F.  Aquest   enzim  també  té  activitat  helicasa  i  per  tant  desenrotlla   la  cadena  de  DNA  que  es  transferirà.       A  mesura  que  es  va  transferint  el  DNA,  el  mecanisme   de  síntesi  per  cercle  rodant  va  substituint  la  cadena   transferida   en   el   donador,   mentre   que   es   sintetitza   una   cadena   de   DNA   complementari   en   el   receptor.   Així   doncs,   al   final   del   procés   donador   i   receptor   tenen   el   plasmidi   F   complet,   essent  tots  dos  F+  (cèl·lules  amb  plasmidi  F  no  integrat).     4.2  Conjugació  cromosòmica   4.2.1  Recombinació  del  plasmidi  F  amb  un  cromosoma  i  formació  soca  Hfr     La  integració  del  plasmidi  F  en  el  cromosoma  es  pot  produir  en  diversos  llocs  del   cromosoma  específics  on  es  trobin  els  elements  IS  (seqüències  d’inserció),  que   són   regions   d’homologia   de   seqüència   entre   el   DNA   plasmídic   i   cromosòmic.   Quan  una  cèl·lula  té  el  plasmidi  F  si  presenta  aquesta  seqüència  determinada,   podrà  formar  part  del  cromosoma  i  transferir-­se  juntament  amb  ell.       Les  cèl·lules  F+  tenen  un  plasmidi  F  no  integrat,  mentre  que  les  cèl·lules  Hfr  si   que  el  tenen  integrat  al  cromosoma.  Les  dues  són  cèl·lules  donadores,  però  la   conjugació  entre  una  cèl·lula  Hfr  i  una  altre  cèl·lula  (F-­)  implica  la  transferència   de  gens  del  cromosoma  de  l’hoste  i  del  plasmidi  F  ja  que  són  una  única  molècula   de   DNA.   En   conseqüència,   quan   el   plasmidi   F   inicia   la   replicació   pel   cercle   rodant,   posteriorment   continua   amb   el   cromosoma   (també   es   replica   i   es   transfereix).  El  donador  continua  sent  al  mateix  que  al  principi  (Hfr)  ja  que  té  el   plasmidi   F   integrat,   però   el   receptor   no   es   converteix   en   Hfr   sinó   que   segueix   sent  F-­  perquè  només  es  transfereix  part  del  plasmidi  F  integrat.  Això  es  degut  a   que   normalment,   els   ponts   de   transferència   es   trenquen   abans   que   es   pugui   completar   aquesta   transferència   de   DNA,   i   no   acaba   de   passar-­se   tota   la   informació  genètica.  Com  un  cromosoma  parcial  no  es  pot  replicar,  per  a  que  el   DNA   donador   pugui   sobreviure   s’haurà   de   recombinar   amb   el   cromosoma   del   receptor,  generant  un  nou  genotip  en  la  cèl·lula  F-­.     Per  tant,  la  integració  d’un  plasmidi  conjugatiu  proporciona  un  mecanisme  per   mobilitzar  recursos  genètics  de  la  cèl·lula.  La  presència  del  plasmidi  F,  provoca   3  alteracions:   1)  Capacitat  de  sintetizar  el  pèl  F.   2)  Mobilització  del  DNA  per  transferir-­lo  en  una  altra  cèl·lula.   3)  Alteració  dels  receptors  superficials,  de  manera  que  la  cèl·lula  deixa  d’actuar   com   a   un   receptor   en   la   conjugació   i   no   pot   acceptar   un   altre   plasmidi   F   o   plasmidis  relacionats.     Com  que  existeixen  diferents  seqüències  d’inserció  en  el  cromosoma,  el  plasmidi   es   pot   inserir   de   diferent   manera,   produint   diverses   soques   Hfr.   Una   soca   Hfr   determinada   sempre   transfereix   els   gens   en   el   mateix   ordre.   L’ordre   de   transferència  ve  donat  per  la  orientació  del  plasmidi  F.  En  algunes  IS,  el  plasmidi   F  s’integra  amb  l’origen  cap  a  un  sentit  i  en  un  altre  IS  cap  al  sentit  contrari.     Com  el  plasmidi  F  és  un  episoma  (funciona  de  manera  autònoma)  pot  abandonar   el  cromosoma  bacterià  en  el  que  està  integrat.  Durant  aquest  procés  el  plasmidi   F  amb  baixa  freqüència,  comet  un  error  en  la  escissió  de  forma  que  adquireix   una  porció  del  material  cromosòmic,  deixa  part  del  plasmidi,  i  es  converteix  en   plasmidi  F’.  La  cèl·lula  deixa  de  ser  Hfr  i  es  converteix  en  F’  la  qual  conserva  tots   els   seus   gens,   encara   que   alguns   estan   en   el   plasmidi.   La   conjugació   F’   x   F-­   traspassa  a  la  cèl·lula  donadora  el  plasmidi  F’  amb  alguns  gens  del  cromosoma   bacterià,  i  aquests  no  necessiten  incorporar-­se  al  cromosoma  del  receptor  per   expressar-­se.  El  receptor  es  converteix  en  F’  i  és  parcialment  diploide  ja  que  té   dos  cromosomes,  el  propi  i  el  transmès  pel  plasmidi  F’.         ...