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BACTERIOLOGÍA - CAPÍTULO  OCHO  

INTERCAMBIO DE  INFORMACIÓN GENÉTICA

Dr Gene Mayer
Professor Emeritus
University of South Carolina School of Medicine

Traducido por :
Dr. en C. Paula Figueroa-Arredondo
 

OBJETIVOS DE APRENDIZAJE
Explicar los mecanismos de la transferencia de genes en bacterias.
Describir la naturaleza de los elementos genéticos transponibles y los plásmidos.
Discutir la importancia de la transferencia genética, los elementos genéticos transponibles y los plásmidos

INTRODUCCIÓN

En las poblaciones bacterianas constantemente están surgiendo mutaciones a causa de los errores que aparecen durante la replicación. Si existe cualquier ventaja selectiva para una mutación en particular (ej. resistencia a antibióticos), la mutante enseguida se convertirá en el principal componente de la población, debido a la rápida tasa de crecimiento de las bacterias. Además, dado que las bacterias son organismos haploides, aún las mutaciones que normalmente podrían ser recesivas serán expresadas. Por ello, en poblaciones bacterianas las mutaciones pueden representar un problema en el tratamiento de las infecciones causadas por bacterias. No solo son problema las mutaciones, las bacterias tienen mecanismos por los cuales sus genes pueden transferirse de una célula a otra. Por tanto, una mutación que surge en una célula siempre puede ser transmitida a las otras.

La transferencia genética en bacterias es unidireccional y va de una célula donadora a una receptora y la donadora usualmente cede solamente una pequeña parte de su DNA a la receptora. Por tanto, no se forman cigotos completos; en su lugar se forman cigotos parciales (merocigotos).

Los genes bacterianos usualmente se transfieren a miembros de la misma especie aunque ocasionalmente puede ocurrir transferencia hacia otras especies. La Figura 1 ilustra las transferencias genéticas que se ha demostrado que ocurren entre especies bacterianas diferentes.

MECANISMOS DE TRANSFERENCIA GENÉTICA EN BACTERIAS

Transformación 

La transformación es la transferencia genética que resulta de la incorporación de DNA desnudo por una célula receptora desde una célula donadora. Ciertas bacterias (ej. Bacillus, Haemophilus, Neisseria, Pneumococcus) son capaces de tomar DNA del medio ambiente y ese DNA que es introducido puede llegar a ser incorporado al cromosoma de la célula bacteriana receptora.

Factores que afectan la transformación

a. Tamaño del DNA
Funciona mejor el DNA de doble cadena de al menos 5 X 10⁵ daltones. Por tanto, la transformación es sensible a las nucleasas del medio ambiente.

b. Competencia de la célula receptora
Algunas bacterias son capaces de incorporar DNA en forma natural. Sin embargo, estas bacterias solo toman al DNA en una etapa particular de su ciclo celular, cuando producen una proteína específica llamada factor de competencia. Cuando la bacteria se encuentra en este estadio se dice que es competente. Otras bacterias no son capaces de incorporar el DNA naturalmente, sin embargo en estas bacterias la competencia puede ser inducida in vitro mediante tratamiento con sustancias químicas (ej. CaCl₂).

Pasos de la transformación.

a. Incorporación del DNA
La incorporación del DNA por las bacterias Gram+ y Gram- es diferente. En las bacterias Gram+ el DNA se introduce en forma de moléculas de cadena sencilla y la cadena complementaria se sintetiza dentro de la célula receptora. En contraste, las bacterias Gram- incorporan DNA de doble cadena.

b. Recombinación General/Legítima/Homóloga
Luego de que el DNA de la célula donadora se ha incorporado, ocurre un evento de recombinación recíproca entre el cromosoma y el DNA de la célula donadora. Esta recombinación requiere de que exista homología entre el DNA del donador y el cromosoma receptor, lo que finalmente resulta en la substitución de DNA entre la receptora y la donadora, como se ilustra en la Figura 2.
 

  Figura 1 Transferencia genética que se ha demostrado que ocurre entre diferentes especies de bacterias.

  Figura 2  Recombinación General. El DNA del donador se muestra en rojo y el del receptor en azul.

  Figura 3 El mecanismo de la  transducción generalizada.

Esta recombinación requiere de los genes de la recombinación bacteriana (recA, B y C) y de que exista homología entre los DNAs involucrados. Este tipo de recombinación se denomina recombinación general, legítima u homóloga. Debido al requerimiento de homología entre las células donadora y huésped, solo el DNA de una bacteria cercanamente relacionada se esperaría que transformara exitosamente, aunque en raras ocasiones se ha demostrado que sí ocurre transferencia genética de este tipo entre bacterias relacionadas de forma más bien distante.

Importancia
La transformación ocurre en la naturaleza de manera normal y es un mecanismo que puede conducir al incremento de la virulencia bacteriana. Por otra parte, la transformación in vitro ha sido ampliamente utilizada en la tecnología del DNA recombinante.

 

Transducción

La transducción es la transferencia de información genética desde un donador a un receptor y está mediada por un bacteriófago (fago). La cubierta del fago protege al DNA del medio ambiente, así es que la transducción, a diferencia de la transformación, no se ve afectada por las nucleasas en el medio ambiente. No todos los fagos pueden mediar la transducción. En la mayoría de los casos la transferencia genética se realiza entre miembros de las mismas especies bacterianas. Sin embargo, si un fago en particular posee un amplio rango de huéspedes que él es capaz de infectar, entonces la transferencia entre las especies puede ocurrir. La capacidad del fago para mediar la transducción, está relacionada con el ciclo de vida del mismo.

Tipos de Transducción

a. Transducción Generalizada
La transducción generalizada es el  mecanismo por el cual potencialmente cualquier gene bacteriano de la donadora puede ser transferido a la célula receptora. El mecanismo de la transducción generalizada se ilustra en la Figura 3.

Los fagos que median la transducción generalizada, normalmente cortan el DNA de la célula huésped en pequeñas piezas y empacan ambos DNAs al interior de la partícula fágica mediante un mecanismo llamado “head full” o llenado de las cabezas del fago. Ocasionalmente una de las piezas del DNA de la bacteria huésped resulta empacada al azar dentro de una cubierta de fago. Por lo tanto cualquier gene de la bacteria donadora puede ser potencialmente transferido, pero solamente se transferirá tanto DNA como pueda caber en una sola cápside. Cuando la célula receptora se infecta con un fago que contiene DNA de una donadora, el DNA de la donadora puede entrar a la receptora. Ya dentro de la célula receptora puede ocurrir el evento de la recombinación generalizada, en el cual se substituye el DNA de la célula donadora por el de la receptora (Figura 2).
 

b. Transducción especializada
La transducción especializada es la transducción en la cual solo ciertos genes del donador pueden ser transferidos al receptor. Diferentes fagos pueden transferir diferentes genes pero un fago individual solamente puede transferir unos pocos genes. La transducción especializada está mediada por fagos lisogénicos o fagos temperados y los genes que se llegan a transferir dependerán del lugar donde el profago queda insertado en el cromosoma. El mecanismo de la  transducción especializada se ilustra en la Figura 4.

Durante la escisión (separación) del profago, un error llega a ocurrir ocasionalmente en el cual un poco del DNA del huésped escinde (se separa del cromosoma) junto con el DNA del fago. Solo puede ser transferido el DNA del huésped que esté flanqueando cada lado del sitio donde el profago se ha insertado, (ej. transducción especializada). Después de la replicación y la liberación del fago y a través de la infección de la célula receptora, puede ocurrir una lisogenización de la receptora dando como resultado la transferencia estable de los genes de la donadora. La receptora ahora tendrá dos copias de los genes que le fueron transferidos. También es posible que se lleve a cabo una recombinación legítima entre los genes de la donadora y de la receptora.

Importancia
La conversión lisogénica (mediada por fago) ocurre en la naturaleza y es la fuente de donde proceden las cepas virulentas.

PELÍCULA

Conjugación 

Alta resolución 
Baja resolución 
© Mondo Media, San Francisco, Calif., USA  and and  The MicrobeLibrary

Este video clip demuestra el proceso de la  conjugación. Primero, dos bacterias recombinan su material vía el pilus sexual. Luego, una cadena del plásmido se transfiere a la célula unida. Note que el plásmido original no se pierde en la primera célula. Finalmente, cada célula duplica inmediatamente la cadena sencilla de modo que ambas bacterias tienen una copia del plásmido de cadena doble.

Conjugación

La conjugación es la transferencia de DNA de una donadora a una receptora, mediante contacto físico directo entre las células. En las bacterias existen dos tipos de células y son las donadoras (macho) y las receptoras (hembras) y la dirección de la transferencia genética es en un solo sentido; así el DNA se transfiere desde la donadora hacia la receptora.

Tipos de células acopladas (mating cells) en las bacterias

a. Donadora
La capacidad de una bacteria de ser el donador es consecuencia de la presencia en dicha célula de una pieza extra de DNA, llamada factor F, factor de fertilidad o factor sexual. El factor F es una pieza circular de DNA que es capaz replicar en forma autónoma en la célula; es un replicón independiente. Las piezas de DNA extra-cromosomal que pueden replicar autónomamente, reciben el nombre genérico de plásmidos. El factor F posee los genes necesarios tanto para su replicación como para su habilidad de transferir DNA a la célula receptora. Una de las cosas que el  factor F codifica es la capacidad de producir una estructura llamada pilus sexual (pilus F) sobre la superficie de la bacteria. Este pilus es importante en el proceso de conjugación. El factor F no es el único plásmido que puede mediar la  conjugación pero generalmente se toma como modelo.

b. Receptora
La capacidad de actuar como receptora es consecuencia de la carencia de esta célula del factor F.

  b   
Figura  5   Estados fisiológicos del factor F.r

Estados fisiológicos del factor F

a. (F⁺) Autónomo
El factor F en este estado lleva solamente aquellos genes necesarios para su replicación y para la transferencia de DNA. No hay genes cromosomales asociados con el factor F en las cepas F⁺.

En los cruces del tipo F⁺ X F^- el F^- se convierte en F⁺ mientras que F⁺ permanece como F⁺. Por lo tanto, el factor F es infeccioso. Por otra parte, solamente se presenta un bajo nivel de transferencia de los genes cromosomales de la donadora.

b. (Hfr) Integrado
En este estado el factor F se encuentra integrado en el cromosoma bacteriano, vía un evento de recombinación, como se ilustra en la Figura 5a

En los cruces del tipo Hfr X F^- el F^- raramente se convierte en Hfr y la célula Hfr permanece como tal. En éste caso existe una alta frecuencia de transferencia de los genes cromosomales del donador, de ahí que el nombre de la cepa sea hfr, del inglés high frequency of recombination.

c. Autónomo con genes cromosomales (F')
En este estadio el factor F es autónomo, pero ahora contiene algunos genes cromosomales. Los factores F' se producen por escisión del factor F de una Hfr, como se ilustra en la Figura 5b. Ocasionalmente, cuando el factor F se escinde del cromosoma Hfr, los genes del donador localizados en cada lado del factor F pueden escindir junto con el factor F generando una F'. Los factores F' se denominan dependiendo de los genes cromosomales que contienen.

En los cruces del tipo F' X F^- el F^- se convierte a F' mientras que F' permance como tal. Por otra parte esta bacteria presenta una alta frecuencia de transferencia de aquellos genes cromosomales se encuentran en el F' y presenta una baja frecuencia de transferencia de otros genes cromosomales del donador.

Mecanismo de la conjugación

a. Cruces F⁺ X F^- (Figura 6)

i) Formación del par
La punta del pilus sexual se pone en contacto con la  receptora y formandose un puente de conjugación entre las dos células. Es a través de este puente que el DNA pasará del donador al receptor. De tal forma que el DNA queda protegido de las nucleasas ambientales. Los pares de acoplamiento o mating pairs pueden ser separados por fuerzas tan simples como la agitación y así la conjugación se puede interrumpir. Consecuentemente, los pares de apareamiento permanecen asociados solamente por un tiempo corto.

ii) Transferencia del DNA
El DNA del plásmido se corta en un sitio específico llamado origen de la transferencia y se replica mediante un mecanismo de círculo rodante. Una sola cadena de DNA pasa a través del puente de conjugación y entra a la receptora donde la segunda cadena se replica.

iii) Este proceso explica los cruces característicos F⁺ X F^-. La receptora se convierte en F⁺, la donadora permanece como F⁺ y presenta una baja frecuencia de transferencia de los  genes cromosomales del donador. Como se describe en la Figura 7, realmente no hay transferencia de los genes cromosomales del donador. Sin embargo en la práctica, existe un bajo nivel de transferencia de los genes cromosomales del donador en tales cruces.

ANIMACIÓN
Apareamiento de cepas Bacterianas F+ y F- 

b. Cruces Hfr X F^- (Figura 7)

i) Formación del Par

ii) Transferencia de DNA – El DNA sufre un corte en el sitio de origen de la transferencia y se replica mediante un mecanismo de círculo rodante. En este caso el DNA que se transfiere primero es el del cromosoma. Dependiendo del lugar del cromosoma donde el factor F se ha integrado y en qué orientación lo haga, diferentes genes cromosomales serán transferidos a tiempos diferentes. Sin embargo, el orden relativo y las distancias de los genes siempre permanecerán igual.  Solo hasta que el cromosoma entero se haya transferido, entonces el factor F se transferirá. Ya que los movimientos tales como las fuerzas de agitación son capaces de separar a los pares sexuales formados, es raro que el cromosoma entero se transfiera. Por ello, la receptora generalmente no recibe el factor F en un cruce Hfr X F^-.

iii) Recombinación legítima – La recombinación entre el DNA transferido y el cromosoma da como resultado un intercambio del material genético entre la donadora y la receptora.

iv) Este mechanismo explica las caracteristicas de los cruces Hfr X F^-. La receptora permanece como F-, la donadora permanece Hfr y existe una  alta frecuencia de transferencia de los genes cromosomales a partir de la donadora.
 

ANIMATION

Mating of Hfr and F- Bacterial Strains 

© Thomas M. Terry, University of Connecticut, Storrs, Conn., USA and  The MicrobeLibrary

c. Cruces F' X F^- (Figura 8)

i) Formación del Par

ii) Transferencia del DNA - Este proceso es similar al cruce F⁺ X F^-. Sin embargo, debido a que el F' lleva algunos genes cromosomales estos también van a ser transferidos.

iii) Recombinación homóloga. No es necesaria aunque puede ocurrir.

iv) Este mecanismo explica las características de los cruces F' X F^-. El F- se convierte en F', el F' permanece como tal y la se presenta una alta frecuencia de transferencia de los genes del donador que van en el F' pero una baja frecuencia de transferencia de otros genes cromosomales del donador.

4) Importancia – Entre las bacterias Gram negativas esta es la forma principal en que se transfieren los genes. La transferencia puede ocurrir entre diferentes especies bacterianas. La transferencia de resistencia múltiple a los antibióticos por conjugación ha llegado a ser un problema relevante en el tratamiento de ciertas enfermedades bacterianas. Debido a que la célula receptora se convierte en donadora después de la transferencia del plásmido, es fácil ver por qué un gen de resistencia a los antibióticos que va en un plásmido puede rápidamente convertir una población sensible de bacterias en una resistente.

Las bacterias Gram positivas también tienen plásmidos que llevan genes de resistencia múltiple a los antibióticos, en algunos casos estos plásmidos se transfieren por conjugación mientras que en otras ellos se transfieren por transducción. El mecanismo de conjugación en las bacterias Gram + es diferente al de las Gram -. En las bacterias Gram + el donador produce un material adhesivo el cual causa agregación con el receptor y el DNA se transfiere.

ELEMENTOS GENÉTICOS TRANSPONIBLES

Elementos  Genéticos Transponibles

Los elementos genéticos transponibles son segmentos de DNA que tienen la capacidad de moverse desde una localización hasta otra (ej. genes saltarines).

Propiedades de los Elementos Genéticos Transponibles

1. Movimiento al azar- Los elementos genéticos transponibles pueden moverse desde cualquier molécula de DNA a cualquier otra molécula de DNA o aún a otro lugar dentro de la misma molécula. El movimiento no es  totalmente al azar; existen sitios preferentes en una molécula de DNA en la cual se insertará el elemento genético transponible.

2. Incapaz de auto-replicarse – Los elementos genéticos transponibles no existen de manera autónoma (a excepción – algunos genes transponibles en los fagos) y por tanto, para ser replicados deben ser parte de algún otro replicón.

3. Transposición mediada por recombinación sitio-específica – La transposición requiere poca o ninguna homología entre la localización actual y el nuevo sitio. El evento de transposición está mediado por una transposasa codificada por el elemento genético transponible. La recombinación que no requiere de homología entre las moléculas recombinantes se denomina de sitio-específico, ilegítima o bien recombinación no-homóloga.

4. Transposición acompañada por duplicación – En muchas instancias la transposición del elemento genético transponible resulta en la remoción del elemento de su sitio original y su inserción en un nuevo sitio. Sin embargo, en algunos casos el evento de transposición se acompaña de una duplicación del elemento genético transponible. Una copia permanece en el sitio original y la otra se transpone en el nuevo sitio.

 

Tipos de Elementos Genéticos Transponibles

1. Secuencias de Inserción (IS)
Las secuencias de inserción son elementos genéticos transponibles que llevan genes desconocidos, con excepción de aquellos que se requieren para la transposición.

a. Nomenclatura
A las secuencias de inserción (insertion sequences) se les da la designación IS seguida por un número (ej: IS1)

b. Estructura (Figura 9)
Las secuencias de inserción son pequeños tramos de DNA que a sus extremos tienen secuencias repetidas que están involucradas en la transposición. En medio de las secuencias terminales repetidas hay genes involucrados en la transposición y secuencias que pueden controlar la expresión de los genes, pero no presentan otros genes que no sean esenciales.

c. Importancia

i) Mutación – La introducción de una secuencia de inserción en medio de un gene bacteriano resultará en la inactivación de tal gene.

ii) Inserción de plásmidos en los cromosomas – Los sitios en los cuales los plásmidos se insertan en el cromosoma bacteriano se localizan ya sea en las propias secuencias de inserción o cerca de ellas.

iii) Variación de Fase – Los antígenos flagelares son de los principales  antígenos ante los cuales se dirige la respuesta inmune, en nuestro intento de luchar contra la infección bacteriana. En Salmonella existen genes que codifican para dos genes flagelares antigenicamente diferentes. La  expresión de estos genes está regulada por secuencias de inserción. En una orientación, uno de los genes está activo mientras que en la otra orientación el otro gene flagelar estará activo. Como resultado Salmonella puede cambiar sus flagelos en respuesta al ataque del sistema inmune. La variación de fase en los antígenos flagelares de Salmonella no es única. También se ha visto que ocurre con otros antígenos de superficie. Además el mecanismo de la variación de fase puede ser diferente en diversas especies de bacterias (ej. transformación en Neisseria).

2. Transposones (Tn)
Los transposones son elementos genéticos transponibles que llevan uno o más de otros genes además de aquellos que son esenciales para la transposición.

a. Nomenclatura – A los transposones se les da la designación Tn seguida de un número.

b. Estructura - La estructura de un transposón es similar a la de una secuencia de inserción. Los genes extra están localizados entre las secuencias repetidas terminales. En algunas instancias (transposones compuestos) las secuencias repetidas terminales son de hecho secuencias de inserción. (See Figure 10).

c. Importancia - Muchos genes de resistencia a los antibióticos se localizan en transposones. Debido a que los transposones pueden saltar de una molécula DNA a otra, estos transposones de resistencia a antibióticos son un factor principal en el desarrollo de plásmidos los cuales pueden conferir resistencia a múltiples drogas en las bacterias que albergan tales plásmidos. Estos plásmidos de resistencia a múltiples drogas han llegado a ser un problema médico grave, debido que el uso indiscriminado de antibióticos ha dado lugar a una ventaja selectiva presente en las bacterias que poseen este tipo de plásmidos.

PLÁSMIDOS

Definición
Los plásmidos son elementos genéticos extra-cromosomales que pueden llevar a cabo una replicación autónoma. Un episoma es un plásmido que además es capaz de integrarse al cromosoma bacteriano.

Clasificación de los Plásmidos

1. Propiedades de Transferencia

a. Plásmidos Conjugativos – Los plásmidos conjugativos son aquellos que son los mediadores del proceso de la conjugación. Estos plásmidos usualmente son grandes, tienen todos los genes necesarios para una replicación autónoma y para la transferencia del DNA hacia una célula receptora (ej. genes para el pilus sexual).

b. Plásmidos No-conjugativos – Los plásmidos no-conjugativos son aquellos que no pueden mediar el proceso de la conjugación. Estos son plásmidos usualmente más pequeños que los plásmidos conjugativos y carecen de uno o más de los genes necesarios para la transferencia del DNA. Un plásmido no-conjugativo puede transferirse por conjugación si la célula también alberga a un plásmido conjugativo.

2. Efectos en el fenotipo

a. Plásmido de Fertilidad (factor F)

b. Plásmidos Bacteriocinogénicos - Estos plásmidos poseen genes que codifican para substancias que matan a otras bacterias. Dichas substancias se llaman bacteriocinas o colicinas.

c. Plásmidos de Resistencia (factores R) – Estos plásmidos acarrean genes de resistencia a los antibióticos.

i) Origen
El origen de los factores R no se conoce. Es probable que hayan evolucionado con otros propósitos y que el advenimiento de la era de los antibióticos haya proporcionado una ventaja selectiva para su amplia diseminación.
 

ii) Estructura
Los plásmidos R son plásmidos conjugativos en los cuales los genes para la replicación y la transferencia se localizan en una parte del factor R y los genes de resistencia están localizados en otra parte del mismo, como se ilustra en la Figura 11.

RTF (Resistance Transfer Factor) – acarrea los genes de transferencia.

Determinante R – acarrea los genes de resistencia. Los genes de resistencia frecuentemente forman parte de transposones.

Mecanismo de acción de los genes de resistencia

a) Modificación (detoxificación) de antibióticos - ej. la enzima β-lactamasa

b) Alteración del sitio blanco - ej. resistencia a la estreptomicina

c) Alteración de la incorporación- resistencia a la Tetraciclina

d) Substitución de una ruta sensible - ej. Una nueva ruta de síntesis del ácido fólico como mecanismo de resistencia a las drogas conocidas como sulfas.

  Regreso a la Sección de Bacteriología de Microbiología e Immunología On-line

 

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