MECANISMOS DE TRANSFERENCIA

GENETICA

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 ,la mutante enseguida se convertirá en el principal componente de la población, debido a la rápida tasa de crecimiento de las bacterias

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).

MECANISMOS DE TRANSFERENCIA •  

Transformación

Transducción

Conjugación

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 transformaciónTamaño 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.

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 transformaciónIncorporación 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.

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

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 1)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.

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.

2)Transducción especializada – es 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

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.

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 en las bacteriasDonadora – 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.

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

YURIKO BURGA KURODA

Estados fisiológicos del factor F(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

YURIKO BURGA KURODA

(Hfr) Integrado - En este estado el factor F se encuentra integrado en el cromosoma bacteriano, vía un evento de recombinación

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.

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.

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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 conjugaciónCruces 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.

Cruces Hfr X F-

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. 

Cruces F' X F-

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.

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