Transferencia Lateral (Horizontal) de Genes y su Impacto en la Diversidad Bacteriana

Carlos M. Rodríguez Minguela, Ph.D. Departamento de Biología [email protected] Ext. 3912 Transferencia Lateral (Horizontal) de Genes y su Impacto
Author:  Juan Botella Rojo

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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

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