DOENÇAS INFECCIOSAS

BACTERIOLOGIA – CAPÍTULO OITO  

TROCA DE INFORMAÇÃO GENÉTICA  

Dr Gene Mayer
Emeritus Professor
University of South Carolina School of Medicine

 

Tradução: Dr. Myres Hopkins

INGLÊS

ESPANOL

ALBANES

ESCOLA DE MEDICINA DA UNIVERSIDADE DA CAROLINA DO SUL

Logo image © Jeffrey Nelson, Rush University, Chicago, Illinois  and The MicrobeLibrary

APRENDA PLUGADO

OBJETIVOS
Explicar os mecanismos de transferência gênica em bactéria
Descrever a natureza dos elementos genéticos transponíveis e plasmídeos

Discutir a importância da transferência gênica, elementos genéticos transponíveis e plasmídeos

Em populações bacterianas mutações estão constantemente ocorrendo devido a erros durante a replicação. Se houver alguma vantagem seletiva de alguma mutação (ex. resistência a antibiótico), o mutante irá rapidamente se tornar o principal componente da população devido à elevada taxa de crescimento da bactéria. Além disso, visto que bactérias são organismos haplóides, mesmo mutações que poderiam ser recessivas, serão expressadas. Assim, mutações em populações bacterianas podem se constituir em um problema no tratamento de infecções bacterianas. Não apenas mutações são um problema, como também bactéria tem mecanismos pelos quais genes podem ser transferidos para outras células.

A transferência de genes em bactéria é unidirecional, de uma célula doadora para uma célula recipiente e a doadora normalmente dá somente uma pequena parte do seu DNA para a recipiente. Assim, não são formados zigotos completos; ao invés disso, zigotos parciais (merozigotos) são formados.

Genes bacterianos são normalmente transferidos a membros da mesma espécie, mas ocasionalmente a transferência para outras espécies pode também ocorrer. Figura 1 ilustra as transferências de genes que têm sido demonstradas como ocorrendo entre espécies diferentes de bactérias.

PALAVRAS-CHAVE
Merozigoto
Transformação
Competência
Recombinação homóloga
Transdução
Transdução generalizada
Transdução especializada
Conversão lisogênica
Conjugação
F/pilus sexual
Réplicon
F⁺
F^-
Hfr
F'
Elemento genético transponível

Transformação 

Transformação é a transferência gênica resultante da captação por uma célula recipiente de DNA íntegro de uma célula doadora. Certas bactérias (ex. Bacillus, Haemophilus, Neisseria, Pneumococcus) podem captar DNA do ambiente e o DNA é capturado e pode ser incorporado no cromossoma da célula recipiente.

Fatores que afetam a transformação

a. Estado e tamanho do DNA
DNA de fita dupla com pelo menos 5 X 10⁵ daltons de tamanho funciona melhor. Portanto, a transformação é sensível a nucleases no ambiente.

b. Competência do recipiente
Algumas bactérias são capazes de captar DNA naturalmente. Entretanto, essas bactérias somente captam o DNA durante um momento específico do seu ciclo de crescimento, quando elas produzem uma proteína especial chamada de fator de competência. Nesse estágio a bactéria é conhecida como competente. Outras bactérias não são capazes de captar DNA naturalmente. Entretanto, a competência pode ser induzida in vitro nessas bactérias pelo tratamento com agentes químicos (ex. CaCl₂).

Etapas da transformação

a. Captação do DNA
A captação do DNA por bactérias Gram+ e Gram- difere. Em bactéria Gram + o DNA é captado como uma molécula de fita simples e a fita complementar é feita no recipiente. Ao contrário, bactérias Gram- captam DNA de fita dupla.

b. Recombinação legítima/Homóloga/Geral
Após o DNA doador ser captado ocorre um evento de recombinação recíproca entre o cromossomo e o DNA doador. Esta recombinação requer homologia entre o DNA doador e o cromossomo e resulta na substituição do DNA entre o recipiente e o doador, como ilustrado na Figura 2.

  Figura 1 Transferências gênicas que têm ocorrência demonstrada entre diferentes espécies de bactéria

  Figura 2 
Recombinação geral. DNA doador é mostrado em vermelho e o recipiente em azul

  Figura 3
O mecanismo da transdução generalizada

A recombinação requer os genes de recombinação bacteriana (recA, B e C) e homologia entre os DNAs envolvidos. Este tipo de recombinação é chamado de recombinação legítima, homóloga ou geral. Devido à necessidade de homologia entre o DNA doador e hospedeiro, somente DNA de bactérias estreitamente relacionadas poderiam realizar transformação bem sucedida, embora em casos raros tem se demonstrado a ocorrência de transferência entre bactérias não estreitamente relacionadas.

Importância

A transformação ocorre na natureza e isso pode levar ao aumento da virulência. Além disso, transformação é largamente usada na tecnologia do DNA recombinante.

Transdução

Transdução é a transferência de informação genética de um doador a um recipiente pela via de um bacteriófago. A capa do fago protege o DNA no ambiente de modo que a transdução, diferentemente da transformação, não é afetada por nucleases no ambiente. Nem todos os fagos podem mediar transdução. Na maioria dos casos a transferência de genes é entre membros de uma mesma espécie bacteriana. Entretanto, se um fago específico tiver um maior espectro de hospedeiros então pode ocorrer transferência entre espécies. A habilidade de um fago de mediar a transdução está relacionada com o ciclo de vida do fago.

Tipos de Transdução

a. Transdução Generalizada – Transdução generalizada é a transdução na qual potencialmente qualquer gene bacteriano do doador pode ser transferido para o recipiente. O mecanismo da transdução generalizada está ilustrado na Figura 3.

Fagos que mediam a transdução generalizada geralmente degradam o DNA hospedeiro em pequenos pedaços e os empacotam na partícula do fago através de um mecanismo “head full” ou preenchimento da cabeça do fago. Ocasionalmente um dos pedaços do DNA do hospedeiro é aleatóriamente empacotado no fago. Assim, qualquer gene doador pode ser potencialmente transferido mas somente em quantidade suficiente para caber na cabeça de um fago. Se uma célula recipiente é infectada por um fago que contém DNA doador, o DNA doador entra na célula recipiente. Na recipiente pode ocorrer um evento de recombinação que substitui o DNA doador e recipiente (Ver Figura 2).

b. Transdução especializada – Transdução especializada é a transdução na qual somente genes doadores podem ser transferidos à recipiente. Fagos diferentes podem transferir genes diferentes mas um fago individual só pode transferir certos genes. A transdução especializada é mediada por fagos lisogênicos ou temperados e os genes que são transferidos irão depender de onde o profago está inserido no cromossomo. O mecanismo de transdução especializada está ilustrado na Figura 4.

Durante a excisão do profago, ocasionalmente ocorre um erro onde algum DNA do hospedeiro é excisado com o DNA do fago. Somente DNA hospedeiro de cada lado do lugar onde o profago se inseriu pode ser transferido (ou seja, transdução especializada). Após a replicação e liberação do fago e infecção de um recipiente, a lisogenização do recipiente pode ocorrer resultando na transferência estável dos genes do doador. A recipiente irá agora ter duas cópias dos genes que foram transferidos. A recombinação legítima entre os genes doadores e recipiente é também possível.

Importância

Conversão lisogênica (fago) ocorre na natureza e é a fonte de linhagens virulentas de bactérias.

 

VÍDEO

Conjugação 

Alta resolução 
Baixa resolução 
© Mondo Media, San Francisco, Calif., USA  and and  The MicrobeLibrary

Este vídeo clip demonstra o processo de conjugação. Primeiro, duas bactérias se combinam via pilus sexual. Em seguida, uma fita do plasmídio é transferida à outra célula. Note que o plasmídio original continua existindo na primeira célula. Finalmente, cada célula duplica imediatamente a fita simples de modo que ambas as bactérias têm uma cópia do plasmídio de fita dupla.

Conjugação

Transferência de DNA de um doador para um recipiente por contato físico direto entre as células. Em bactéria existem dois tipos de conjugantes: um doador (macho) e um recipiente (fêmea) e a direção da transferência do material genético é única (unidirecional); O DNA é transferido de um doador para um recipiente.

Tipos conjugantes em bactéria

a. Doador
A habilidade de uma bactéria de ser um doador é uma consequência da presença na célula de um pedaço extra de DNA chamado de fator F ou fator de fertilidade ou fator sexual. O fator F é um pedaço de DNA circular que pode replicar autônomamente na célula; é um réplicon independente. Pedaços de DNA extracromossômicos que podem se replicar autonomamente recebem o nome comum de plasmídeos. Os fatores F contêm genes que são necessários à sua replicação e à sua habilidade de produzir um pilus sexual (pilus F) na superfície da bactéria. O pilus é importante no processo de conjugação. O fator F não é o único plasmídeo que pode mediar conjugação mas ele é geralmente usado como o modêlo.

b. Recipiente
A habilidade de agir como um recipiente é uma consequência da falta do fator F.

  b   
Figura  5   Estados fisiológicos do Fator F

Estados fisiológicos do fator F

a. Autônomo (F⁺)
Neste estado o fator F carrega somente aqueles genes necessários à sua replicação e transferência do DNA. Não há genes cromossômicos associados com o fator F em linhagens F⁺.

Em cruzamentos do tipo F⁺ X F^- os F^- se tornam F⁺ , enquanto F⁺ continua sendo F⁺. Assim, o fator F é infeccioso. Além disso, ocorre apenas um baixo nível de transferência de genes cromossômicos.

b. Integrado (Hfr)
Neste estado o fator F se integrou no cromossomo bacteriano via um evento de recombinação como ilustrado na Figura 5a. 

Em cruzamentos do tipo Hfr X F^- a F^- raramente se torna Hfr e Hfr permanece como Hfr. Além disso, há uma alta frequência de transferência de genes cromossômicos da doadora.

c. Autônomo com genes cromossômicos (F')
Neste estado o fator F é autônomo mas agora carrega alguns genes cromossômicos. Fatores F’ são produzidos por excisão do fator F de uma Hfr, como ilustrado na Figura 5b. Ocacionalmente, quando o fator F está se excisando do cromossomo da Hfr, genes doadores de cada lado do fator F podem ser excisados com o fator gerando um F’. Fatores F’ são denominados dependendo dos genes cromossômicos que eles carregam.

Em cruzamentos do tipo F' X F^- o F^- se torna F', enquanto que F' continua sendo F'. Além disso, há uma alta frequência de transferência daqueles genes cromossômicos em F' e baixa frequência de transferência de outros genes cromossômicos doadores.

Mecanismo da conjugação

a. Cruzamentos F⁺ X F^- (Figura 6)

i) Formação de pares
A ponta do pilus sexual entra em contato com o recipiente e a ponte de conjugação é formada entre as duas células. É através da ponte que o DNA irá passar do doador para o recipiente. Assim, o DNA está protegido das nucleases ambientais. Os pares conjugantes podem ser separados por forças mecânicas e a conjugação pode ser interrompida. Consequentemente, os pares conjugantes permanecem associados por apenas um curto período de tempo.

ii) Transferência de DNA
O DNA plasmidial é cortado em um local específico chamado de origem da transferência e é replicado por um mecanismo de círculo rolante. Uma única fita passa através da ponte de conjugação e entra no recipiente onde a secunda fita é replicada.

iii) Este processo explica as características dos cruzamentos F⁺ X F^- . O recipiente se torna F⁺, o doador continua sendo F⁺ e há baixa frequência de transferência dos genes cromossômicos do doador. De fato, como mostrado na Figura 7 não há transferência de genes cromossômicos doadores. Na prática entretanto, há um baixo nível de transferência de genes cromossômicos doadores em tais cruzamentos.

ANIMAÇÃO
Cruzamento de Linhagens Bacterianas F+ com F-  

© Thomas M. Terry, University of Connecticut, Storrs, Conn., USA e  The MicrobeLibrary

O plasmídio F é um plasmídio autotransmissível encontrado em algumas linhagens de E. coli. Células que possuem uma ou mais cópias do plasmídio F são chamadas de F-. A animação ilustra alguns estários da transferência do pasmídio F de células F+ para células F-.

b. Cruzamentos Hfr X F^- (Figura 7)

i) Formação dos Pares

ii) Transferência do DNA
O DNA é cortado na origem da transferência e é replicado por um mecanismo de círculo rolante. Mas o DNA que é transferido primeiro é o cromossômico. Dependendo do lugar no cromossomo onde o fator F se integrou e em qual orientação, genes cromossômicos diferentes serão transferidos em momentos diferentes. Entretanto, a ordem relativa e distâncias dos genes irá sempre permanecer a mesma. Somente quando o cromossomo inteiro é transferido o fator F irá ser transferido. Uma vez que forças mecânicas separam os pares conjugantes é raro que o cromossomo inteiro seja transferido. Assim, o recipiente não recebe o fator F em um cruzamento Hfr X F^- .

iii) Recombinação legítima
A recombinação entre o DNA transferido e o cromossomo resulta na troca de material genético entre o doador e o recipiente.

iv) Este mecanismo explica as características dos cruzamentos Hfr X F^- . Os recipientes continuam sendo F-, o doador continua sendo Hfr e há uma frequência elevada de transferência de genes cromossômicos do doador.

ANIMAÇÃO

Cruzamento de Linhagens Bacterianas Hfr com F- 

c. Cruzamentos F' X F^- (Figura 8)

i) Formação de pares

ii) Transferência do DNA
Este processo é semelhante aos cruzamentos F⁺ X F^- . Entretanto, uma vez que F' tem alguns genes cromossômicos nele esses irão também ser transferidos.

iii) Recombinação homóloga não é necessária, embora possa ocorrer.

iv) Este mecanismo explica as características dos cruzamentos F' X F^- . O F- se torna F', o F' continua sendo F' e há alta frequência de transferência de genes doadores em F’, mas baixa frequência de transferência de outros genes cromossômicos doadores.

Importância
Entre as bactérias Gram negativas esta é a principal forma de transferência de genes bacterianos. A transferência pode ocorrer entre espécies diferentes de bactéria. A transferência de resistência múltipla a antibióticos por conjugação tornou-se um problema importante no tratamento de certas doenças bacterianas. Visto que uma célula recipiente se torna uma doadora após transferir um plasmídeo é fácil ver por que um gene de resistência a antibiótico em um plasmídeo pode rapidamente converter uma população sensível de células em uma população resistente.

Bactéria Gram positiva também tem plasmídeos que levam genes de resistência múltipla a antibióticos, em alguns casos esses plasmídeos são transferidos por conjugação, enquanto que em outros casos eles são transferidos por transdução. O mecanismo de conjugação em bactéria Gram + é diferente do da Gram -. Em bactéria Gram + o doador produz um material adesivo que provoca agregação com a recipiente e o DNA é transferido.

 

 

Elementos Genéticos Transponíveis 

Elementos genéticos transponíveis são segmentos de DNA que têm a capacidade de mover de um local para outro (i.e. genes que saltam).

Propriedades dos Elementos Genéticos Transponíveis

Movimento aleatório
Elementos genéticos transponíveis podem mover de uma molécula de DNA para qualquer outra molécula de DNA ou mesmo para outro local na mesma molécula. O movimento não é totalmente aleatório; há sítios preferenciais na molécula do DNA nos quais um elemento genético transponível irá se inserir.

Não são capazes de auto-replicação
Os elementos genéticos transponíveis não existem autonomamente (exceção – alguns fagos transponíveis) e assim, para serem replicados eles precisam ser parte de um outro réplicon.

Transposição mediada por recombinação sítio-específica
A transposição requer pouca ou nenhuma homologia entre a localização atual e o novo sítio. O evento de transposição é mediado por uma transposase codificada pelo elemento genético transponível. A recombinação que não requer homologia entre as moléculas recombinantes é chamada de recombinação sítio-específica ou ilegítima ou  recombinação não homóloga.

Transposição pode ser acompanhada de duplicação
Em muitos casos a transposição do elemento genético transponível resulta na remoção do elemento do sítio original e inserção em um novo sítio. Entretanto, em alguns casos o evento de transposição é acompanhado pela duplicação do elemento genético transponível. Uma cópia permanece no sítio original e a outra é transportada para o sítio novo.

Tipos de Elementos Genéticos Transponíveis

Sequências de Inserção (IS)
Sequências de inserção são elementos genéticos transponíveis que não carregam nenhum gene conhecido, exceto aqueles que são necessários para a transposição.

a. Nomenclatura
Sequências de inserção recebem a designação IS seguida de um número. ex. IS1

b. Estrutura (Figura 9)
Sequências de inserção são pequenos trechos de DNA que têm nos seus terminais sequências repetidas, que estão envolvidas na transposição. Entre as sequências terminais repetidas há genes envolvidos na transposição e sequências que podem controlar a expressão dos genes, mas nenhum outro gene não essencial está presente.

c. Importância

i) Mutação
A introdução de uma sequência de inserção em um gene bacteriano irá resultar na inativação do gene.

ii) Inserção de plasmídeos em cromossomos
Os sítios nos quais plasmídeos se inserem no cromossomo bacteriano estão dentro ou perto de sequência de inserção no cromossoma.

iii) Variação de fase
Os antígenos flagelares são um dos principais antígenos para os quais a resposta imune é dirigida em nossa tentativa de combater uma infecção bacteriana. Em Salmonella há dois genes que codificam para dois antígenos flagelares diferentes. A expressão desses genes é regulada por uma sequência de inserção. Em uma orientação um dos genes está ativo, enquanto que na outra orientação o outro gene do flagelo é o ativo. Assim, Salmonella pode mudar seus flagelos em resposta ao ataque do sistema imune. Variação de fase não é própria de antígenos flagelares de Salmonella. É também vista em outros antígenos de superfície bacterianos. E também o mecanismo de variação de fase pode diferir em espécies diferentes (ex. Neisseria; tranaformação).

Transposons (Tn)
Transposons são elementos genéticos transponíveis que carregam um ou mais genes além daqueles que são essenciais para a transposição.

a. Nomenclatura
Transposons recebem a desigação Tn seguida de um número.

b. Estrutura
A estrutura de um transposon é semelhante à de uma sequência de inserção. Os genes extras estão localizados entre as sequências terminais repetidas. Em alguns casos (transposons compostos) as sequências terminais repetidas são na verdade sequências de inserção. (Veja Figura 10).

c. Importância
Muitos genes de resistência a antibióticos estão localizados em transposons. Uma vez que transposons podem pular de uma molécula de DNA para a outra, esses transposons de resistência a antibióticos são um fator crucial no desenvolvimento de plasmídeos que podem conferir resistência múltipla a drogas em uma bactéria que abriga o tal plasmídeo. Esses plasmídeos de resistência múltipla a drogas passaram a ser um importante problema médico porque o uso indiscriminado de antibióticos promoveu uma vantagem seletiva às bactérias que contêm esses plasmídeos.

 

Definição

Plasmídios são elementos genéticos extracromossômicos capazes de replicação autonoma. Um epissoma é um plasmídeo que pode se integrar no cromossomo bacteriano.

Classificação dos Plasmídeos

Propriedades de transferência

a. Plasmídeos conjugativos
Plasmídeos conjugativos são aqueles que mediam a conjugação. Esses plasmídeos são em geral grandes e têm todos os genes necessários à sua replicação autonoma e para a transferência do DNA para o recipiente (ex. genes para o pilus sexual).

b. Plasmídeos não-conjugativos
Plasmídios não-conjugativos são aqueles que não mediam a conjugação. Eles são normalmente menores que os plasmídeos conjugativos e não têm um ou mais dos genes necessários para a transferência de DNA. Um plasmídeo não-conjugativo pode ser transferido por conjugação se a célula já abriga um plasmídeo conjugativo.

Efeitos fenotípicos

a. Fator de fertilidade (Fator F)

b. Plasmídeos bacteriocinogênicos
Esses plasmídeos têm genes que codificam para substâncias que matam outras bactérias. Essas substâncias são chamadas de bacteriocinas ou colicinas.

c. Fatores de resistência (Fator R)
Esses plasmídeos carregam genes de resistência a antibióticos.

i) Origem – A origem dos fatores R não é conhecida. É provável que eles tenham evoluído para outros propósitos e o advento da era dos antibióticos forneceu vantagem seletiva ao seu largo espectro de disseminação.

ii) Estrutura. Os plasmídios R são plasmídeos conjugativos em que os genes para a replicação estão localizados na parte do fator R e os genes de resistência estão localizados em outra parte como ilustrado na Figura 11.

RTF (Fator de Transferência da Resistência) – carrega os genes de transferência.

Determinante R – carrega os genes de resistência. Os genes de resistência são sempre partes de transposons.

Modo de ação dos genes de resistência

a) Modificação (detoxificação) do antibiótico – ex. β-lactamase

b) Alteração do sítio-alvo – ex. Resistência à estreptomicina.

c) Alteração da captação – Resistência à tetraciclina

d) Substituição de via se sensibilidade – ex. nova via do ácido fólico para resistência a sulfas.