TEMA 12. GENÓMICA MICROBIANA PDF

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Apuntes completos de Microbiología. Profesores: V. Jiménez Cid, M. Molina Martín y C. Gil García....

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BLO BLOQU QU QUE EV V.. GE GENÓ NÓ NÓMI MI MICA CA Y GE GENÉ NÉ NÉTIC TIC TICA A MIC MICROB ROB ROBIAN IAN IANAS AS TE TEMA MA 12 12.. G GENÓ ENÓ ENÓMI MI MICA CA M MICR ICR ICROBI OBI OBIANA ANA El genoma de una bacteria está empaquetado en un espacio muy pequeño. Normalmente es un único cromosoma el que tiene toda la información genética de la bacteria. Esto se logra gracias a que el material genético está superenrollado por unas enzimas llamadas topoisomerasas. La más importante es la DNA-girasa. Las topoisomerasas, para vencer las formas de torsión, cortan y pegan las cadenas de manera que hacen pasar la cadena por el corte que generan y vuelven a ligarlas. Este mecanismo es exclusivo de las bacterias. En el caso de las células eucarióticas, los cromosomas son lineales y el DNA está compactado en cromatina. La cromatina es el DNA empaquetado en nucleosomas constituidos por proteínas llamadas histonas que enrollan el DNA.

PLÁS PLÁSMID MID MIDOS OS BAC BACTER TER TERIANO IANO IANOSS En bacterias, además del cromosoma, existen los plásmidos. Los plásmidos son moléculas de DNA extracromosómicas, generalmente circulares y covalentemente cerradas (2-200 Kb), autorreplicativas (ori) ya que suelen codificar su propia maquinaria replicativa, heredables y no codifican funciones esenciales o indispensables. Las bacterias pueden curarse de estos plásmidos, lo que significa que los pierden. Existen distintos tipos de plásmidos: - Episomas: pueden integrarse en el cromosoma bacteriano. Según el número de copias de plásmido por célula: - Plásmidos de bajo nº de copias (1-3). - Plásmidos de alto nº de copias (30-40). Las células o bacterias con este tipo de plásmidos se dividen con más frecuencia ya que toda la progenie puede heredar un gran número de plásmidos sin problema. La manera más ortodoxa, desde el punto de vista genético, de clasificar los plásmidos es mediante grupos de incompatibilidad. Cuanto más parecidos sean los plásmidos, más incompatibles serán y más fácil será que estén en un mismo grupo de incompatibilidad. Si dos plásmidos se parecen mucho entre sí, sus mecanismos de replicación son muy similares y compiten por la misma maquinaria replicativa. Al cabo de generaciones sucesivas, ganará el más fuerte y el otro plásmido se irá perdiendo. Sin embargo, si tenemos en la misma célula dos plásmidos que no tienen nada que ver, no compiten entre sí y serán de distintos grupos de incompatibilidad.

También se pueden clasificar los plásmidos según su función: - Plásmidos naturales: • Plásmidos R o de resistencia: resistentes a antibióticos (transposones). Estos plásmidos contienen genes de resistencia a antibióticos. • Plásmidos Col: producción de bacteriocinas. Las bacteriocinas son como antibióticos pero en realidad son péptidos con actividad antibiótica. • Plásmidos de virulencia: adhesinas, toxinas... • Plásmidos metabólicos: degradación de azúcares, compuestos aromáticos, pesticidas, fijación de N, antibióticos. • Plásmidos conjugativos: Factor F de fertilidad (pili, conjugación). - Plásmidos artificiales: generados en el laboratorio para clonación molecular.

CAR CARACTE ACTE ACTERÍST RÍST RÍSTICAS ICAS DEL MA MATER TER TERIAL IAL GEN GENÉTIC ÉTIC ÉTICO O El material genético es estable, se transmite a la progenie y expresa la información de los genes mediante la replicación, transcripción y traducción de esos genes. No todos los genes se expresan, solo lo hacen los necesarios en un momento determinado.

Rep Replicac licac licación ión del DN DNA A La replicación del DNA es universal, no hay prácticamente diferencias entre eucariotas y procariotas. La replicación tiene que ser absolutamente fidedigna. La horquilla de replicación es idéntica tanto en un cromosoma circular como en un cromosoma lineal. Salvando pequeñas diferencias estructurales en la polimerasa, la replicación es idéntica en eucariotas y procariotas. La replicación por el mecanismo del círculo rodante, aparte de en fagos, aparece en alguno de los plásmidos procariotas, donde no se crea una horquilla de replicación, sino que hay un corte de una de las hebras del DNA y a partir de este la cadena que no se ha roto va girando y la polimerasa va copiando. La parte continua de la replicación va en el mismo sentido al giro y la discontinua en sentido contrario. Este mecanismo es una alternativa a la horquilla de replicación y solo ocurre en procariotas. Tran Transcrip scrip scripción ción d del el DNA

Consiste en la síntesis de mensajeros de RNA a partir de la cadena de DNA. Las transcriptasas también son universales pero existen más diferencias. Las transcriptasas reconocen el promotor o región upstream. En procariotas la RNA polimerasa es un complejo de varias proteínas, de las cuales, el factor σ es el que va a reconocer el promotor que es la caja TATA o caja Pribnow (-10). Las diferencias se encuentran en la presencia o no de núcleo. Por un lado, los genes en procariotas, por economía celular, normalmente están distribuidos en operones. Un operón es un conjunto de genes sometidos a regulación por el mismo promotor. El mensajero que sale de aquí, cuando se transcriba, también tendrá varios genes. Se llaman mensajeros policistrónicos. Estos mensajeros no portan información para una proteína sino para todas las que hay en ese operón. Al no haber núcleo en los procariotas, según se está produciendo el mensajero puede estar unido a un ribosoma produciendo las proteínas, es decir, la transcripción y la traducción pueden estar acopladas. Por otro lado, los genes procarióticos no tienen intrones, son genes continuos, al contrario que en eucariotas. Los eucariotas deben llevar a cabo un proceso de splicing que consiste en eliminar los intrones. Después, los eucariotas, además, deben procesar el RNAm mientras que los RNAm procarióticos presentan secuencias de Shine-Dalgarno que serán reconocidas por los ribosomas para comenzar con la producción de proteínas. En los promotores de los procariotas existen regiones regulatorias llamadas represores o inductores, denominadas en general factores de transcripción. En el caso del operón-lac, para que el represor funcione, debe estar en ausencia del inductor que es la lactosa. Cuando aparece la lactosa, interacciona con el represor y la RNApolimerasa funcionará. Lo mismo ocurre en el caso del operón trp. También existe una diferencia clara entre eucariotas y procariotas en cuanto a las rutas de señalización. Estas rutas consisten en cambios medioambientales que son detectados por un receptor transmembrana, que sufre un cambio de conformación y la señal se transduce por activación de quinasas y cascadas de fosforilación. Finalmente, la señal llegará a los factores de transcripción que pueden tener carácter activador o inhibidor. Los procariotas carecen de rutas complejas de transducción de señales típicas de eucariotas: proteína G, tirosin-quinasas, cascadas de fosforilación de quinasas MAP, etc. El módulo más común de señalización celular en procariotas se llama sistema de dos componentes porque tiene solamente dos proteínas, un receptor que transmite un fosfato a otra proteína que es directamente una proteína de unión a DNA, es decir, un represor o un activador.

GEN GENOM OM OMAS AS M MICROBI ICROBI ICROBIAN AN ANOS OS

Un genoma es el conjunto de material genético que contiene una célula o un virus. Habitualmente esto se corresponde con su dotación cromosómica. En procariotas serán tanto el cromosoma circular covalentemente cerrado como los elementos extracromosómicos que contengan material genético, como son los plásmidos. Los eucariotas poseen varios cromosomas lineales, algunos poseen plásmidos, elementos genéticos transponibles y DNA mitocondrial. Además, hay que distinguir el genoma vírico. Los genes están compuestos por ácidos nucleicos codificados. En la actualidad conocemos la secuencia de bases del genoma de prácticamente todos los organismos de interés. En los años 90 se pusieron en marcha los primeros secuenciadores automáticos. En el 2000 se crearon las redes de secuenciadores en serie y en la actualidad se utiliza la pirosecuenciación masiva, permite secuenciar cientos de millones de pb/carrera. El primer genoma que se secuenció por completo es el de Haemophilus influenzae. El primer genoma eucariótico secuenciado fue el de Saccharomyces cerevisiae. En 2006 se secuenció el genoma más pequeño conocido, que pertenece a Nasuia deltocephalinicola y que contiene 112 genes, siendo esta una proteobacteria endosimbionte de insectos. La mycobacteria Soragium cellulosum tiene uno de los genomas más grandes, con 14,8 Mb.

El p parad arad aradigm igm igmaa d del el sis sistema tema celul celular ar míni mínimo mo Hay una relación entre el ambiente en el que se encuentra un organismo y su genoma. Por ejemplo, una bacteria de vida libre va a tener un genoma bastante completo que le permita sobrevivir. Sin embargo, cuando una bacteria se convierte en un parásito intracelular, a lo largo de de la evolución hacia el parásito intracelular facultativo, va perdiendo genes. Por tanto, va a existir una evolución del genoma según la adaptación al parasitismo y a la simbiosis. En el caso de los parásitos intracelulares obligados, pierden muchos más genes puesto que pueden coger lo que necesitan de la célula hospedadora. A continuación hablaríamos de endosimbiontes, que tendrán aún menos genes, y por último, de orgánulos como pueden ser las mitocondrias cuyo genoma es mínimo.

Gen Genóm óm ómica ica Es la ciencia que se ocupa del estudio de los genomas. Si implica la secuenciación y análisis de genomas de manera sistemática, hablamos de genómica estructural. La genómica funcional es la “anotación funcional” de los genomas. Mientras que la tercera ra ma de la genómica, la genómica comparativa, implica el uso de herramientas bioinformáticas. Consiste en la búsqueda de “ortólogos” (genes con homología funcional y estructural a otros conocidos de otros genomas). La sintenia se encarga del orden de los genes de un determinado genoma. Por tanto, la genómica acompañada de la bioinformática (modelos predictivos) nos lleva hasta la biología de sistemas.

Otro concepto interesante de la genómica es el pangenoma. El pangenoma es el elenco de genes de una especie microbiana tras la secuenciación de varias estirpes de dicha especie. Incluye el “genoma base” que contiene los genes presentes en todas las estirpes, un “genoma dispensable” de genes que sólo existen en una o dos estirpes y “genes únicos”, presentes en una única estirpe de la especie. La metagenómica consiste en la secuencia masiva del DNA de una comunidad/ecosistema. No se ensamblan genomas completos. Se secuencian microorganismos no cultivables. Se realiza un ensamblaje de conjuntos de secuencias de las diversas especies de la comunidad.

Con Concep cep ceptos tos “-óm ómicos icos icos”” El conjunto de todos los mRNA que hay en un momento dado en un sistema celular, es decir, los genes que se están expresando, constituyen el transcriptoma. Los que se están expresando son los que producen proteínas, lo que nos proporciona el proteoma. Estas proteínas producen una actividad metabólica, por lo que si estudiamos los metabolitos que hay en una célula en un determinado momento, obtenemos el metaboloma. El transcriptoma, el proteoma y el metaboloma son variables, es decir, dependen de las variaciones del medio. También podemos hablar de metatranscriptoma, metaproteoma y metametaboloma de la misma manera que de metagenoma, referidos a una comunidad microbiana....