Carlos M. Rodríguez Minguela, Ph.D. Departamento de Biología
[email protected] Ext. 3912
Transferencia Lateral (Horizontal) de Genes y su Impacto en la Diversidad Bacteriana
Manantial termal,
Mycoplasma genitalium (580 Kb)
E. coli (4.5 Mb)
Manantial de azufre, Yellowstone, WY
Sorangium cellulosum (13 Mb)
• variabilidad en el tamaño del genoma
Antártica
• capaces de adaptarse a diferentes ambientes
• 10 billones de especies bacterianas distintas habitan la biosfera
Diversidad Bacteriana
cambios abruptos (envuelven pedazos grandes de DNA) que eliminan información genética o introducen nuevas características previamente no existentes
• pérdida y/o transferencia de genes a otras especies
• captura de genes provenientes de otras especies
transferencia lateral (horizontal) de genes
información genética
• acumulación lenta de cambios que refinan o alteran funciones existentes
mutaciones de punto
Modificaciones de la información genética presente:
eliminación
adquisición
modificación
Diversidad de caracteres ecológicos y genómicos se debe a:
¿Cómo ocurre la ternsferencia horizontal de genes?
Fision Binaria
decendiente descendiente
genes
parental
Transferencia Vertical
• trasferencia ocurre por procesos que movilizan genes entre organismos no relacionados
• la transferencia no ocurre a través de una línea de descendencia
Transferencia horizontal (lateral):
Transferencia Lateral (horizontal) de Genes
4. conjugación de genes cromosomales
3. conjugación de plásmidos
2. transducción
1. transformación
Procesos que facilitan la transferencia lateral de genes
• los fragmentos introducidos deben de ser parecidos a secuencias presentes en el cromosoma
• limitado a fragmentos pequeños
• estado fisiológico que permite la captura de DNA presente en el ambiente
Transformación:
Transferencia lateral (horizontal) de Genes
bacterial genome
Horizontal Gene Transfer via Bacteriophage transduction:
recipient bacterium’s
donante
receptor
rango amplio de huésped: •transmisión entre diferentes bacterias • bacteria-plantas • bacteria-hongos
conjugación: mecanismo de transferencia de un plásmido de una célula a otra
Transferencia de Plásmidos
Plásmidos F (se integran al cromosoma) •transfieren genes cromosomales por conjugación
Transferencia Conjugativa de Genes Cromosomales plásmido
¿Qué características son más propensas a ser transmitidas horizontalmente?
genes operacionales • funciones menos complejas (síntesis, catabolismo)
• organizados en formato de operones
• expanden la capacidad del organismo recipiente
genes informacionales
• aquellos que confieren nuevas características
• traducción
• trascripción
• replicación DNA
• funciones complejas y centrales para el funcionamiento del organismo
genes NO propensos a transferencia lateral:
genes más propensos a transferencia lateral:
No todos los genes tienen la misma tendencia a ser transmitidos horizontalmente y persistir en el organismo recipiente
¿Como pueden identificarse genes que han sido transferidos horizontalmente?
• análisis comparativo de genomas
Bioinformática: análisis computacional de secuencias de DNA y proteínas
¿Como pueden identificarse genes que han sido transferidos horizontalmente?
• presencia de secuencias repetitivas flanqueando el gen sospechoso
• tendencias en el uso de codones
• G+C %
2. características atípicas en la secuencia de un gen en relación con el resto del genoma
1. distribución restringida de una característica dentro de un grupo relacionado de organismos
Observaciones que Sugieren Transferencia Lateral de Genes
¿Como pueden identificarse genes que han sido transferidos horizontalmente?
¿mutación de punto?
¿un miembro del grupo adquirió un rasgo nuevo transferido lateralmente?
¿todos perdieron el rasgo y solo uno lo conservo?
1. distribución restringida de una característica dentro de un grupo relacionado de organismos
¿Como pueden identificarse genes que han sido transferidos horizontalmente?
= 48% G+C
= 65% G+C
2. características atípicas en la secuencia de un gen en relación con el resto del genoma (diferencias en G+C % )
¿Como pueden identificarse genes que han sido transferidos horizontalmente?
Pro = CCT Arg = AGA
= 48% G+C
Pro = CCG Arg = CGT
2. características atípicas en la secuencia de un gen en relación con el resto del genoma (tendencias diferentes en el uso de codones ) = 65% G+C
¿Como pueden identificarse genes que han sido transferidos horizontalmente?
• balance en las cantidades relativas de nucleótidos en el citoplasma
• eficiencia de mecanismos de corrección (DNA polimerasa)
• afinidad de la DNA polimerasa por ciertos nucleótidos
Por ejemplo:
Diferencias en el funcionamiento del organismo donante y el recipiente.
¿De donde emergen las diferencias en G+C% y el uso de codones?
• ciertos nucleótidos serán favorecidos sobre otros reflejándose en tendencias a utilizar unos codones sobre otros
• la suma de estos factores dejan patrones distintivos en los genes de un organismo en particular
dATP=19% dCTP=29% dGTP=35% dTTP=17%
• balance de nucleotidos
• balance de nucleotidos
dATP=32% dCTP=20% dGTP=21% dTTP=27%
• DNA polimerasa mecanismo de corrección 98% efectivo • afinidad por G
Organismo recipiente
• DNA polimerasa mecanismo de corrección 99% efectivo
Organismo donante
¿De donde emergen las diferencias en G+C% y el uso de codones?
• lugares de inserción de plásmidos en el cromosoma
• secuencias de inserción de transposones
• lugares de recombinación de integrasas de fagos
secuencias cortas y repetitivas sirven de:
Presencia de secuencias cortas repetitivas en los extremos de un gen sugieren transferencia lateral
2. características atípicas en la secuencia de un gen en relación con el resto del genoma
¿Como pueden identificarse genes que han sido transferidos horizontalmente?
• secuencias de inserción
• transposones
• genomas de bacteriofagos insertados
65% de las diferencias genéticas entre los genomas completos de 70 bacterias relacionadas se debieron a la presencia de elementos genéticos transmitidos lateralmente
Integrones
• transposones
• plasmidos
• fagos
Elementos Genéticos Transmitidos Lateralmente
• los “cassettes” no pueden expresarse si no son asimilados por el integron
• la integrasa captura moléculas circulares de DNA (gene cassettes) por un mecanismo de recombinación
• contiene una integrasa parecida a la de un bacteriófago (familia de recombinasas de tirosina)
• sistema de captura y expresión de genes
¿Que es un integron?
P(int)
integrase
resistencia: drogas de amonio cuaternario
P(c)
59-be
resistencia: aminoglucósidos
59-be
59-be
resistencia: drogas beta-lactam
59-be
Funcionamiento de un Integrón (estructura y captura de genes):
Secuencias en el RNA correspondientes a los lugares de insercion “59-be” pueden potencialmente formar estructiras de horquillla que podrian detener la RNA polimerasa
P(int)
integrase
Funcionamiento de un Integrón (cambio del orden de los genes capturados):
P(int)
integrase
diferentes tipos de integrones pueden intercambiar genes capturados
Funcionamiento de un Integrón (remoción genes capturados):
transposón compuesto
plasmido conjugativo
2 trasposones simples (secuencias de inserción) flanquean el integron y lo movilizan.
integrón
El integron no es móvil pero puede transferirse de una molécula de DNA a otra si es capturado por un transposón
tn
Chromosome
tn=transposón que contiene un integron
Bacteriophage
Plasmid
tn
tn
tn
tn
tn
Plasmid
Transposon
tn
tn
“Free” DNA
tn
Chromosome
Transferencia lateral de un integrón capturado por un transposón
integrones de resitencia vs super integrones
• recientemente descritos en cepas ambientales incluyendo Gram +
• comunes en cepas clínicas de entéricos (Gram-)
• existen anclados al cromosoma o en asociación con plásmidos y transposones
•implicados en la adquisición y transferencia de genes que confieren resistencia contra antibióticos (hasta 8 cassettes en un integrón)
integrones de resistencia
TIPOS DE INTEGRONES:
5’
5’
5’
intl3
attl3
1
blaiIMP-1
attlC
?
3’
3’
3’
se clasifican de acuerdo al porcentaje de residuos idénticos en la secuencia de amino ácidos de la integrasa
Class 3
Class 2
a.a.=amino acido
61% a.a. ID
40% a.a. ID
Class1
1
Integrones de resistencia comúnmente encontrados en cepas clínicas
• se desconoce la función de la mayoría de los cassettes presentes en los super integrones descritos
•factores de virulencia
•enzimas de restricción
•genes metabólicos
• función de los genes no limitada a resistencia a antibióticos
• contienen sobre 100 cassettes (genes)
• anclados al cromosoma, no son móviles
Super Integrones
Diagrama de un super integron descrito en el género Pseudomonas