1 Genetica microbiana

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03/12/2015

UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO RIO DE JANEIRO INSTITUTO DE VETERINÁRIA DEPARTAMENTO DE MICROBIOLOGIA E IMUNOLOGIA VETERINÁRIA IV-217 MICROBIOLOGIA GERAL

Genética Microbiana Profa: Irene da Silva Coelho

2015-II

“Toda a informação necessária a vida esta armazenada no material genético de um indivíduo.”

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Dogma central da biologia DNA

Replicaçao

Transcriçao mRNA

RNA não codificante (rRNA, tRNA, siRNA, etc.)

Tradução

Proteína / Enzima

A informação genética pode ser utilizada de duas formas

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-Comparação de genomas e de genes e transcrição/tradução de organismos Procariotos (Bactérias) e Eucariotos (Fungos) - Regulação da expressão gênica (Bactéria) - Mecanismos de transferência genética em Bactérias

Procarioto

Eucarioto

Característica

Bactérias

Fungos

Tipo de célula

Procariótica

Eucariótica

Tamanho

Cerca de 0,1-5 µm

> que 5 µm

Organelas

Ausentes

Presentes

Membrana celular

Esteróides ausentes, exceção ao Mycoplasma

Esteróides presentes

Parede celular

Peptideoglicano

Glicanas, mananas, quitina (sem peptideoglicano)

Metabolismo

Heterotrófico, quimioautotrófico, fotoautotrófico, aeróbio, anaeróbio facultativo, anaeróbio

Limitado ao heterotrófico, aeróbio

DNA

Circular, no citoplasma

Linear, restrito ao núcleo

Síntese proteica

Transcriçao/ Traduçao ocorrem concomitantemente no citoplasma

Transcricao (Núcleo) e Traduçao (Citoplasma)

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Genoma de organismos procariotos •

Único cromossomo

•

DNA fita dupla circular

•

Não apresenta membrana nuclear

•

Genoma pequeno. Ex. E. coli – 4,6 x 106 pb = 4.639.221 pb

•

Menor número de genes – Ex. E. coli - 4.300 genes

•

Poucas ou nenhumas sequencias repetitivas

•

Genes organizados em operons

•

Genes sem íntrons

Plasmídeos

• DNA fita dupla circular • Replicaçao independente • Não

é

essencial

para

sobrevivência da célula sob condiçõe não restritivas

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Genoma de organismos eucariotos •

Vários cromossomos

•

DNA fita dupla linear

•

Apresenta membrana nuclear

•

Fungo unicelular – Saccharomyces cerevisae – 12 cromossomos 1,2 x 107 pb

•

Fungo filamentoso – Aspergillus nidulans – 8 cromossomos 3,0 x 107 pb

•

Planta – Zea mays (milho) – 30 cromossomos - 2,3 x 109 pb

•

Mamífero – Homo sapiens – 46 cromossomos - 3,2 x 109 pb

•

Muitas sequencias repetitivas não codificantes

•

Genes com íntrons

Tamanho de genoma em diferentes grupos taxonômicos

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Paradoxo do valor C • Corresponde a impossibilidade de correlacionar o tamanho do genoma com a complexidade do organismo

• Não há relação entre tamanho do DNA e número de genes presentes nesse organismo. VALOR C É A QUANTIDADE DE DNA NO GENOMA HAPLÓIDE

Estimativa do tamanho de genomas, número de genes de diferentes organismos Organismos

Tamanho do genoma (pb)

Número estimado de genes

Escherichia coli (Bactéria) Saccharomyces cerevisae (Fungo unicelular)

4, 6 x 106 1,2 x 107

4.300 6.000

Aspergillus nidulans (Fungo filamentoso) Plasmodium falciparum (Protozoário) Drosophila melanogaster (Mosca) Zea mays (Angiosperma – Milho)

3,0 x 107

10.082

2,3 x 107

5.268

1,3 x 108 2,3 x 109

13.600 32.000

Homo sapiens (Mamífero)

3,2 x 109

25.000

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Estrutura de um operon procariótico EXEMPLO: OPERON ABC

P

Terminador

Região codificadora

Região regulatória

A

O

B

C

DNA

Regiões intercistrônicas Transcrição A

B Tradução

Proteína A

mRNA policistrônico

C Tradução

Proteína B

Tradução

Proteína C

Estrutura de um gene eucariótico Promotor e outras elementos reguladores

EXEMPLO: GENE A

Éxons

DNA Íntrons Sítio início da transcrição

Transcrição

Sítio de término da transcrição

Éxons

Pré-mRNA Regiao 5’-UTR

Região 3’-UTR

Íntrons

Núcleo

Processamento Remoçao dos íntrons

Citoplasma

Uniao dos éxons

mRNA Cauda poli-A

Adição do CAP

Tradução

Proteína A

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Estrutura de genes e transcriçao Procariotos

Eucariotos

Núcleo

Citoplasma Citoplasma

Transcrição/Tradução A) EUCARIOTOS

B) PROCARIOTOS citoplasma

DNA

núcleo promotor

éxons

TRANSCRIÇÃO mRNA

íntrons

5’

3’

TRADUÇÃO DNA

proteína

gene

Transcrito primário 5’ do mRNA cap

TRANSCRIÇÃO

A

B

C

3’

adição de cap e cauda de poli(A) AAAA retirada dos íntrons ()splicing

mRNA maduro

AAAA

transporte para o citoplasma

TRADUÇÃO PROTEÍNA

Etapas principais da transcrição e tradução em Eucariotos e Procariotos

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Conceitos OPERON é uma organização estrutural típica de genomas procarióticos, na qual duas ou mais sequencias codificadoras de produtos gênicos estão sob o controle transcricional de um mesmo conjunto de sequencias reguladoras. Em um operon, as sequencias codificadoras são transcritas em um único RNA, chamado de mRNA policistrônico. PROMOTOR é uma sequência específica de DNA reconhecida pela RNA polimerase OPERADOR é uma sequencia específica de DNA reconhecida pelas proteínas repressoras

Conceitos REGIÃO CODIFICADORA é uma porção do gene que inclui sequencias que serão transcritas e traduzidas em proteínas TERMINADOR é uma sequencia de DNA que marca o final da transcrição do gene ou operon ÉXON é uma sequencia de um gene que é transcrito no pré-mRNA e mantida no RNA maduro (processado) ÍNTRON é uma sequencia de um gene que é transcrita no prémRNA, mas removida (por splicing), e está ausente no RNA maduro (processado)

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-Comparação de genomas e de genes de organismos Procariotos (Bactérias) e Eucariotos (Fungos) - Regulação da expressão gênica (Bactéria) - Mecanismos de transferência genética em Bactérias

Níveis de regulação da expressão gênica

Regulação pós-traducional

Regulação traducional Regulação transcricional

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Regulação do operon lac

Regulação do operon lac AUSÊNCIA DE LACTOSE NO MEIO

PRESENÇA DE LACTOSE NO MEIO

(Lactose)

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Regulação do operon trp OPERON TRIPTOFANO

SEM TRIPTOFANO NO MEIO

RNA polimerase DNA Transcrição

Transcrição

Proteína repressora inativa

mRNA Tradução

mRNA

Tradução

Dobramento

Proteína repressora inativa

SEM CO-REPRESSOR

Regulação do operon trp OPERON TRIPTOFANO

COM TRIPTOFANO NO MEIO

RNA polimerase DNA Transcrição

Repressor se liga ao operador

mRNA Repressor ativo Tradução

NÃO HAVERÁ TRANSCRIÇÃO

Proteína repressora inativa

O repressor com o triptofano se liga a região operadora impedindo a transcrição pela RNA polimerase

COM CO-REPRESSOR

Triptofano

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-Comparação de genomas e de genes de organismos Procariotos (Bactérias) e Eucariotos (Fungos) - Regulação da expressão gênica (Bactéria) - Mecanismos de transferência genética em Bactérias

Como os organismos evoluem? • Alterações genotípicas são importantes para gerar variabilidade e contribuir, assim, para o processo de evolução dos microrganismos. • EVOLUÇÃO REQUER VARIABILIDADE

• Face a uma mudança brusca no meio ambiente, as bactérias e outros microrganismos possuem um conjunto de mecanismos geradores de alterações genéticas que conduzem a variantes, fornecendo-lhes assim a possibilidade de contornar situações que ponham em risco a sua sobrevivência.

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Mecanismo de alteração genética

VARIAÇÕES GENOTÍPICAS

Mutações

Recombinação genética

Recombinação genética

Recombinação - processo pelo qual ocorre a produção de um novo genótipo como resultado da troca física de material genético entre elementos genéticos • Formação de um novo genótipo • Trocas de material genético entre dois cromossomos homólogos - Eucariotos: CICLO SEXUAL (MEIOSE) - Procariotos: TRANSFERÊNCIA/RECOMBINAÇÃO

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Recombinação genética MECANISMOS DE TRANSFERÊNCIA DE INFORMAÇÃO GENÉTICA EM BACTÉRIAS • TRANSFORMAÇÃO • CONJUGAÇÃO • TRANSDUÇÃO

PODEM OU NÃO ENVOLVER EVENTOS DE RECOMBINAÇÃO

Transformação Processo pelo qual DNA livre é incorporado em uma célula receptora

REQUERIMENTOS PARA TRANSFORMAÇÃO • Bactérias tem de ser TRANSFORMÁVEL • Células em estado de COMPETÊNCIA • Presença de DNA livre no meio

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Transformação ETAPAS DA TRANSFORMAÇÃO 1. Adsorção do DNA fita dupla à célula receptora

2. Clivagem de uma das fitas do DNA

3. Entrada do DNA fita simples

4. Integração e replicação

Transformação

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Conjugação Processo de transferência de DNA que requer o contato entre as duas células

REQUERIMENTOS PARA CONJUGAÇAO • Requer contato entre as células • Envolve um célula doadora que possui o plasmídeo conjugativo (fator de fertilidade) e uma célula receptora • Em E. coli, a célula doadora é denominada F+ célula receptora F-

Conjugação ETAPAS DA CONJUGAÇAO Bactéria

F+

Plasmídeo

Pilus

F-

1. Célula doadora produz o pêlo sexual (pilus sexual)

Cromossomo

1. Pilus liga-se à célula receptora e aproxima as duas células

Receptor

1. O plasmídeo conjugativo é cortado e uma das fitas é transferida para a célula receptora

Doador

Proteínas de relaxamento e transferência do plasmídeo

Doador

F+

Novo doador

F+

1. As duas células recircularizam os plasmídeos, sintetizam a fita complementar e tornam-se doadoras

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Conjugação

Transdução Transferência de DNA de uma célula para outra por meio da ação de um vírus TRANSDUÇÃO PODE OCORRER DE DUAS FORMAS • Transdução generalizada • Transdução especializada

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Transdução Célula de Escherichia coli Bacteriófago Cromossomo de E. coli Forma circular do cromossomo do fago

Ciclo lítico

Ciclo lisogênico Recombinação sítio-específica

Replicação

Profago Montagem

Lise

Virulentos

Temperados

Transdução TRANSDUÇÃO GENERALIZADA Mediada por bacteriófagos virulentos Ciclo lítico

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Transdução TRANSDUÇÃO ESPECIALIZADA Mediada por bacteriófagos temperados Ciclo lisogênico - lítico

Importância dos mecanismos de transferência de DNA em bactérias

• Aumenta a diversidade genética dentro de uma população, aumentando portanto a probabilidade de que alguns membros sobrevivam às mudanças ambientais. - Ex. Transferência de genes entre bactérias originando cepas resistentes a diferentes antimicrobianos (bactérias super resistentes).

• Tecnologia do DNA Recombinante - Estudo da funçao de genes específicos - Produção de compostos de interesse médico e de interesse industrial (Tecnologia do DNA Recombinante)

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Qual a diferença entre DNA, cromossomo e genoma?

O ácido desoxirribonucleico ou DNA é uma molécula em forma de dupla hélice, em que cada fita é formada por uma seqüência de desoxirribonucleotídeos (base nitrogenada - adenina, timina, guanina ou citosina) ligada a uma molécula de açúcar (desoxirribose) e um grupo fosfato).

Qual a diferença entre DNA, cromossomo e genoma? CROMOSSOMO é constituído por uma longa fita dupla de DNA ligado a proteínas que conferem um nível de enovelamento e organização da molécula. Genoma é uma sequência de DNA completa de um conjunto de cromossomos GENE é um segmento de uma molécula de DNA que contém a informação necessária para codificar uma proteína.

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