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
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.
Transcrição
DNA
Tradução
RNA
PROTEÍNA
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
cv
• 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).
Duplicação
DNA
DNA
Células filhas
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’.
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
Esquema de um plasmídio
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.
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 X variações genotípicas
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
Gram positivos (cultura nova – células azuis
0,1% peptona – esporos)
cultura velha – células vermelhas)
Variações Genotípicas
Alterações na seqüência de nucleotídeos. São irreversíveis (através dos
processos de mutação e recombinação).
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
Processo horizontal
Ocorre durante a replicação
do cromossomo bacteriano
Ocorre durante os processos
de conjugação, transformação
ou transdução
Variabilidade genética vertical – associada à mutação
Principais tipos de mutação
Mutação puntiforme
Mutação por inserção
Mutação por deleção
Transposição
MECANISMOS DE RECOMBINAÇÃO GENÉTICA BACTERIANA
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:
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