genética bacteriana

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DISCIPLINA: 
Imunologia & 
Microbiologia
Profa. Me. Akemi Suzuki Cruzio
GENÉTICA BACTERIANA
INTRODUÇÃO
DNA 
	- 1 hélice de fita dupla		(AT; CG)
		pareamento de bases nitrogenadas específicas 						
Sequência de bases  codifica a informação genética
Estrutura complementar do DNA 
	- permite a duplicação precisa do DNA durante a divisão celular
Gene 
	- é um segmento de DNA que codifica um produto funcional 												 proteína
INTRODUÇÃO
Mycoplasma 											- é a bactéria com menor genoma
Tamanho do genoma: vírus < bactéria < célula eucariótica
Fluxo da informação genética
ELEMENTOS CELULARES ENVOLVIDOS NA GENÉTICA BACTERIANA
Bactérias 
	- possuem: apenas um cromossomo
	- não possuem: membrana nuclear, aparelho mitótico, histonas e 				 íntrons
Nucleóide ou cromossomo bacteriano  DNA
	- contem todas informações necessárias para a sobrevivência da célula
	- é capaz de autoduplicação
	- seus genes podem ser transferidos associados a plasmídios, transposons e bacteriófagos
Cromossomo bacteriano 
	- é enrolado, espiralado e compactadoe
ELEMENTOS CELULARES ENVOLVIDOS NA GENÉTICA BACTERIANA
DNA extra-cromossomal  Plasmídeos
	- moléculas extracromossomais circulares de DNA encontradas em muitas espécies bacterianas;
	- podem ser removidos das células sob condições de estresse;
	- conferem vantagens seletivas;
	- replicação pode ocorrer durante a replicação bacteriana ou na conjugação.
Tipos de plasmídios:
Plasmídio de tipo sexual: 
	- são importantes para a transferência de 				plasmídios a uma célula receptora;
	- são capazes de se integrar no cromossomo.
ELEMENTOS CELULARES ENVOLVIDOS NA GENÉTICA BACTERIANA
Tipos de plasmídios:
Plasmídio R: 
	- conferem resistência a antibióticos;
	- possuem o determinante de resistência 						e o fator de transferência de resistência RTF
		Ex.: Staphylococcus aureus.
Plasmídios Col ou bacteriocinogênicos: 
	- plasmídios capazes de produzir inibidores
	de crescimento de outras bactérias
		Ex.: Escherichia coli e Pseudomonas.
ELEMENTOS CELULARES ENVOLVIDOS NA GENÉTICA BACTERIANA
Tipos de plasmídios:
Plasmídios virulentos: 
	- favorecem a infecção em mamíferos.
Plasmídios de degradação: 
	- codificam enzimas degradativas
		Ex.: Pseudomonas;
ELEMENTOS CELULARES ENVOLVIDOS NA GENÉTICA BACTERIANA
Transposons
	- Segmentos de DNA móveis dentro do			 cromossomo;
	- Codificam caracteres não essenciais,				não autoduplicam;
	- Transferem-se ligados a plasmídios e 			 cromossomos podendo carrear genes próprios 			 e cromossômicos;
	- Contém informação para a própria 				 transposição;
	- Podem causar mutações;
	- Contém genes de resistência a antimicrobianos
	- Transposases  enzimas que permitem a transposição
ELEMENTOS CELULARES ENVOLVIDOS NA GENÉTICA BACTERIANA
Integrons
	- Segmentos de DNA fita dupla;
	- Capturam genes de resistência a drogas do citoplasma.
Pili ou fimbria sexual: 
	- apêndice relacionado com a troca de material genético durante a conjugação bacteriana.
Mesossomo: 
	- parecem estar ligados ao material nuclear da célula, estando envolvidos na replicação de DNA e na divisão celular.
ELEMENTOS CELULARES ENVOLVIDOS NA GENÉTICA BACTERIANA
Ribossomos: 
	- compostos de RNAr (60%) e proteínas (40%);
	- cerca de 80% dos ribossomos estão na forma de polirribossomos
Polirribossomos: conjunto de ribossomos, atuando ao longo se um RNAm
ORGANIZAÇÃO E REGULAÇÃO DO GENOMA BACTERIANO
Regulação da síntese protéica 
	- é eficiente em termos energéticos								 pois as proteínas são sintetizadas somente quando necessário
Enzimas constitutivas 
	- produzem em uma velocidade fixa								Ex. enzimas da glicólise.
Para esses mecanismos reguladores genéticos, o controle é dirigido à síntese de RNAm. 
ORGANIZAÇÃO E REGULAÇÃO DO GENOMA BACTERIANO
Repressão
	- Controla a síntese de uma ou mais enzimas;
	- Quando as células são expostas a um produto final específico, a síntese das enzimas relacionadas aquele produto diminui.
Indução
	- Na presença de certas substâncias químicas, as células sintetizam mais enzimas;
	Ex. lactose presente  E. coli produz β-galactosidase  degrada lactose
Operon:
	- Grupo de genes estruturais regulados coordenadamente com funções metabólicas relacionadas e os sítios promotor e operador que controlam sua transcrição;
ORGANIZAÇÃO E REGULAÇÃO DO GENOMA BACTERIANO
Operon:
	- Sítio Operador permite que a RNA polimerase transcreva ou não a sequência de genes (controle da transcrição);
	- Cada operon corresponde a uma via metabólica;
	- Os operons podem ser induzidos ou reprimidos;
Modelo de operon pra um sistema indutível
	- um gene regulador codifica a proteína repressora;
	- Quando o indutor está ausente, o repressor liga-se ao operador e não há síntese de RNAm.
	- Quando o indutor está presente, liga-se ao repressor, de modo que ele não pode se ligar ao operador  o RNAm é produzido e a síntese da enzima é induzida.
ORGANIZAÇÃO E REGULAÇÃO DO GENOMA BACTERIANO
Sistemas repressíveis
	- o repressor requer um co-repressor, de modo a ligar-se ao sítio operador  o co-repressor controla a síntese da enzima.
	
	Ex. Operon-LAC (Operon da Lactose)
VARIABILIDADE GENÉTICA EM BACTÉRIAS
Bactérias 
	- não têm reprodução sexual no mesmo sentido que os eucariontes. 
Assim, as bactérias não possuem:
	- Alternância de gerações;
	- Gametas;
	- Meiose;
Bactérias 
	- apresentam dois mecanismos de variabilidade genética						a mutação ou a recombinação					 a qual pode se dar por transformação, conjugação ou transdução.
VARIABILIDADE GENÉTICA EM BACTÉRIAS
Mutação: 
	- Alterações na sequência de nucleotídeos podendo modificar o produto  irreversíveis.
	- Ocorre durante a replicação do cromossomo bacteriano;
	- Podem ser neutras, desvantajosas ou benéficas;
	- Ocorrem ao acaso  podem aparecer bactérias com resistência a um antibiótico sem ter entrado em contato com este;
Podem ser:
	- Puntiformes  resultado de substituições em pares de bases envolvendo apenas um ou alguns poucos nucleotídeos.
	- Inserção  adição/ incorporação de uma ou mais bases
	- Deleção  perda de uma ou mais bases
VARIABILIDADE GENÉTICA EM BACTÉRIAS
Recombinação: 
	- processo de variabilidade genética que envolve material genético exógeno.
	- Ocorre durante os processos de conjugação, transformação ou transdução.
Transformação: 
	- transferência de um pedaço de DNA de uma célula morta para uma célula viva
Em 1928, Griffith descobriu um Streptococcus pneumoniae sem cápsula, sendo que as colônias lisas eram aquelas de bactérias encapsuladas e as colônias rugosas eram de bactérias sem cápsula.
VARIABILIDADE GENÉTICA EM BACTÉRIAS
Transformação, etapas: 
Libertação do DNA do doador para o meio
A célula receptora deve estar competente e pode liberar fator de competência para células próximas;
A autolisina expõe a membrana às proteínas de ligação de DNA e endonucleases;
Adesão do DNA a uma célula receptora competente;
Clivagem do DNA pelas endonucleases;
Clivagem por exonucleases → quebra das pontes de hidrogênio
Forma-se complexo eclipse: fita de DNA + proteína “protetora” hermus.
VARIABILIDADE GENÉTICA EM BACTÉRIAS
Transformação, etapas: 
Passagem do complexo eclipse pela membrana plasmática;
DNA receptor + DNA doador → busca de locais de homologia;
 Fita simples doadora une-se a fita homóloga receptora.
A transformação natural ocorre apenas em alguns gêneros de bactérias, como por exemplo, Azobacter, Bacillus, Streptococcus neisseria e Thermus.
CONJUGAÇÃO
Bactérias possuem reprodução sexual e recombinação?
1946, Joshua Lederberg e Edward Tatum
- Tipo de reprodução sexual em Escherichia coli
2 linhagens mutantes auxotróficas
Linhagem A, suplementos: metionina e biotina;
Linhagem B, suplementos: treonina, leucina e tiamina.
Meio mínimo  Linhagens A + B  surgimento de colônias prototróficas (1 em 107)
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E se as
bactérias não trocassem genes, mas sim produzissem substratos necessários para outras crescerem?
“Alimentação
Cruzada”?
Experimento
de Bernard
Davis
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VARIABILIDADE GENÉTICA EM BACTÉRIAS
Conjugação: 
	- Processo de transferência de DNA de uma bactéria para outra, envolvendo o contato entre duas células.
	- mediada por um plasmídio  designado fator F.
Plasmídio: fragmento circular de DNA, com capacidade para a auto-replicação
Bactérias Gram negativas
	- o plasmídio transporta genes que codificam a síntese de pili sexuais 				 projeções da célula doadora que entram em contacto 				com a receptora.
Importante 
Conjugação  principal forma de transferência de genes bacterianos entre as bactérias Gram negativas
Pode ocorrer entre espécies diferentes de bactéria
Transferência de resistência múltipla a antibióticos por conjugação 	 problema no tratamento de certas doenças bacterianas				
POR QUE?
	- 1 cél recipiente se torna uma doadora após transferir um plasmídeo  1 gene de resistência a antibiótico em um plasmídeo pode rapidamente converter uma população sensível de céls em uma população resistente.
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Importante 
Bactéria Gram positiva 
	- também tem plasmídeos que levam genes de resistência múltipla a antibióticos
Transmissão:
	- em alguns casos são transferidos por conjugação
	- em outros casos eles são transferidos por transdução
O mecanismo de conjugação em bactéria Gram + é diferente do da Gram –
Gram + 
	- o doador produz um material adesivo que provoca agregação com a recipiente e o DNA é transferido.
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DESCOBERTO DO FATOR DE FERTILIDADE (F)
1953, Willian Hayes
Transferência não recíproca de material genético;
1 célula doadora e 1 receptora.
Hayes  linhagem doadora “estéril”  tornou-se “receptora”
Recuperação da capacidade de ser doadora;
Associação com doadoras “não-estéreis”;
“Transferência infecciosa” de um fator de fertilidade (F)  plasmídeo
Doadoras  F+
Receptoras  F-
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VARIABILIDADE GENÉTICA EM BACTÉRIAS
Conjugação: 
A capacidade conjugativa está associada à presença de genes localizados em um operon denominado tra  conferem características envolvidas na 							conjugação como a síntese do pilus F, 							responsável pelo reconhecimento e 							contato entre as células e a 								transferência do DNA plasmidial.
Uma das cadeias de DNA do plasmídeo é transferida da célula F+ para a célula F-.
Na célula doadora, F+  o plasmídeo é replicado durante a transferência de uma das cadeias de DNA 									- no receptor a cadeia complementar é também depois sintetizada.
Após a transferência a célula receptora passa a ser do tipo F+.
PLASMÍDEO F
Dirige a síntese dos pili 
- Contato doadora  receptora
Replicação em círculo
Copia unifilamentar  replicação em círculo rolante  poro  célula receptora  dupla hélice
VÍDEO
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VARIABILIDADE GENÉTICA EM BACTÉRIAS
Conjugação: 
Em algumas células que transportam o fator F, este se integra no cromossomo bacteriano  convertendo a célula F+ numa célula do tipo Hfr (Alta frequência de recombinação).
Conjugação ocorre entre uma célula Hfr e uma célula F-
	 cromossomo da célula Hfr replica-se  inicia-se a transferência de uma das cadeias do cromossomo para a célula receptora.
	- não ocorre a transferência completa do cromossomo, já que os pili são frágeis e ocorre a sua quebra
	
VARIABILIDADE GENÉTICA EM BACTÉRIAS
Conjugação: 
Quebra do pili
	- é transferida apenas uma parte do cromossomo bacteriano 						 célula receptora permanece F-.
Quando integrados, esses plasmídios podem mobilizar a transferência de genes cromossomais também.
Linhagens Hfr
Lucas Cavalli-Sforza  derivado de F+, propriedades incomuns
Hfr x F- = 1000x n° de recombinantes F+ x F-;
Hfr x F- = quase nenhum F- convertido em F+ ou Hfr;
Hfr  integração do fator F ao cromossomo;
Recombinantes de Lederberg e Tatum eram Hfr.
					Integração de 
					plasmídeo F
					cria uma 
					linhagem Hfr
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- Uma Hfr morre 
após doar seu 
material cromossômico?
- Crossing 
integram partes 
do fragmento 
doador 
transferido
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Transmissão linear dos genes Hfr a partir de um ponto fixo
1957, Ellie Wolman e François Jacob
Padrão de transmissão de genes Hfr;
Hfr azir tonr lac+ gal+ strs x F- azis tons lac- gal- strr
Reprodução interrompida  plaqueada em meio com estreptomicina  strr testadas quanto a presença de alelos do doados.
 Exconjugantes: 
bactéria “fêmea” que passou por conjugação com um “macho” e contém um fragmento de DNA do “macho”.
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Transmissão linear dos genes Hfr a partir de um ponto fixo
Hfr azir tonr lac+ gal+ strs x F- azis tons lac- gal- strr
Reprodução interrompida
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Por que Hfr x F- converteram quase nenhum F- em F+ ou Hfr?
A transferência do DNA começa a partir de um ponto de origem O, e continua de modo linear;
Quanto mais longe de O mais tarde o gene será transferido;
Fator F é transferido por último
VÍDEO
Transmissão linear dos genes Hfr a partir de um ponto fixo
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PLASMÍDEOS R
1950, hospitais japoneses
Disenteria (Shigella)  sensível  resistência a múltiplas drogas.
Resistência
Transmissão de modo infeccioso;
Semelhante ao plasmídeo F
Alelos para resistência
Contidos em transposon;
Plasmídeos não-conjugativos  alelos R  transposição  plasmídeos conjugativos
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GENÉTICA DE BACTERIÓFAGOS
Bacteriófagos
Parasitam e matam bactérias;
1 cromossomo de ácido nucleico 
(DNA/RNA);
Capa de moléculas de proteínas.
Infecção por fagos
- Maioria das bactérias são suscetíveis 
Fago  bactéria injeção de material genético posse da maquinaria da célula  síntese dos componentes do fago  lise da parede bacteriana  fagos livres (lisado de fagos)
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TRANSDUÇÃO
1951, Joshua Lederberg e Norton Zinder
- Recombinação em Salmonella typhimurium
2 linhagens auxotróficas
A: fen- trp- tir –
 meio mínimo  0 prototróficas
B: met- his-
 - A: fen- trp- tir –
 + meio mínimo  1 em 105 prototróficas
 - B: met- his-
 
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TRANSDUÇÃO
Experimento em tubo U  presença de recombinantes
Tamanhos variados dos poros;
Agente responsável do mesmo tamanho que um 
fago de Salmonella (P22);
Vírus podem captar genes bacterianos e 
transferir ao infectar outro hospedeiro.
2 tipos de fagos:
Virulentos e temperados
Profago  fago integrado ao genoma bacteriano
Lisogênica  bactéria que abriga um fago quiescente
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VARIABILIDADE GENÉTICA EM BACTÉRIAS
Transdução: 
	- Incorporação de DNA de outra célula bacteriana tendo como vetor um bacteriófago ou fago.
	- No processo de formação de novas partículas virais, pode ser incorporado algum DNA do cromossomo da célula hospedeira. 
	- Quando estes vírus infectam novas células, a célula receptora pode adquirir nova informação genética.
Fago virulento - fago que leva a célula ao ciclo lítico (causa infecções);
Fago transdutor - fago com genoma da célula bacteriana incorporado 	(não causa infecção, pois só o capsídeo é dele; ele apenas transfere 	gene de uma célula para outra célula);
VARIABILIDADE GENÉTICA EM BACTÉRIAS
Etapas da transdução
Infecção fágica;
Síntese de novos fagos;
Lise bacteriana e libertação de novos fagos;
Produção e libertação de fagos defectivos;
Fagos defectivos injetam o DNA em novas células;
Recombinação;
VARIABILIDADE GENÉTICA EM BACTÉRIAS
Transdução pode ser:
Generalizada
	- requer a ocorrência de um ciclo lítico							 eventualmente pode haver o empacotamento de fragmentos 		de DNA da célula hospedeira 									 gerando partículas transdutoras - correspondem ao 								capsídeo viral contendo em seu 							interior DNA bacteriano.
A frequência com que um determinado gene é transferido é baixa 			 cada partícula transdutora leva apenas um determinado fragmento de DNA 	 1 em 103 ou 108 células
recebem um determinado gene
VARIABILIDADE GENÉTICA EM BACTÉRIAS
Transdução pode ser:
Especializada
	Ex.: transferência de genes que codificam produtos envolvidos na degradação de galactose pelo fago λ de E. coli.
Etapas
Infecção e lisogenização do fago, que ocorre em sítios específicos do genoma
	 a integração do fago ocorre adjacente ao conjunto de genes envolvidos na utilização de galactose
	- pela ação de algum indutor (ex: UV) há a separação do fago do genoma (integração reversa), que normalmente ocorre perfeitamente.
VARIABILIDADE GENÉTICA EM BACTÉRIAS
Especializada
Etapas
2. Em alguns casos, essa separação é defeituosa  promovendo a remoção de genes bacterianos e deixando parte do genoma viral na célula
	- Essas partículas podem ser de dois tipos: 
aquelas que carregam genes gal
aquelas que carregam genes bio
	- partículas levando genes gal  são denominadas λdgal (defectivas, contendo o gene gal)	 	incapazes de formar partículas virais maduras
		 quando infectam novas células, pode haver a transferência de 		genes gal, a partir da infecção e lisogenização dos dois fagos.