Genética
bacteriana
Mecanismos de variación genética en las bacterias. Aunque las bacterias se
reproducen por un proceso asexual (fisión
binaria), poseen mecanismos para lograr la variabilidad genética que
necesitan para adaptarse a un entorno cambiante. En general existen dos formas
de cambiar la dotación genética de una bacteria, las mutaciones y
la transferencia de fragmentos de ADN de unas bacterias a otras con posterior
recombinación de los fragmentos adquiridos en el cromosoma o en los
plasmidos de las bacterias receptora. Conocemos dos formas de
recombinación: la recombinación homóloga y la
transposición. En la recombinación homóloga el fragmento
da ADN aceptado es muy similar a una parte del genoma del a bacteria y, tras situarse al lado, se
intercambian con él por un mecanismo de rotura, entrecruzamiento y
reunión de sus cadenas de ADN (figura 2.2). La transferencia previa a
este tipo de recombinación puede ocurrir mediante tres vías: la
penetración de ADN desnudo directamente a través de la pared de
la célula receptora (transformación), mediante un
bacteriófago que infecta diferentes poblaciones bacterianas
(transducción), o por transferencia de plasmidos y en su caso de
genes cromosómicos arrastrados por plasmidos desde las bacterias
donadoras a las receptoras (conjugación) (figura 2.2). Hoy sabemos que
existen también varios tipos de elementos genéticos transferibles
(transposones e integrones), que pueden integrarse en diversos puntos del
cromosoma o en los plasmidos de unabacteria sin necesidad de encontrar
fragmentos homólogos, por un mecanismo de transposición o
recombinación no homóloga. Mutaciones Las
mutaciones son cambios heredables puntuales de la molécula de ADN.
Algunas son sustituciones y, otras, deleciones o adiciones de bases por errores
en el proceso de replicación semiconservativa del
ADN. Aunque estos errores ocurren con muy baja probabilidad en cualquier
proceso de replicación de ADN, para las bacterias son una fuente importante
de variabilidad, debido a que son poblaciones muy numerosas con tiempos de
generación muy cortos. Ademas, la mutación de ciertos
genes relacionados con la propia replicación (genes mutadores), conduce
a un aumento drastico de la tasa de
mutación de cualquier otro gen. Algunas mutaciones no tienen efecto en
el fenotipo (mutaciones silentes), pero otras, al modificar una proteína
estructural o un enzima, dan lugar a cambios fenotípicos. Las mutaciones que ocurren en bacterias patógenas pueden
modificar su virulencia si conducen a cambios en antígenos superficiales
que no seran reconocidos por la respuesta inmune preexistente.
Otras mutaciones importantes son las que aumentan la resistencia de la
cepa mutada frente a uno o varios antimicrobianos. En todo caso las bacterias
mutantes solo seran seleccionadas y sustituiran a la cepa
original cuando la característica adquirida por mutación
represente una ventaja frente a condiciones selectivas del entorno.
Rotura
Entrecruzamiento
Reunión
2.1.figura: Mecanismo derecombinación homóloga. Las secuencias homólogas se acercan, sus extremos se rompen,
se entrecruzan y se reúnen. Recombinación homóloga A través de la recombinación las bacterias
pueden adquirir varias características a un tiempo y evolucionar
así mas rapido que mediante mutaciones. Para
hacer posible la recombinación homóloga previamente han de transferirse los fragmentos de una bacteria donadora
al citoplasma de la receptora que se convierte en parcialmente diploide.
Transformación
Transducción
Conjugación
Falso zigoto
Recombinación homóloga
Recombinante
2.2. figura: Bacterias parcialmente diploides
(falsos zigotos) pueden obtenerse por transformación,
transducción o conjugación. En todo caso estas
recombinaciones son la excepción y no la regla porque cada especie
posée sus sistemas de seguridad para protegerse de la entrada de de
fagos y plasmidos y mantener así su identidad. Se trata de
enzimas que introducen modificaciones químicas para marcar y proteger el
ADN propio y destruyen toda molécula ajena que no esté marcada
por ellas. Estos sistemas restringen
el rango de transferencias o intercambios de información entre especies
y se denominan enzimas de restricción. En este
curso aprendemos a emplear estos enzimas para identificar fragmentos de ADN
bacteriano relacionados con la virulencia o con la resistencia a los antibióticos.
Transformación En la transformación la bacteria receptora acepta
moléculas desnudas de ADN que penetran por su pared desde el medio
externo. Deforma natural podría ocurrir cuando las bacterias receptoras
comparten su ecosistema con una población de bacterias donadoras que
muere y cuyos cromosomas se fragmentan. El ADN desnudo es
destruido rapidamente por DNAsas que son enzimas muy frecuentes en muchos
medios, por lo que la probabilidad de que ocurran transformaciones naturales es
pequeña. Ademas la pared de la célula receptora
debe estar relativamente permeable para dejar pasar fragmentos de ADN. Suelen ser competentes, es decir, capaces de sufrir
transformación las especies de Streptococuus, Staphylococcus,
Haemophilus, Neisseria y Bacillus. Sin embargo en el laboratorio puede
forzarse la competencia mediante cambios en la concentración de calcio del
medio. Esta técnica se emplea para introducir en la
bacteria moléculas mixtas de ADN recombinante de las que interesa
obtener copias (clonación). Transdución
En la transducción son los virus bacteriofagos los que llevan una
fragmento de ADN de la bacteria donadora hasta el citoplasma de la receptora.
Los bacteriófagos son virus que se reproducen en el
interior de las bacterias. Para infectarlas inyectan su ADN en el
citoplasma dejando fuera la capside del fago.
Después paralizan la replicación de la bacteria, cuyo ADN
comienza a degradarse, replican el ADN del virus y traducen la
información precisa para sintetizar nuevas capsides que se
ensamblan rodeando a las copias de ADN fagico. Para liberar los nuevos
bacteriófagos lisan la bacteria infectada. A veces, durante estos cicloslíticos se introduce por error en
una capside de bacteriofago ADN de la bacteria infectada. Estas partículas pueden iniciar la infección de otra
bacteria y le inyectan de forma automatica el ADN que portan. Como en estos casos no es inyectado el genoma completo del
virus, la bacteria no muere y puede recombinar el fragmento adquirido.
Cualquier gen de la bacteria donadora tiene igual probabilidad de ser
transducido y porteriormente recombinado a través del proceso descrito que se denomina
transducción generalizada (figura 2.3.)
Algunos bacteriófagos son capaces de circularizar e integrar su ADN en
el cromosoma de la bacteria infectada iniciando así un ciclo
lisogénico, en el que no hay lisis ni se producen nuevas
partículas víricas, pero el genoma del virus se reproduce junto
al de la bacteria a la que puede proporcionan nuevos factores de virulencia. Por ejemplo la capacidad de sintetizar las exotoxinas de
Corynebacterium diphteriae y de Streptococcus pyogenes depende de que las cepas
estén infectadas por fagos lisogénicos. El proceso en todo
caso es reversible y de tiempo en tiempo el virus se libera del cromosoma e
inicia un ciclo lítico. En este proceso
también hay errores y a veces el genoma del fago lisogénico arrastra consigo
alguno de los genes bacterianos adyacentes a su punto de integración que
siempre es el mismo. Por eso los fagos así generados transducen con alta probabilidad estos genes y no otros a través de
lo que se denomina transducción especializada.
Ciclo líticoTransducción generalizada
2.3.figura: Bacteriófago inyectando su ADN en el citoplasma de una
bacteria (izquierda) y desarrollo de la transducción generalizada
(derecha). La transducción ocurre de forma natural en muchas bacterias
patógenas especialmente entre las Gram positibas. Conjugación
Para conjugar tiene que existir contacto físico entre la bacteria
donadora de ADN y la receptora. La capacidad de donar la proporciona el
poseer un plasmido conjugativo que
también se denomina factor de fertilidad o plasmido sexual.
2.4.figura: Conjugación de dos bacterias Gram
negativas a través de un pili sexual. La conjugación entre
bacterias Gram negativas suele ocurrir a través de pili sexuales
codificados por el plasmido conjugativo (figura 2.4.). Entre éstos el mejor estudiado es el plasmido F de
Escherichia coli. Las bacterias que lo poseen (F+) sintetizan 2 o 3 pili
con los que contactan con bacterias receptoras y se acercan a ellas. Entonces
el plasmido F se rompe por un lugar fijo (el
origen de transferencia), y una de sus cadenas pasa a través del puente
citoplasmico creado por el pili, hasta el citoplasma de la célula
receptora. Mientras tanto la otra gira en el citoplasma de la donadora
(mecanismo del
círculo rodante). En ambos citoplasmas se van sintetizando las cadena
complementarias de forma que al final del proceso ambas bacterias poseen
un plasmido F completo (figura 2.5.). Por tanto la conjugación
convierte a la bacteria receptora (F-) a su vez en donadora (F+), lo que
acelera elproceso de extensión del plasmido, y puede
ocurrir entre bacterias de la misma o de difrentes especies relacionadas. Por
eso cuando los genes que proporcionan resistencia a los
antibióticos estan en plasmidos conjugativos se extienden
muy rapidamente a través de diversas especies patógenas.
2.5.figura: Conjugación: transferencia del plasmido F (izquierda), e integración del plasmido F con posterior transferencia del episoma (Hfr)
(derecha). El plasmido F, como otros plasmidos
conjugativos, puede integrarse en el cromosoma en forma de episoma Hfr (high
frequency of recombination). Si estando integrado se inicia un
proceso de conjugación, el episoma se abre por su origen de
transferencia y comienza a pasar a través del pili sexual arrastrando a su vez los
genes cromosómicos próximos a su punto de integración. Como estos puntos (integración y transferencia) no
coiciden, pasa primero una parte del plasmido y para que
este se complete en la bacteria receptora debería pasar antes el
cromosoma completo, lo que tardaría unos 100 minutos en ocurrir. Los
puentes citoplasmicos suelen romperse mucho antes por lo que cuando una
bacteria Hfr conjuga con una F- no suele convertirla en F+. Sin embargo las
donadoras Hfr transfieren genes cromosómicos, con mayor frecuencia
cuanto mas cerca estén del punto de integración. Este hecho ha permitido realizar mapas
cromosómicos basados en experimentos de conjugación interrumpidos
en diferentes tiempos. Cuando un episoma Hfr se
libera del cromosoma a veces elproceso es
inpreciso e incluye algún gen cromosómico próximo al punto
de integración del
plasmido. Así se forman los denominados
plasmidos F' que en procesos de conjugación se autotransfieren y
transfieren siempre los genes cromosómicos arrastrados.
Recombinación no homóloga o transposición Los transposones
son fragmentos de ADN capaces de moverse desde unas moléculas de ADN a
otras siempre que posean determinadas secuencias dianas
que permiten su integración, sin necesidad de que exista una
homología de secuencias. Pueden encontrarse integrados en cualquier
elemento genético replicativo o replicón, tanto en cromosomas como
en plasmidos. Todos los transposones poseen al menos la capacidad de
provocar su transposición o salto hacia otro elemento genético
porque poseen entre otros el gen que codifica una transposasa, enzima clave
para duplicar la secuencia diana y permitir la integración
del
transposón. A veces la transposición es replicativa y una copia del
trasposón se queda mientras otra se incluye en la diana. Otras veces no
se replica sino que se libera de un replicón y
se integra en otro. Algunos trasposones incluyen genes de resistencia a antibióticos que se
extienden así del
cromosoma a los plasmidos o de un plasmido a otro lo que favorece
enormemente su diseminación entre diversas especies de bacterias
patógenas.
Tipo de transposon Secuencia de ADN diana de la transposasa
Secuencias de inserción (IS1) Transposones complejos (Tn 5
Resistencia a Kanamicina
Familia Tn A
(Tn 3)Resistencia
a Ampicilina
Bacteriofago µ
Transposones conjugativos: (Tn 917): sin duplicar la secuencia diana, pasan por
conjugación desde una bacteria Gram positiva a otra y se integranen el
cromosoma
2.6. figura: Algunos tipos de transposones. Tipo 1. Pertenecen a este grupo
tanto los transposones mas simples que son solo secuencias de inserción
(IS) como
trasposones complejos relacionados con dichas secuencias IS. Hay secuencias de
inserción de diferentes tamaños (780-1500 pares de bases),
siempre flanqueadas por dos extremos cortos repetidos pero en sentido inverso
(15-25 pares de bases). La información incluida entre estos extremos
repetidos codifica para la transposasa. Los transposones complejos, como el Tn5 que codifica la resistencia a kanamicina,
portan información para otras muchas funciones no relacionadas con la
transposición entre dos secuencias de inserción. Este tipo de
transposones codifican varias adhesinas, toxinas y resistencias a antibióticos. Tipo 2. Son
la familia de los Tn A. Tienen largas secuencias repetidas en los extremos
(35-40 pares de bases) pero sin secuencias de inserción. La
información que incluyen entre ellos codifica la transposasa y una
resolvasa. Pertenece a esta fanilia el Tn 3 que codifica resistencia a
ampicilina. La extensión de este tipo de
transposones en poblaciones de Haemophilus y Neisseria gonorrhoeae les ha
convertido en resistentes a ampicilina a lo largo de las últimas
décadas. Tipo 3. A este
grupo pertenece el bacteriófago mu yotros fagos lisogénicos El
bacteriófago completo se comporta como
un transposón y su transposición es replicativa. Tipo 4. En bacterias Gram positivas se ha
descubierto otro tipo de transposones que son conjugativos. No duplican
su secuencia diana al integrarse, se liberan del cromosoma de la bacteria donadora y pasan al
citoplasma de la receptora por conjugación, integrandose
después en cualquier lugar del
cromosoma receptor. A este tipo pertenece el Tn917 que
codifica resistencia
a tetraciclina. Expresión de la información genética de
las bacterias: regulación La información contenida en la
secuencia de bases de cada gen o grupo de genes relacionados del cromosoma o de
los plasmidos se transcribe en un ARN mensajero; posteriormente, ya en
el citoplasma, para expresar esas características en el fenotipo de la
bacteria, esa información se traduce a proteínas (secuencias de
aminoacidos) a través del código genético, que
relaciona cada triplete de bases con un aminoacido. La expresión
de uno u otro gen esta muy bién regulada en las bacterias y solo
se traducen los genes cuando las correspondientes proteínas son
necesarias. Para simplificar esta regulación varios genes implicados por ejemplo
en una misma vía metabólica, se colocan uno tras otro en el
genoma formando una única unidad de regulación u operón.
El sustrato a degradar suele ser el que activa el operón, de forma que
en su presencia se sintetizaran todos los enzimas de la vía y la
transcripción de todos estos genes se inhibira a un tiempo,cuando
la concentración del producto generado por esa vía sea
suficiententemente elevada. Algunos procesos se regulan a un
nivel superior, activando o inhibiendo varios operones de forma coordinada. Se
dice entonces que estos operones forman un
regulón (una unidad de regulación superior). Esto permite a
bacteria responder rapidamente para adaptarse a un factor que cambia en
su entorno porque un único estímulo externo (escasez de un
nutriente, estres osmótico ) o interno (la
concentración de determinada proteína o ión) activa o
inhibe varios operones. Cuando el estímulo es externo
debe ser transmitido por alguna proteína sensora capaz de transmitir la
señal reguladora a través de la membrana hacia el citoplasma.
Shigella por ejemplo sintetiza, o reprime, la síntesis de factores de
virulencia que le permiten invadir la pared intestinal según la
temperatura externa. La escasez de hierro disponible en un
tejido activa los genes de virulencia de algunas bacterias patógenas como ocurre con la
síntesis de exotoxina A en Pseudomonas.
Las proteínas sensoras pueden servir también para recontar
efectivos en la población de bacterias patógenas (cuorum
sensing), y mediante intercambio de señales intercelulares, los genes
relacionados con la virulencia pueden activarse, o reprimirse a la vez en todas
las bacterias de una misma población, en función de su
tamaño. Esto proporciona a la especie patógena mayor probabilidad
de exito frente a las defensas del huésped cuando inicia
un proceso infeccioso.
