Genética de bactérias

 Olá pessoal, hoje eu trago outro tópico em microbiologia: a genética bacteriana:

Introdução

• Genética: hereditariedade -> transferência de informações sobre as características fenotípicas de um indivíduo -> progênie;

• Gene: sequência de bases nitrogenadas do DNA com tamanho e composição definidos;

• Experimentos com microrganismos -> conhecimento sobre genética;

• DNA: mesma estrutura e organização de eucariotos -> dupla hélice, código genético -> trinca de bases que codificam para um aminoácido;

• Objetivo da genética: compreensão de mecanismos de mutação, variabilidade, adaptação, seleção natural e evolução do genoma dos seres vivos.

Elementos genéticos das bactérias:

• Cromossomos;

• Plasmídeos;

• Elementos transponíveis;

• Bacteriófagos.

Cromossomos:

• Único cromossomo haploide (n);

• Dupla fita, circular;

• Associada à histone-like proteins (HLPs);

• Arranjo cccDNA (covalently closed circular DNA);

• Desprovido de membrana nuclear;

• Contém todos os genes essenciais: metabolismo, sobrevivência, reprodução etc.;

• Os genes se organizam em operons - um operon é um grupo de sequências sujeitas a mesma sequência promotora.

Cromossomo bacteriano.

Plasmídeos:

• São moléculas de DNA de fita dupla, circular ou linear;

• Menores que os cromossomos (1 a 100 cópias);

• Podem replicar-se independentemente;

• Conferem vantagens adaptativas às bactérias;

• São classificados de acordo com: 

A) Caráter fenotípico:

- Resistência - drogas, antibióticos;

- Metabólicos - permitem à bactéria aproveitamento do substrato pelo fato de apresentarem genes das enzimas que realizam tal função;

- Virulência - com genes que codificam fatores de virulência.

B) Possibilidade de serem transferidos de uma célula bacteriana para a outra:

- Plasmídeos conjugativos: são capazes de se autotransferirem de uma célula bacteriana para a outra, como o plasmídeo/fator F de E. coli;

- Plasmídeos não conjugativos: não possuem capacidade de autotransferência.

Elementos transponíveis:

• DNA linear de fita dupla;

• Estão integrados no cromossomo ou no plasmídeo;

• Podem mover-se de um cromossomo para outro ou para o plasmídeo - genes saltatórios;

• Podem ser classificados em:

A) Sequências de inserção:

- Sequências de DNA que integram-se em diferentes pontos do genoma provocando modificação ou não na função gênica;

B) Transposons:

- São portadores de genes que podem conferir algum caráter fenotípico às bactérias.

Bacteriófagos:

• São partículas virais que infectam bactérias e cujo DNA pode fazer parte de seu genoma.

Variabilidade genética em bactérias:

A) Mutação:

- Qualquer alteração permanente e herdável na sequência de base do DNA;

- Espontânea: rara;

- Induzida: 

* Mutagênicos físicos (exemplo: radiação UV):

A luz UV danifica o DNA das células expostas, produzindo ligações entre as timinas adjacentes nas cadeias de DNA. Estes dímeros de T = T inibem a replicação correta do DNA. 260 nm é o comprimento de onda mais efetivo para o controle microbiano (comprimento de onda é absorvido especialmente pelo DNA celular). 

* Mutagênicos químicos (exemplo: 5-bromouracila): incorporação de análogos de bases, compostos químicos semelhantes às bases com propriedades particulares de pareamento.

- Classificação das mutações:

* Pontual: substituição de bases de DNA. Exemplo: AAA -> AGA; 

* Alteração na matriz de leitura: adição ou deleção de uma base;

* Substituição silenciosa -> Consequências: trinca codifica o mesmo aminoácido; 

* Mutação de sentido trocado AAA (Lis básica) -> AGA (Arg básica); 

* Mutação sem sentido: CAG (Gln) -> UGA (término).

* Adições ou deleções:

B) Recombinação:

- Processo que produz novo genótipo através de troca do material genético entre dois cromossomos homólogos;

- Tipos:

* Transdução: transferência de genes na qual um vírus serve como veículo para transportar o DNA de uma bactéria doadora para a receptora;

* Transformação: mais simples, uma célula receptora adquire o gene de moléculas de DNA solúveis do meio;

* Conjugação: é um processo de transferência de genes que requer o contato célula-célula e, desta forma, difere da transformação e da transdução.

 A conjugação bacteriana, descoberta por Ledeberg e Tatum (1946), é o processo sexual de transferência de genes de uma bactéria doadora para uma receptora.

 Para que uma linhagem bacteriana seja doadora ela deve conter um plasmídeo conjugativo (elemento extracromossômico). O processo de conjugação foi descoberto em Escherichia coli K12 e o elemento responsável foi chamado de fator F (também chamado de plasmídeo F). Este plasmídeo pode estar ou não integrado no cromossomo da bactéria hospedeira. Quando integrado, a bactéria é chamada de HFr (alta frequência de recombinação) devido à mobilização de genes cromossômicos no processo de conjugação desencadeado por produtos gênicos do plasmídeo.

 A célula F+, durante o contato com um célula F-, transfere para esta última uma cópia do plasmídeo F, tornando-a F+. A linhagem HFr, onde o fator F encontra-se integrado no cromossomo, transfere essencialmente marcadores localizados no cromossomo, sendo que apenas muito raramente a totalidade do fator F é transferida (conjuntamente com todo o cromossomo da doadora). Portanto, nesse caso a célula receptora permanece F- após a conjugação.

 Após a descoberta do fator F, outros plasmídeos conjugativos foram descritos, como os plasmídeos ou fatores R. Esses plasmídeos têm esse nome genérico por conterem marcadores de resistência a drogas antibacterianas e em geral não se integram no cromossomo bacteriano.

Resumo:

 • Mutações são alterações herdáveis na sequência de DNA que podem levar a alterações no fenótipo. Mutações selecionáveis são aquelas que conferem ao mutante uma vantagem de crescimento, sob certas condições ambientais, sendo especialmente úteis em pesquisas genéticas. Quando a seleção não é possível, os mutantes podem ser identificados pela varredura.

 • As mutações, espontâneas ou induzidas, surgem devido às alterações na sequência de bases do ácido nucleico no genoma de um organismo. Uma mutação pontual, que ocorre devido à alteração de um único par de bases, pode levar à substituição de um único aminoácido em um polipeptídeo, ou não promover qualquer alteração, dependendo do códon em particular. Em uma mutação sem sentido, o códon torna-se um códon de término, levando à síntese de um polipeptídeo incompleto. Deleções e inserções provocam mudanças maiores no DNA, incluindo as mutações de alteração de fase de leitura, que frequentemente resultam na completa perda da função gênica.

 • Diferentes tipos de mutação ocorrem com diferentes frequências. No caso de uma bactéria típica, taxas de mutação de 10^(–6) a 10^(–7) por pares de quilobases, são frequentemente observadas. Embora as RNA e DNA-polimerases introduzam erros com uma frequência similar, os genomas de RNA geralmente acumulam mutações com frequências muito mais elevadas que os genomas de DNA.

 • Agentes mutagênicos são agentes químicos, físicos ou biológicos que aumentam a taxa de mutações. Esses agentes podem alterar o DNA de diferentes maneiras. Entretanto, alterações no DNA não são consideradas mutações se não forem herdadas. Alguns tipos de dano ao DNA podem levar a célula à morte se não forem reparados; no entanto, existem sistemas de reparo do DNA propensos a erros e outros de alta fidelidade.

 • A recombinação homóloga ocorre quando sequências de DNA estreitamente relacionadas de dois elementos genéticos distintos são combinadas em um mesmo elemento. A recombinação é um processo evolutivo importante e as células apresentam mecanismos específicos para garantir sua ocorrência.

 • Determinados procariotos exibem competência, um estado no qual as células são capazes de captar DNA livre, liberado por outras bactérias. A incorporação do DNA doador em uma célula receptora requer a atividade de uma proteína de ligação ao DNA de fita simples, da proteína RecA e de várias outras enzimas. Somente células competentes são transformáveis.

 • Transdução é a transferência gênica de uma bactéria hospedeira a outra, mediada por um vírus bacteriano. Na transdução generalizada, partículas virais defectivas incorporam, de maneira aleatória, fragmentos de DNA cromossômico da célula hospedeira, embora com baixa eficiência. Na transdução especializada, o DNA de um vírus temperado sofre uma excisão incorreta, carreando genes adjacentes da célula hospedeira; a eficiência de transdução, nesse caso, pode ser bastante alta.

 • A conjugação é um mecanismo de transferência de DNA em procariotos, a qual requer o contato célula-célula. A conjugação é controlada por genes carreados por determinados plasmídeos (como o plasmídeo F) e envolve a transferência do plasmídeo de uma célula doadora para uma célula receptora. A transferência do DNA plasmidial envolve a replicação pelo mecanismo de círculo rolante.

 • O cromossomo da célula doadora pode ser mobilizado e transferido a uma célula receptora. Isso requer um plasmídeo F integrado ao cromossomo, originando um fenótipo Hfr. A transferência do cromossomo hospedeiro é raramente completa, mas pode ser utilizada para mapear a ordem dos genes no cromossomo. Plasmídeos F9 são plasmídeos F que se encontravam previamente integrados e que sofreram excisão, capturando alguns genes cromossômicos.

 • O desenvolvimento de sistemas de transferência gênica em arqueias está muito atrasado, em comparação a bactérias. Muitos antibióticos são ineficientes contra arqueias, dificultando a seleção efetiva de recombinantes. Além disso, as condições de cultivo pouco usuais requeridas por várias arqueias também dificultam a experimentação genética. No entanto, todos os sistemas de transferência genética em bactérias – transformação, transdução e conjugação – são conhecidos em arqueias.

 • Transposons e sequências de inserção são elementos genéticos que podem mover-se de uma região para outra em uma molécula de DNA hospedeira, por um processo denominado transposição, um tipo de recombinação sítio-específica. A transposição pode ser tanto replicativa quanto conservativa. Frequentemente, os transposons carreiam genes que codificam resistência a antibióticos e podem ser utilizados como agentes mutagênicos biológicos.

 • O sistema CRISPR, é um mecanismo em procariotos para a proteção do genoma contra DNA invasor resultante de infecções ou conjugação. Se pequenas moléculas de RNA provenientes de regiões espaçadoras da região CRISPR ligarem-se por complementariedade ao DNA que entra na célula, proteínas Cas destroem o duplex de ácidos nucleicos

Referência

MADIGAN, Michael T.; MARTINKO, John M.; BENDER, Kelly S.; et al. Microbiologia de Brock. Grupo A, 2016. E-book. ISBN 9788582712986. Disponível em: https://app.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788582712986/. Acesso em: 13 abr. 2024.