Tema 8: Genètica i genòmica de procariotes (MB) (2016)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Microbiología - 1º curso
Asignatura Microbiologia
Año del apunte 2016
Páginas 7
Fecha de subida 09/04/2016
Descargas 50
Subido por

Vista previa del texto

TEMA  8:  Genètica  i  genòmica  de  procariotes   1.  El  genoma  de  procariotes   -­   El   cromosoma   (o   GENÒFOR):   element   genètic   que   codifica   els   productes   essencials   implicats   en   el   metabolisme   en   totes   les   diferents   condicions   de   creixement.   Són   els   anomenats   gens   House-­keeping   (de   manteniment   de   la   cèl·lula)  és  a  dir,  gens  essencials  per  la  cèl·lula  els  quals  si  els  retirem  la  cèl·lula   no  viuria,  per  tant  d’alguna  manera  malgrat  els  elements  genètic  no  cromosòmics   tinguin   la   mateixa   morfologia   que   el   cromosoma   de   les   procariotes,   podem   distingir-­los   ja   que   si   retirem   els   elements   no   cromosòmics,   la   cèl·lula   podria   seguir  sent  viable.       -­  Elements  genètics  no  cromosòmics:  són  els  plasmidis  i  també  poden  ser  fins  i   tot  bacteriòfags  els  quals  tenen  el  seu  material  genètic  dintre  del  procariota  com   si  fos  un  plasmidi.     2.  El  cromosoma  procariota   2.1  Un  problema  de  mides   Si   agafem   com   a   exemple   un   cromosoma   tipus   E-­coli,   trobem   que   es   un   cromosoma   circular   i   covalentment   tancat,   té   una   mida   de   4.639   pb,   que   codifiquen  per  a  4.288  gens,  per  tant  entendrem  que  un  gen  procariota  no  són   masses  parells  de  bases.   Es  un  cromosoma  que  donaria  aproximadament  a  una  circumferència  de  1,5mm   i   amb   un   diàmetre   de   5   nm,   que   representa   500   vegades   el   diàmatre   d’una   cèl·lula   d’E-­coli.   Per   tant   el   cromosoma   està   superenrotllat,   ja   que   ha   de   ser   adequat   pel   bacteri   i   a   més   a   més   ha   de   tenir   accessibles   en   determinats   moments   els   gens,   accessibles   per   la   transcripció   o   replicació.   Per   tant,   en   fraccions  de  moment  aquest  material  genètic  es  va  enrotllant  i  desenrotllant  de   manera  continua,  transcrivint  i  replicant.     2.2  Estructura   -­Té   un   origen   de   replicació(OriC)   per   on   es   comença   a   replicar   a   partir   de   la   formació   de   les   dues   forquilles,   una   cap   a   la   dreta   (replicació   en   sentit   de   les   agulles   de   rellotge)   i   l’altra   cap   a   l’esquerra   (replicació   en   sentit   contrari   a   les   agulles  del  rellotge).  L’incorporació  de  nucleòtids  és  de  forma  contant,  per  tant,   les  dues  forquilles  segueixen  la  mateixa  velocitat,  llavors  totes  dues  arriben  a:   -­La  seqüència  Ter,  que  es  la  seqüència  de  terminació,  i  es  on  es  segella  la  forma,   tenint  replicat  el  cromosoma.  Aquesta  seqüència  Ter  es  tropa  en  la  zona  oposa   a  l’origen  de  replicació.   -­   A   més   a   més   desaquem   dues   regions   no   estructurades  que  són:  Ns-­right  i  NS-­left.     En   aquest   cromosoma   circular   trobem   els   diferents  superdominis  que  s’estructuren  com  a  la   imatge:               Cada   superdomini   està   compactat   en   microdominis.   Participen   diferents   proteïnes  en  manternir  aquest  superenrotllament,  com  la  proteïna  H-­NS.     2.3  Mida  i  geometria   Tot  i  que  hem  dit  les  característiques  bàsiques  del  cromosoma  en  procariotes,   cal   remarcar   que   no   tots   els   procariotes   tenen   el   material   genètic   de   forma   circular,  hi  ha  alguns  que  tenen  lineal.       També  cal  dir  que  no  tots  els  procariotes  tenen  un  únic  cromosoma,  sinó  que  hi   ha  excepcions  de  bacteris  i  arquees  amb  2  i  3  cromosomes.       La   mida   dels   cromosomes   també   es   variada   i   està   molt   relacionada   amb   la   quantitat   de   cromosomes   que   en   té,   per   exemple   el   llevat   Saccharomyces   cerevisiae   té   repartit   12,06   mb   en   16   cromosomes   lineals,   però   d’altres   com   Streptomyces  coelicolor  té  8,66  mb  repartides  en  un  únic  cromosoma  lineal.   El  del  microplasma  genitalum  té  el  genoma  més  petit  (0,58  mb),  tot  i  així  trobarem   una  mida  límit  del  cromosoma  que  depèn  de  la  vida  del  procariota  en  si  (del  tipus   de  proteïnes  o  expressió  que  necessiti).     2.4  Cromosoma  dinàmic     En   condicions   bones   de   nutrients,   la   situació   del   cromosoma   en   la   cèl·lula   és   dinàmica,  és  a  dir,  el  cromosoma  es  va  replicant  constantment  amb  una  velocitat   de  còpia  de  1000  nucleòtids/s  per  part  de  la  DNA  polimerasa.  A  la  vegada  que   es  replica  també  es  transcriu  i  es  tradueix  (són  processos  simultanis).  La  velocitat   de  transcripció  de  la  RNA  polimerasa  és  més  baixa,  al  voltant  de  45  nucletótids/s.     3.  Elements  genètics  no  cromosòmics   Els  plasmidis  són  replicons  (molècules  petites  de  DNA  que  es  poden  replicar)  i   que  per  tant  té  tots  els  elements  necessaris  i  per  això  són  autònoms  i  diferents   al  cromosoma,  i  només  codifiquen  per  allò  que  els  hi  cal.  Normalment  són  dsDNA   (doble  cadena),  circulars,  covalentment  tancats  i  estan  superenrotllats,  amb  una   grandària  variable  (103-­106).       -­A  vegades  poden  estar  coordinats  amb  el  cromosoma,  és  a  dir,  quan  parlem   d’un  plasmidi  coordinat,  quan  el  cromosoma  inicia  la  replicació  el  plasmidi  també.   Tot  i  això  la  majoria  de  cromosomes  són  més  grans  que  el  plasmidi  i  per  tant   trigaran  més  temps,  d’aquesta  manera  el  plasmidi  esperarà  a  que  el  cromosoma   acabi   la   replicació   i   tornarà   a   iniciar-­   se   simultàniament.   En   aquests   plasmidis   coordinats  podem  trobar  la  mateixa  quantitat  que  de  cromosomes.     -­Si   es   tracta   d’un   plasmidi   no   coordinat   el   plasmidi   iniciarà   i   finalitzarà,   independent   al   cromosoma,   per   tant   el   numero   de   plasmidis   s’anomenen   de   multicopia  o  alt  nombre  de  còpies  i  superen  al  nombre  de  cromosomes,  i  que  per   tant  són  oposats  als  unicòpia  o  coordinats.     El  nombre  de  còpies  es  variable,  segons  el  tipus  de  plasmidi  que  es  tracti.  Moltes   vegades  un  bacteri  conté  diversos  tipus  de  plasmidis  però  aquests  han  de  ser  de   grups  diferents,  si  són  del  mateix  grup  aquests  són  incompatibles  (Inc)  degut  a   que  utilitzen  el  mateix  sistema  de  replicació  i  s’acaba  eliminant  un  dels  dos.  Tot   i  això  poden  coexistir  en  una  mateixa  cèl·lula  plasmidis  de  grups  diferents.     Aquest  procés  s’anomena  incompatibilitat  plasmídica,  i  representa  una  manera   de   poder   organitzar   els   plasmidis   en   grups   d’incompatibilitat,   els   individus   del   qual  no  podran  coexistir  en  una  mateixa  cèl·lula.       3.1  Estructura  dels  plasmidis   -­Mòduls  fonamentals:  els  quals  sempre  estaran  presents  en  plasmidis  i  són  els   que  els  defineixen  com  a  tals,  assegurant  la  seva  replicació:     -­Origen  de  replicació  (ori)   -­Regions  de  replicació  (rep)   -­Regions  de  partició  (par)     -­Mòduls  no  fonamentals:  poden  presentar-­ho  o  no.     -­Transferència  (gens  tra  o  mob  i  lloc  mob  o  oriT):  Plasmidis  conjugatius  o   transferibles,   que   fa   referència   a   la   capacitat   de   transferència   que   està   codificada  en  els  plasmidis  i  no  en  els  cromosomes.  Quan  un  plasmidi  té   un   aquest   mòdul,   llavors   es   tranferible,   però   si   no   tingués   aquesta   propietat   seguiria   essent   un   plasmidi,   tot   i   que   no   es   podria   transmetre   horitzontalment.     -­  Transposons:  són  seqüències  de  DNA  que  es  poden  desplaçar  al  llarg   de  diferents  posicions  del  genoma  d'una  cèl·lula,  procés  que  és  anomenat   transposició.   -­Transposó  simple  o  sequències  d’inserció  (IS)     -­Transposó  compost  (Tn):  contenen  dues  IS  al  extrem.     -­  Integrons.     -­  Altres  gens:   -­Gens  no  essencials:  són  molt  importants  per  a  la  vida  de  la  cèl·lula   i   a   nivell   industrial,   però   s’anomenen   no   essencials   perquè   no   defineixen  a  un  plasmidi.  Podem  trobar:   -­Gens   que   intervenen   en   rutes   de   biosíntesi   de   producció   d’antibiòtics.   -­Gens   amb   funcions   diverses   que   donaran   capacitats   metabòliques  o  fisiològiques.     -­Gens   que   codifiquen   resistències   a   antibiòtics   o   antimicrobians  (plasmidis  R).     -­Gens  de  virulència,  com  proteïnes  d’invasió,  toxines...     -­Funció  desconeguda:  plasmidis  críptics   -­Funció  coneguda:  confereixen  un  determinat  fenotip  a  la  cèl·lula   hoste  (propietats  metabòliques,  avantatges...).       Si   agafem   l’exemple   d’un   plasmidi   que   es   R100,   aquest   es   tracta   d’un   plasmidi   conjugatiu   o   transferible  perquè  trobem  el  lloc  oriT  o  el  gen  tra.   Posteriorment   trobem   altres   secuencies   com   Str   (resisència   streptomicina),   Cat   (resisència   clorafenicol),  tet  (resistència  a  la  tetraciclina),  Mer   (resistència  al  mercuri)  i  d’altres.  De  tal  manera  que   aquesta  soca  que  contingui  aquest  plasmidi,  tindrà   totes  aquestes  característiques,  tot  i  que  aquestes   regions  no  són  fundamentals  pel  plasmidi.   3.2  Elements  mòbils   Tant  en  cromosomes  com  en  plasmidis  trobem  un  seguit  d’elements  genètics,   que  li  donen  major  dinamisme  al  propi  plasmidi  i  cromosoma,  són  els  anomenats   elements  mòbils  que  són  elements  genètics  discrets,  localitzats  en  cromosomes   i  en  plasmidis  que  codifiquen  l’enzim  necessari  per  moure’s  com  una  unitat  des   d’una  localització  a  un  altre  de  la  mateixa  molècula  o  entre  molècules.  També   s’han   trobat   en   virus.   Aquests   es   poden   moure   a   qualsevol   distància.   Es   pot   inserir-­se   una   còpia   d’ell   o   es   pot   treure   directament   d’un   lloc   i   afegir-­se   a   un   altre,  és  a  dir,  van  fent  salts.  Trobem:     -­Seqüències  d’inserció  (IS):  seqüència  petita  que  codifica  l’enzim  que  li  permet   transportar  d’un  lloc  a  un  altre  i  es  la  transposasa  que  es  troba  flanquejada  als   extrems  per  un  nombre  petit  de  pb  repetides.  Aquestes  repeticions,  poden  ser   repeticions  directes  (directed  repeat)  o  invertides  (inversed  repeat).  Quan  trobem   dues   seqüències   d’inserció   iguals   i   en   la   regió   central   trobem   gens   que   codifiquen  alguna  cosa,  això  és  el  que  s’anomena  un  trasposó.  Es  mou  tot,  les   dues  IS  i  la  regió  central.       -­Transposons   (Tn):   un   trasposó   quan   es   mobilitza,   mobilitza   allò   que   codifica,   d’un  punt  d’un  cromosoma  a  un  altre  punt  del  cromosoma,  o  del  cromosoma  a   un  plasmidi,  adquirint  el  plasmidi  les  alguna  característica  o  resistència  que  havia   desenvolupat  el  cromosoma  (posteriorment  si  es  plasmidi  conjugatiu  ho  podrà   transmetre).       -­Integrons,   són   importants   per   l’adquisició   de   gens   i   mobilització   de   gens,   aquests,  ja  que  aquests  integren  informació  genética,  tot  i  que  de  per  si,  no  es   poden   mobilitzar,   si   es   troben   en   troben   en   transposons,   es   poden   mobilitzar.   Integrar  gens  vol  dir  que  en  el  citoplasma  podem  trobar  petits  DNA  lliures,  com   un  gen,  que  no  s’expressa  ni  es  replica.  Aquest  gen  com  no  té  promotor,  no  es   pot  replicar,  i  es  queda  de  forma  residual  a  la  cèl·lula.  En  aquesta  situació  si  la   cèl·lula   on   està   el   gen,   té   integrons,   aquest   gen   es   pot   integrar   començant   a   formar  part  del  cromosoma  o  plasmidi  que  l’ha  captat  gràcies  als  integrons.  Els   integrons  tenen  un  promotor  molt  fort  on  a  partir  del  qual  s’expressaran  tots  els   gens  que  vagi  capturant.  Aquest  integró  conté:   -­Una   regió   o   lloc   específic   d’integració   attl   (regions   d’integració   d’attachment)   -­Una  integrasa  (intl)   -­Promotor  (Pc)  que  permet  la  lectura  dels  gens  que  es  van  capturant.     El  gen  blau  entra,  catalitzada  per  la  integrasa,  aquest  integró  que  tenia  n  gens,   l’últim  gen  que  integra  es  el  que  està  més  a  prop  del  promotor.  Si  s’afegeix  un   altre  gen,  s’integra,  però  desplaça  el  blau  cap  a  darrere  perquè  el  gen  introduit   de  nou  ha  d’estar  el  més  a  prop  possible  al  lloc  attl  i  a  més  a  més  el  gen  que   tindrà  una  major  capacitat  d’expressió  es  l’últim  que  s’ha  capturat  perquè  està   més  a  prop  del  promotor.  Si  pasa  en  un  plasmidi,  els  gens  que  s’estan  capturant,   poden  ser  gens  ara  transferibles  si  el  plasmidi  es  transferible  o  es  troba  en  un   transposó.  Aquestes  estructures  els  hi  donen  variabilitat  genética,  per  aquesta   raó  es  dificil  establir  el  concepte  d’espècies  en  procariotes.           4.  Anàlisi  del  genoma   Quan   s’obté   el   genoma   d’un   clón   això   ens   dona   informació   sobre   el   genoma   d’una  soca:   -­  La  grandària  del  genoma  (bases  nitrogenades).   -­  Els  diferents  marcs  oberts  de  lectura  (ORF)     -­  El  %  de  regions  codificants  possibles  es  més  gran  que  en  eucariotes.   -­  Podem  calcular  la  grandària  d’una  proteïna  en  aminoàcids  per  veure  quina  es   la  més  gran  si  trobem  que  al  voltant  1  gen=1000  pb  i  una  proteïna  de  mitjana  és   de  300  aminoácids.   -­  Poques  seqüències  repetitives  no  codificants   -­  Poques  duplicaciones  gèniques  de  RNA.     -­  Malgrat  es  pensi  que  la  gran  majoria  dels  gens  en  procariotes  estan  en  operons,   això  no  és  així,  la  gran  majoria  dels  gens  procariotes  no  estan  en  operons.   -­  Els  gens  que  intervenen  en  una  determinada  funció,  estan  molt  propers  entre   ells,  és  a  dir,  famílies  gèniques  i  funcionals  estan  agrupades  físicament.   -­  Trobem  elements  mòbils   -­  Podem  trobar  bacteriòfags,  siguin  sencers  o  trossos  de  DNA  de  bacteriòfags   (genomes  vírics  o  pròfags).     -­   Trobem   gens   d’altres   organismes   degut   a   la   gran   capacitat   de   adquisició   (transferència  horitzontal).     4.1  La  cèl·lula  mínima   Quin  deu  ser  el  nombre  mínim  de  gens  que  li  calen  a  una  cèl·lula  per  a  poder   viure,  créixer  i  replicar-­se  (Ser  viable)?       Es   suposa   que   al   voltant   de   517   gens   (265-­350   és   el   mínim   per   fer   créixer   a   alguns   bacteris   per   en   endosimbiosi).   L’endosimbiosi   és   una   tècnica   molt   utilitzada  per  microorganismes  per  a  reduir  el  material  genètic  necessari  ja  que   com   s’aprofiten   de   l’activitat   d’un   altre   organisme,   limiten   el   nombre   de   gens   necessaris.             5.  Del  genoma  al  pan-­genoma   Pan-­genoma   fa   referència   al   genoma   de   tots   els   microorganismes   que   estan   formant  l’espècie.  D’una  mateixa  espècie  de  bacteri,  podem  trobar  dues  o  més   soques  diferenciades  pel  material  genètic  que  contenen.  Es  poden  diferenciar  en   el  nombre  de  gens,  en  el  contingut  dels  gens,  o  diferents  tipus  de  gens,  (EX:  com   passa  amb  E.  Coli).       Tot  això,  ens  porta  d’alguna  manera  a  reflexionar  sobre  el  concepte  d’espècie  en   procariotes.   En   procariotes,   diferents   microorganismes   aïllats   pertanyen   a   la   mateixa   espècie   si   hi   ha   una   elevada   semblança   dels   seus   DNA’s   i   una   clara   diferenciació  fenotípica  pel  que  fa  a  altres  espècies.       La  semblança  dels  DNAs  es  mesura  a  partir  de  la  hibridació  del  material  genètic   d’una  soca  amb  una  altra  i  obtenint  com  a  resultat  més  del  70%  de  relació  DNA-­ DNA  en  unes  determinades  condicions  i  que  hi  hagi  un  5%  de  diferència  o  menys   en  el  percentatge  de  G+C.     5.1  Situacions  excepcionals   Tot  i  això  podem  trobar  excepcions  com  Yersenia  Pestis  causant  de  la  pesta  i  la   Yersenia  pseudotuberculosis,  les  dues  contenen  una  semblança  en  el  seu  DNA   superrior  al  90%,  de  fet  podríem  dir  que  són  la  mateixa  espècie,  tot  i  així  trobem   una  raó  de  pes  per  separar-­les  i  es  degut  a  la  seva  patogenia,  una  causant  de  la   peste  i  l’altre  no.       Malgrat   la   homologia   genètica   es   mante   el   nom   de   dues   espècies,   degut   a   la   diferència  en  virulència  que  presenten  i  per  raons  de  seguretat.       5.2  Contingut  del  pan-­genoma   El  genoma  d’una  espècie  o  pan-­genoma  conté:     -­Core  del  genoma:  el  cos  central  del  genoma  que  conté  tots  els  gens  comuns  en   totes  les  soques  de  l’espècie.
-­Regions  dispensables:  regions  que  es  troben  en  algunes  soques  però  no  totes.   -­Gens  específics  de  la  soca:  gens  que  són  propis  de  cada  aïllat.     Per  tant  el  pan  genoma  inclou  tots  els  gens  comuns  i  no  comuns  que  s’hagin   seqüenciat,   tot   i   que   arriba   la   gran   pregunta   de   la   quantitat   de   clons   que   cal   seqüenciar  per  poder  establir  el  pan-­genoma  d’una  espècie.  Això  dependrà  de   la  variabilitat  genòmica  que  tinguin  les  diferents  espècies.  D’alguna  manera  es   pot   predir   els   clons   que   caldrà   aïllar   en   funció   de   dades   genòmiques   de   cada   espècie  amb  diferents  models  matemàtics.     Per   tant,   podem   determinar   que   el   pan-­genoma   en   molts   casos   es   troba   en   construcció   i   que   el   pan-­genoma   cap   soca   el   conté   en   si,   ja   que   aquest   pan-­ genoma   en   deriva   de   moltes   seqüències   de   diferents   soques   de   la   mateixa   espècie.           6.  Metagenoma   Si  mirem  la  variabilitat  de  bacteris  que  són  capaços  de  poder  crèixer  en  laboratori   és  molt  baixa  respecte  a  la  diversitat  del  medi,  això  es  degut  a:     1)   El   fet   de   no   conèixer   les   condicions   que   calen   perquè   creixin   a   nivell   de   laboratori.     2)  Els  bacteris  en  determinats  ambients  estan  molt  estressats  a  nivell  metabòlic   i   son   incapaços   de   crèixer.   Posem   un   exemple,   en   el   cas   de   la   Salmonella   aquesta  es  troba  en  molts  ambients  i  pot  resistir  a  ambients  molts  estressants,   de  manera  que  quan  s’intenta  fer  crèixer  aquest  bacteri,  primerament  per  poder-­ lo  reanimar  caldria  fer  crèixer  en  un  medi  de  cultiu  pobre  per  recrear  aquestes   condicions  estressants,  incubant-­la  durant  un  temps  i  posteriorment  ja  es  podria   afegir  en  un  medi  ric  i  específic  per  a  Salmonella  amb  la  capacitat  de  crèixer.   D’alguna  manera  es  necessari  aquesta  activació  del  metabolisme  per  poder  fer-­ lo  creixer.     3)  A  vegades  aquesta  capacitat  de  revitalitzar  bacteris  no  es  pot  fer  o  no  som   capaços  de  fer.     Aquestes  que  no  són  capaces  de  esser  crescudes  en  medis  de  laboratori  són   soques   viables   però   no   cultivables,   fet   que   fa   determinar   que   representen   al   voltant  del  99%  dels  bacteris,  essent  només  un  1%  cultivable  i  per  tant,  només,   avui  dia  coneixem  aquest  percentatge  de  diversitat  de  procariotes.       La   metagenòmica   és   ciència   que   estudia   els   genomes   microbians   extrets   directament  de  comunitats  en  mostres  ambientals  sense  cultivar,  ja  que  aquests   no  són  cultivables,  o  a  través  de  mètodes  indirectes.       Si  posem  l’exemple  de  la  microbiota  intertinal  humana  trobem  que  compren  més   de  1500  espècies.  Aquesta  microbiota  correspon  al  voltant  de  200  vegades  més   que  gens  en  el  genoma  humà,  del  tal  manera  que  podem  dir  que  la  diversitat   genètica  procariota  en  referència  a  nosaltres  és  tremendament  gran.     L’obejctiu   d’aquest   anàlisi   de   les   comunitat   microbianes   es   poder   conèixer   la   diversitat  i  poder  establir  relacions  de  la  microbiota  amb  per  exemple,  el  trastorn   de  la  obesitat.  Fa  uns  anys  s’ha  investigat  sobre  aquest  cas  de  l’obesitat  i  s’ha   vist  que  l’obesitat  està  molt  relacionada  amb  les  diferents  colonies  microbianes,   de   tal   manera   que   poser,   modificant   el   metagenoma   intestinal   es   podría   combatre.                     [acasals]  Més  apunts  a:  https://unybook.com/perfil/acasals     ...