Elementos genticos mviles en procariotas 30 de marzo

Elementos genéticos móviles en procariotas 30 de marzo de 2004

Cambios ambientales Cambios (genéticos) en los microorganismos que mejoran la capacidad de adaptación y supervivencia

Reservorio genético estable Cromosoma (algunos plásmidos) Reservorio genético flexible (elementos genéticos móviles) Plásmidos Bacteriófagos Transposones Integrones Islas genómicas Funciones asociadas Genes ribosomales Envoltura celular Caminos metabólicos centrales Replicación del ADN nucleótidos Uso de codones y contenido de G + C homogéneo Patogenia Resistencia a antibióticos Secreción Simbiosis Degradación Metabolismo secundario Restricción / modificación Transposasas, integrasas Uso de codones y contenido de G + C no homogéneo

Mecanismos de generación de cambios genéticos Mutaciones puntuales Modificación de genes preexistentes (inactivación, cambios en actividad, especificidad, etc) Introducción de genes nuevos (transferencia horizontal) Plásmidos Transposones Bacteriófagos Elementos genéticos móviles presentes en procariotas

Mecanismos de Transferencia lateral u horizontal en bacterias ADN transferido Elemento genético móbil involucrado requerimientos Transformación natural ADN libre (generalmente proveniente de la lisis de células muertas) ninguno Estado de competencia natural (descripto en pocas spp) en receptora conjugación Plásmido o transposoón conjugativo, fragmento de cromosoma (Hfr), plásmido mobilizable Plásmido o transposón conjugativo Presencia de origen de transferencia en el elemento, establecimiento del contacto celular transducción Dependiendo del tipo de bacteriófago, regiones del cromosoma adyacentes al lugar de inserción del fago o cualquier región (incluso plásmidos) Receptores para el bacteriófago en receptora

Bacteriófagos Según su ciclo replicativo Lisogénicos Líticos Mecanismo de encapsidación de ADN viral Cabeza llena Transducción generalizada Señales de reconocimiento Transducción especializada

Los elementos genéticos móbiles por excelencia: Transposones Unidades genéticas capaces de catalizar su propio movimiento de un lugar a otro dentro de un mismo elemento genético o entre dos elementos diferentes. • Se insertan dentro de genes inactivándolos • Se insertan en regiones intergénicas afectando la expresión de los genes situados río abajo • Pueden llevar genes de resistencia a antibióticos • Pueden movilizar genes situados entre dos secuencias de inserción

Mecanismos de transposición Conservativa Ej: Tn 5 Replicativa Ej: Mu

Tipos de transposones IR transposasa IR 700 a 2000 pb Secuencias de inserción Transposones compuestos IR tnp IR Resistencia a antibiótico Sec. inserción IR transposasa IR tnp IR Sec. inserción resolvasa resist. a antibiot Transposones complejos Otros elementos transponibles: integrones, casetes génicos IR > 5000 pb

ab. R Plásmidos Origen de replicación propio Genes que confieren beneficios a la célula (aseguran la permanencia del plásmido) ori Conjugativos: tienen genes que promueven el contacto celular y tienen origen de transferencia Mobilizables: no provocan contacto celular, pero pueden ser mobilizados si éste se establece Integrativos: pueden integrarse al cromosoma (o a otros plásmidos), normalmente mediante recombinación entre secuencias de inserción

Transposones + genes que confieren mobilidad = Transposones conjugativos • Pueden transponer al cromosoma bacteriano o a otros elementos genéticos • Promueven el contacto celular • Pueden transferirse a otras bacterias. Son MUY promiscuos! • Pueden mobilizar otros plásmidos Mu: un fago que funciona como transposón • Es lisogénico, es decir, puede integrarse al cromosoma bacteriano • Su integración no se realiza en un lugar específico, sino en cualquier sitio, mediante un mecanismo de transposición • Se replica transponiendo a todo el genoma, y luego empaqueta su propio material genético junto con pequeñas regiones de ADN bacteriano a los lados

Islas genómicas Regiones de 10 a más de 100 kb en las que se encuentran agrupados genes asociados a una función particular. Normalmente contienen secuencias derivadas de plásmidos o fagos, incluyendo genes de transferencia, integrasas y secuencias de inserción. Nombre general: islas genómicas, “fitness islands”, etc. Descubiertas en microorganismos patógenos Islas de patogenia Ejemplos: Escherichia coli O 157: H 7, Salmonella enterica, Vibrio cholerae, Pseudomonas syringae, Agrobacterium tumefaciens Estructuras similares en otros microorganismos Grupos de genes asociados a: Fijación simbiótica de nitrógeno Islas de simbiosis Ejemplos: Mesorhizobium loti, Rhizobium leguminosarum, otros fijadores simbióticos de nitrógeno Otras funciones, por ej. degradación de xenobióticos Ejemplo: degradación de fenoles en Pseudomonas putida

Pescada “in fraganti” Una isla de simbiosis puede convertir una bacteria saprófita en simbiótica Mesorhizobium loti contiene genes de simbiosis en una “isla de simbiosis” de 500 pb en el cromosoma M. loti inoculado en Lotus corniculata M. loti (planta no nativa) Cepas de Mesorhizobium no simbiontes Contacto (en el laboratorio) Tierra que no contiene rizobios naturales capaces de nodular la planta, pero sí cepas de Mesorhizobium no simbiontes Cepas de Mesorhizobium capaces de nodular la planta (diferentes de la cepa inoculada) Sullivan y Ronson PNAS. (1998) 95: 5145 -9.

Comunidad microbiana adaptada al ambiente A Transferencia horizontal Acumulación de pequeñas mutaciones Comunidad microbiana que contiene genes que permiten crecimiento en el ambiente B Agente selectivo B Comunidad microbiana adaptada al ambiente B

Comunidad microbiana adaptada al ambiente A Transferencia horizontal Acumulación de pequeñas mutaciones Comunidad microbiana que contiene genes que permiten crecimiento en el ambiente B Agente selectivo B Comunidad microbiana adaptada al ambiente B

Cambios ambientales Cambios (genéticos) en los microorganismos que mejoran la capacidad de adaptación y supervivencia ¿Qué efectos tienen sobre la vida humana?

Algunos ejemplos de casos de transferencia lateral en bacterias con efectos sanitarios o económicos ejemplos Adquisición de genes de virulencia que permiten la patogenia en humanos Surgimiento de Yersinia pestis (derivada de Y. Pseudotuberculosis) y de E. coli O 157: H 7 Adquisición de resistencias múltiples a antibióticos Aparición de cepas multirresistentes en infecciones nosocomiales Transferencia de resistencia de cepas bacterianas presentes en animales de cría a cepas patógenas Transferencia de genes de simbiosis Cepas de Rhizobium, Mesorhizobium, etc Transferencia de genes degradadores de xenobióticos Degradación de fenoles en Pseudomonas, degradación de aromáticos en Sphingomonas

Bibliografía utilizada Libros: - Molecular Genetics of Bacteria Larry Snyder and Wendy Champness. 1997. ASM press, Washington DC. - Organization of the Prokaryotic Genome. Robert L. Charlebois. 1999. ASM press, Washington DC. - Bacterial Stress Responses. Gisela Storr, Regina Hengge-Aronis. 2000. ASM Press Washington DC. Artículos de revisión: - Haig Kazazian. Mobile elements: drivers of genome evolution. Science. 2004 Mar 12; 303(5664): 1626 -32. - Jorg Hacker y Elisabeth Carniel. Ecological fitness, genomic islands and bacterial pathogenicity. A Darwinian view of the evolution of microbes. EMBO Rep. 2001 May; 2(5): 376 -81. - F. De la Cruz y J. Davies. Horizontal gene transfer and the origin of species: lessons from bacteria. Trends Microbiol. 2000 Mar; 8(3): 128 -33 Artículos de investigación: -Sullivan JT, and Ronson CW. (2002) Evolution of rhizobia by acquisition of a 500 -kb symbiosis island that integrates into a phe-t. RNA gene. Proc Natl Acad Sci U S A. 1998 Apr 28; 95(9): 5145 -9. - Beaber JW; Hochhut B y Waldor MK. SOS response promotes horizontal dissemination of antibiotic resistance genes. Nature. 2004 Jan 1; 427(6969): 72 -4. * Todos los artículos se pueden consultar en Internet