T13 - RECOMBINACIÓN Flashcards
MECANISMOS DE RECOMBINACIÓN GENÉTICA EN BACTERIAS
Proceso por el que una bacteria (bacteria receptora) adquiere información genética (fragmentos de DNA) procedentes de otra bacteria (bacteria donadora). Normalmente ocurre entre bacterias de la misma especie, o entre bacterias filogenéticamente próximas.
TRANSFORMACIÓN: el DNA se transfiere
como molécula libre (la bacteria donadora
debe lisarse y liberar fragmentos de DNA). Tiene importancia en los laboratorios en casos concretos como técnica artificial.
TRANSDUCCIÓN: el DNA es transferido
entre bacterias mediante un virus bacteriano (bacteriófago).
CONJUGACIÓN SEXUAL: el DNA se transfiere
por contacto directo entre bacterias, a través de la formación de un puente sexual entre ellas. La bacteria debe contener un plásmido
conjugativo.
RECOMBINACIÓN GENÉTICA
El proceso de recombinación genética se realiza en dos etapas:
- Entrada del DNA de la bacteria donadora a la receptora.
- Integración del DNA en el cromosoma de la bacteria receptora (recombinación propiamente dicha).
No siempre la segunda etapa sigue a la primera, ya que hay dos factores que limitan el proceso de recombinación.
- El sistema de restricción-modificación.
- Homología entre las secuencias.
SISTEMA DE RESTRICCIÓN-MODIFICACIÓN
Es un sistema que permite distinguir entre el DNA propio y el DNA exógeno (extraño), de manera que este es degradado, y protege a la bacteria de infecciones víricas (bacteriófagos). Consta de dos partes:
- ENZIMAS DE RESTRICCIÓN: Cada especie bacteriana tiene unos enzimas (endonucleasas), que reconocen secuencias cortas de DNA (dianas de restricción: 4-8 pares de bases) y cortan las dos cadenas por puntos equivalentes, degradando el DNA en puntos concretos donde se encuentra la secuencia diana.
Las dianas son secuencias palindrómicas o repeticiones invertidas. Cada enzima de restricción reconoce una secuencia diana y la corta por un punto concreto, equivalente en las dos cadenas. Cuando entra DNA exógeno (no propio) en una bacteria, estas enzimas lo degradan. No obstante, estas endonucleasas no degradan en DNA propio, ya que está protegido de la degradación mediante los enzimas de modificación:
- ENZIMAS DE MODIFICACIÓN: Reconocen la misma diana y la modifican (metilan una de las bases de la diana), de manera que la diana modificada no es reconocida por el enzima de restricción.
El DNA propio de cada especie bacteriana esa modificado según su propio patrón y no es degradado por los enzimas de restricción de la misma bacteria. El DNA extraño (exógeno, de otra especie) no marcado por el sistema propio de modificación, no es reconocido como propio y es degrado. Por eso la recombinación es mucho más frecuente entre bacterias de la misma especie.
HOMOLOGÍA ENTRE LAS SECUENCIAS
Una vez internalizado, el DNA exógeno que no es degradado debe integrarse en el cromosoma de la bacteria receptora. El DNA exógeno no puede replicarse por si solo, y para mantenerse de manera estable en la bacteria debe incorporarse a su cromosoma (realizado por las proteínas REC).
Para que se produzca la integración por recombinación, las cadenas de DNA que van a recombinar deben tener secuencias homólogas (iguales o muy parecidas): esta homología es mayor entre cepas de la misma especie, y va disminuyendo entre especies cuanto más separadas estén filogenéticamente.
Cuando DNA circular (cerrado), como un plásmido, recombina solo en un punto con el cromosoma bacteriano (secuencias homólogas), el plásmido completo se integra en forma lineal en el cromosoma, sin que éste sufra otros cambios (solo la integración del
plásmido).
Cuando un fragmento de DNA lineal recombina en dos zonas homólogas del cromosoma bacteriano, el DNA exógeno sustituye el DNA cromosomal entre los dos puntos donde ocurre la recombinación. La recombinación implica que dos cadenas distintas de DNA se “cortan” y se “pegan”
en la zona de homología, y se forman cadenas con DNA de ambos orígenes.
TRANSFORMACIÓN
Proceso de recombinación genética entre bacterias, en el que el DNA de la bacteria donadora es transferido a la receptora en forma de fragmento de DNA libre (la bacteria donadora debe lisarse y liberar fragmentos de DNA). Fue el primer fenómeno descrito de recombinación genética en bacterias.
La capacidad de un microorganismo para ser transformado (internalizar fragmentos de DNA exógeno) es denominada COMPETENCIA.
Por tanto, las bacterias capaces de integrar un fragmento de DNA exógeno se denominan BACTERIAS COMPETENTES y esta competencia depende de la especie.
Hay pocas especies bacterianas que sufran el
fenómeno de transformación de forma natural (es relativamente importante en bacterias con tendencia a la autolisis y en algunos procesos infecciosos para evadir la respuesta inmutaría: variación antigénica).
Muchas bacterias NO son transformables de manera natural, y el estado de competencia se induce artificialmente en el laboratorio por diferentes métodos.
TRANSDUCCIÓN
Mecanismo de recombinación genética entre bacterias, en el que el DNA es transferido desde la bacteria donadora a la receptora mediante un virus bacteriano (bacteriófago).
Cuando un bacteriófago infecta una bacteria, le inyecta el DNA, y pueden darse dos procesos: CICLO LÍTICO y CICLO LISOGÉNICO.
Dependiendo del ciclo del bacteriofago, la transducción puede ser de dos tipos: TRANSDUCCIÓN GENERALIZADA TRANSDUCCIÓN ESPECIALIZADA.
VIRUS - BACTERIÓFAGO
- Agentes biológicos formados por material genético (genoma del virus: DNA o RNA) rodeado de una cubierta proteica que lo protege (cápsida).
- Carecen de actividad metabólica propia.
- Son parásitos intracelulares estrictos: solo se multiplican cuando están parasitando a una
célula, empleando la maquinaria metabólica de la misma. - Cada virus solo parasita a un tipo concreto de células que tienen receptores para el virus (la infección es muy específica).
- Hay virus que infectan bacterias (bacteriófagos): Ejemplo: el fago lamba (λ) de E. coli.
CICLO LÍTICO - CICLO REPLICATIVO DE UN BACTERIOFAGO
Etapas del ciclo lítico:
1) Unión el fago a la superficie de la bacterias (receptores específicos).
2) Inyección del DNA vírico al interior de la bacteria (la cápsida queda fuera).
3) Multiplicación del genoma (DNA) vírico.
4) Expresión de los genes del fago y síntesis de las proteínas de la cápsida.
5) Ensamblaje del DNA dentro de la cápsida: formación nuevas partículas víricas (es un proceso mecánico: autoensamble).
6) Lisis de la bacteria y liberación de las partículas víricas.
En este proceso, el virus se multiplica a expensas de la bacteria, el cromosoma bacteriano se degrada, y finalmente la bacteria se lisa, liberando los virus.
CICLO LISOGÉNICO
El DNA fágico una vez inyectado se integra en el cromosoma bacteriano, por recombinación específica. El fago lambda (λ) de E. coli se integra entre los operones GAL y BIO del cromosoma.
El DNA vírico integrado en el cromosoma bacteriano se denomina PROFAGO (PROVIRUS), y la cepa bacteriana se denomina LISÓGENO O CEPA LISOGÉNICA (o LISOGENIZADA). Las cepas lisogénicas se comportan como una bacteria no infectada: crecen y se multiplican, y cada célula conserva el profago, de manera indefinida.
En respuesta a factores ambientales (daños en el DNA, UV, …) el profago se “desintegra” (sale) del cromosoma y se genera un ciclo lítico, que acaba lisando a las bacterias (de hecho, se denominaron lisógenos por su tendencia a la lisis).
TRANSDUCCIÓN GENERALIZADA:
Ocurre siempre después de un ciclo lítico. Durante el ensamblaje de las partículas víricas, algunas cápsidas encierran fragmentos de DNA cromosomal bacteriano: PARTÍCULAS VÍRICAS TRANSDUCTANTES, que no contienen DNA vírico (ocurre a baja frecuencia).
Las partículas víricas transductantes no son infectivas, pero pueden inyectar su DNA a otra bacteria (receptora), que lo puede integrar en su cromosoma por recombinación. Se puede transferir cualquier gen.
TRANSDUCCIÓN ESPECIALIZADA:
Necesita que un ciclo lisogénico preceda al ciclo lítico. Por lo tanto, solo se da cuando la bacteria donadora es una cepa lisogénica. Cuando el profago sale (se separa o escinde) del cromosoma para iniciar el ciclo lítico, puede ocurrir, a baja frecuencia, que el proceso ocurra de manera anómala, y un trozo (fragmento) de DNA vírico quede en el cromosoma, y una parte del DNA bacteriano (del cromosoma) adyacente al sitio de integración del profago, se incorpore al DNA vírico.
Esta partícula vírica transductante (contiene un fragmento de ADN bacteriano) puede “infectar” a otra bacteria receptora, donde no se desencadenará un ciclo lítico, ya que las partículas víricas transductantes son defectuosas (les falta parte del genoma vírico).
El DNA inyectado puede integrarse por recombinación en el cromosoma de la bacteria receptora, que incorporará a su cromosoma un fragmento de DNA de la bacteria donadora (con o sin DNA vírico, según como ocurra la recombinación).
Solo se pueden transferir los genes bacterianos adyacentes al sitio de integración del profago. En el caso del fago λ de E. coli solo se pueden transferir los genes de los operones GAL o BIO, que flanquean al profago cuando se integra en el cromosoma bacteriano.
CONJUGACIÓN
Proceso de recombinación genética en bacterias, en el que el DNA se transfiere de la bacteria donadora a la receptora por contacto directo entre ambas, gracias a la formación de un puente sexual que une ambos citoplasmas.
Para que tenga lugar, una de las células (donadora) debe contener un plásmido conjugativo que contiene los genes codificantes para proteínas que intervienen en el proceso de conjugación (tra): capacidad de formar el pelo sexual (estructura filamentosa responsable del inicio de la conjugación).
Los plásmidos conjugativos (al igual que otros plásmidos), además de poder estar presentes como estructuras independientes del cromosoma, pueden integrarse en el cromosoma bacteriano y formar parte del mismo (plásmidos integrativos).
El ejemplo mejor estudiado en la conjugación en Escherichia coli, mediado por un plásmido conjugativo denominado el Factor F “Fertility”).
- Las cepas de E. coli que contienen el plásmido se denominan F+.
- Las cepas de E. coli sin el plásmido son cepas F-.
- Las cepas de E. coli que contiene el plásmido (Factor F) integrado en su cromosoma se denominan Hfr (Alta frecuencia de recombinación: “High frequency of recombination”).
La conjugación se produce entre una cepa donadora F+ o Hfr (con el plásmido) y una receptora F- (sin plásmido).
CONJUGACIÓN ENTRE CEPAS F+ Y F-
La célula F+ forma el pelo sexual, que contacta con la bacteria F-, a la que se une. El pelo se retrae (contrae) hasta que las dos bacterias contactan y se forma un puente sexual que comunica ambos citoplasmas. Esta unión es débil y se rompe fácilmente (no es duradera). A través del puente sexual se transfiere el plásmido (Factor F) a la bacteria receptora.
La transferencia se inicia en un punto concreto del plásmido (origen de transferencia: OT). Se transfiere solo una cadena de DNA plasmídico (la otra queda en la bacteria donadora). Las zonas monocatenarias sirven de molde para que la DNA polimerasa copie la cadena complementaria, en ambas bacterias (donadora y receptora) a medida que se produce la transferencia. Cuando la trasferencia se completa, las dos bacterias se separan.
Tras el proceso, que no es muy largo, ambas bacterias tienen el plásmido, las dos son F+.
Los plásmidos conjugativos SE TRANSFIEREN RÁPIDAMENTE ENTRE LA POBLACIÓN BACTERIANA (mecanismo de “Transferencia horizontal de genes”). NO HAY INTERCAMBIO GENES CROMOSOMALES entre las bacterias, únicamente se transfiere el plásmido.
CONJUGACIÓN ENTRE CEPAS HFR Y F-
En las cepas HFR el plásmido (Factor F) está integrado en el cromosoma de la bacteria, pero sigue siendo funcional. La bacteria HFR tiene pelo sexual y actúa como donadora en la conjugación.
La transferencia se inicia desde el origen de transferencia del Factor F integrado en el cromosoma, el cromosoma se comporta como un gran plásmido. El mecanismo de transferencia es el mismo y el DNA monocatenario se va replicando en ambas células (donadora y receptora) a medida que el proceso progresa.
Primero se transfiere una parte del plásmido (Factor F) y luego los genes cromosomales (cuanto más cerca esté un gen cromosomal del origen de transferencia del factor F, antes será transferido a la bacteria receptora).
En teoría podría transferirse el cromosoma completo (si el proceso dura los suficiente, unos 100 min), pero el puente sexual es inestable y normalmente solo se transfiere parte del plásmido y una región cromosomal (de tamaño variable).
Tras el proceso la célula donadora sigue siendo HFR y la receptora sigue siendo F- (solo recibe una parte del Factor F junto con genes cromosómicos de la bacteria donadora próximos al sitio donde estaba integrado el plásmido).
Los genes cromosómicos transferidos pueden integrarse por recombinación en el cromosoma de la bacteria receptoras, por lo que HA HABIDO UNA TRANSFERENCIA DE GENES ENTRE LAS BACTERIAS y se trata de una VERDADERA RECOMBINACIÓN.
