Fundamentos de

GENÉTICA BACTERIANA

Profa Francis Moreira Borges

As bactérias possuem material genético, o qual é transmitido aos descendentes

no momento da divisão celular. Este material genético não está contido dentro de

um núcleo, portanto o genoma destes microrganismos está disperso no

citoplasma.

ORGANIZAÇÃO DO GENOMA BACTERIANO

O genoma bacteriano está condensado e organizado em uma estrutura

denominada NUCLEÓIDE.

NUCLEÓIDE ou CROMOSSOMO BACTERIANO: constituído, geralmente, por uma única molécula de DNA fita dupla, circular, não delimitado por membrana nuclear, tamanho variando entre 500 a 10.000 kb e é capaz de auto-duplicação. Não contém introns e seus genes contém todas as informações necessárias à sobrevivência da célula. Possuem apenas uma cópia de seu cromossomo, sendo portanto haplóides.

ORGANIZAÇÃO DO GENOMA BACTERIANO

DNA RNA PROTEÍNA

Transcrição Tradução

GENE: sequência de nucleotídeos do DNA que é expresso em um produto funcional, ou

seja, molécula de RNA e proteína.

GENOMA: seqüência completa de DNA; algumas não são convertidas em produtos

funcionais

• Sequências não-codificadoras: INTRONS (bactérias não possuem)

• Sequências codificadoras: EXONS

OPERON: grupos de um ou mais genes estruturais expressos a partir de um promotor

específico. Operons com muitos genes estruturais são chamados policistrônicos.

Promotores e operadores: sequências de nucleotídeos que controlam a expressão de

um gene determinando as seqüências que serão transcritas no mRNA.

cv

cv

• Transcrição de genes independentemente expressos – cada gene é precedido por um promotor (Pr). • A transcrição destes genes resulta na síntese de diferentes RNAs, um para cada gene – RNAs monocistrônicos

• Transcrição de genes coordenadamente expressos – o conjunto de genes forma um operon e é precedido por um único promotor (Pr). • A transcrição destes genes resulta na síntese de um único RNA contendo a informação genética correspondente a todos os genes integrantes do operon – RNA policistrônicos

Duplicação do DNA bacteriano

O DNA cromosômico precisa duplicar-se antes do processo de divisão celular,

para que todas as células da progênie bacteriana recebam uma cópia do

cromossomo (transferência vertical de genes).

A duplicação do DNA cromossômico bacteriano é

semi-conservativa, simétrica e bidirecional, a partir

de uma origem única (oriC).

O processo requer enzimas, tais como as

girases, helicases, primases, polimerases, ligases

e topoisomerases.

A direção da síntese é sempre no sentido 5’ – 3’.

DNA DNA Células filhas

Duplicação

FLUXO DA INFORMAÇÃO GENÉTICA

Estrutura dos ribossomos bacterianos: A unidade S expressa unidades Svedberg e representa uma medida da taxa de sedimentação das subunidades na ultracentrifugação, relacionada com a massa molecular e estrutura tridimensional. • RNAr eucariota: 80S (60S e 40S)

Elementos genéticos extracromossomais

Plasmídios:

Segmentos de DNA fita dupla,

circulares; tamanho varia entre 1500 a

400.000 pb.

Auto-duplicam independentemente do

cromossomo.

Carregam informação genética não

essencial a célula, mas podem prover

uma vantagem seletiva para as

bactérias que os possuem.

Ex.: genes de resistência múltipla a

antibióticos; bacteriocinas; toxinas.

Esquema de um plasmídio

Elementos genéticos extracromossomais

Transposons: também chamados genes saltadores ou sequências de inserção (IS),

são elementos genéticos móveis que podem transferir DNA dentro de uma célula, de uma

posição para outra no genoma ou entre diferentes moléculas de DNA (plasmídio-plasmídio

ou plasmídeo-cromossomo).

Possuem tamanho variando de 150 a 1500 pb, com repetições invertidas de 15 a 40 pb

em suas extremidades e informação genética mínima necessária para sua própria

transferência.

Integrons

Um integron inclui:

Um gene codificador de uma integrase;

Um sítio adjacente de recombinação;

Uma região promotora, utilizada na expressão dos genes componentes do cassete;

Um ou mais cassetes de genes

Segmentos de DNA fita dupla, geralmente menores que os transposons;

não autoduplicam. Capturam genes de resistência a drogas do citoplasma.

Ocorrem sobre transposons e podem ser transferidos ligados a eles, aos

plasmídios e aos cromossomos.

Variações Fenotípicas

Resultam das adaptações das bactérias ao ambiente. São reversíveis, sem

comprometimento genético.

Ex.: Serratia marcescens (37 ºC – sem pigmentação 25 ºC – vermelhas)

Bacillus sphaericus (2% peptona – células vegetativas 0,1% peptona – esporos)

Gram positivos (cultura nova – células azuis cultura velha – células vermelhas)

Variações Genotípicas

Alterações na seqüência de nucleotídeos. São irreversíveis (através dos

processos de mutação e recombinação).

Variações fenotípicas X variações genotípicas

Variabilidade Genética em Bactérias

As bactérias podem apresentar variações que conduzem à formação de clones com

propriedades distintas do clone “selvagem” original. A variação se dá através de mutação ou

recombinação.

MUTAÇÃO => alteração na sequência de bases nitrogenadas do DNA, geralmente resultante de deleção, inserção ou substituição de um ou mais nucleotídeos; esta alteração genética pode modificar o produto (proteína).

As mutações podem ser neutras, desvantajosas ou benéficas.

RECOMBINAÇÃO => processo de variabilidade genética que envolve trasnferência de material genético entre duas células.

MUTAÇÃO X RECOMBINAÇÃO

Processo vertical

Ocorre durante a replicação

do cromossomo bacteriano

Processo horizontal

Ocorre durante os processos

de conjugação, transformação

ou transdução

Varia

bili

dade g

enética v

ert

ical – a

ssocia

da à

muta

ção

Mutação por inserção

Mutação por deleção

Transposição

Mutação puntiforme

Principais tipos de mutação

Embora as mutações sejam responsáveis pela expressão de várias novas características por

uma célula, muitos fenótipos procarióticos são decorrentes da aquisição de novos fragmentos

de DNA, por meio de processos de transferência horizontal de genes:

MECANISMOS DE RECOMBINAÇÃO GENÉTICA BACTERIANA

Transformação

Conjugação

Transdução

Transformação: incorporação de DNA livre, geralmente

decorrente da lise celular

Na natureza, o processo ocorre quando uma célula sofre lise, liberando seu DNA. Este, por ser

de grande tamanho tende a sofrer fragmentação e outras células podem absorver alguns

fragmentos.

Para que o processo ocorra, é necessário que a célula encontre-se competente - apresentar

sítios de superfície para a ligação do DNA da célula doadora - e apresentar a membrana em

uma condição que permita a passagem deste DNA.

Experimento de Griffith - Frederick Griffith, 1928

Evidência da transformação bacteriana (pneumococos)

As bactérias não-encapsuladas foram transformadas em encapsuladas.

Experimentos subseqüentes comprovaram que o fator de transformação era DNA.

Conjugação: processo de transferência de DNA de uma

bactéria para outra, envolvendo o contato entre as duas

células

A conjugação está associada à presença de plasmídeos F. Estes plasmídeos contêm genes

que permitem a transferência do DNA plasmidial de uma célula para outra ou, em outras

palavras, a capacidade conjugativa.

Quando a célula porta um plasmídeo de natureza F é denominada F+, doadora,

enquanto células desprovidas de tais plasmídeos são denominadas F-, receptoras.

A capacidade conjugativa está associada à presença de genes localizados

em um operon denominado tra que conferem características envolvidas na

conjugação como a síntese do pili F, responsável pelo reconhecimento,

contato entre as células e a transferência do DNA plasmidial.

Eventualmente, os plasmídeos podem ser integrados no cromossomo, sendo este processo

mediado por pequenas seqüências de DNA denominadas IS (insertion sequences).

• As células apresentando tais plasmídeos integrados são denominadas Hfr.

• Quando integrados, esses plasmídeos podem mobilizar a transferência de genes

cromossomais também.

A conjugação pode ser de dois tipos: entre células F+ e F-, resultando em duas

células F+ e entre células Hfr e F-, resultando em uma célula Hfr e outra F-.

Nos dois processos, acredita-se que o mecanismo provável de transferência do DNA seja

pelo círculo rolante, onde apenas uma das fitas é transferida, sendo a fita complementar

sintetizada pela célula receptora.

Transdução: transferência de material genético mediada por

vírus (bacteriófagos)

Transdução generalizada: Este tipo de processo requer a ocorrência de um ciclo lítico, onde

eventualmente pode haver o empacotamento de fragmentos de DNA da célula hospedeira, gerando

partículas denominadas partículas transdutoras, que correspondem ao capsídeo viral contendo em seu

interior DNA bacteriano.

Embora não possam ser descritas como vírus, as partículas transdutoras exibem a capacidade de

adsorção à superfície de outras células bacterianas.

A freqüência com que um determinado gene é transferido é baixa, uma vez que cada partícula

transdutora leva apenas um determinado fragmento de DNA.

Transdução especializada: Evento raro, embora bastante eficiente.

A etapa inicial corresponde à infecção e lisogenização do fago, que ocorre em sítios específicos do

genoma.

Pela ação de algum indutor (ex: UV) há a separação do fago do genoma (integração reversa), que

normalmente ocorre perfeitamente. Entretanto, em alguns casos, essa separação é defeituosa,

promovendo a remoção de genes bacterianos e deixando parte do genoma viral na célula.

Transdução generalizada

Transdução

especializada

Conversão lisogênica

- transferência de DNA de uma partícula viral para uma

bactéria. A própria lisogenização torna a bactéria imune a

outras infecções por este fago, mas além disso, outros

fenótipos podem ser adquiridos.

- a bactéria recebe um gene que codifica uma toxina, sendo

este gene de origem viral.

Ex: Corynebacterium diphtheriae