El genoma dels procariotes: mutagènesi i transferència genètica

El genoma dels procariotes

Elements genètics i genoma

O ELEMENTS GENETICS: estructures que contenen
material genètic
GENOMA: complement total de gens d' una cèl·lula o un
virus

Stephen Edmondson and Elizabeth Parker

Tipus d'elements genètics

Table 7.1 Kinds of genetic elements
Organism
Element
Type of nucleic
acid
Description
Prokaryote
Chromosome Double-stranded Extremely long,
DNA
usually circular
Eukaryote
Chromosome Double-stranded Extremely long,
DNA
linear
All organisms
Plasmidª
Double-stranded Relatively short
DNA
circular or linear
molecule,
extrachromosomal
All organisms
Transposable Double-stranded Always found
element
DNA
inserted into
another DNA
molecule
Mitochondrion
or chloroplast
Genome
Double-stranded Medium length,
DNA
usually circular
Virus
Genome
Single- or double- Relatively short,
stranded DNA
or RNA
circular or linear
"Plasmids are uncommon in eukaryotes.

Mida del genoma procariota

Organisme
Trets
Mb
Nº
Geometria
Mycoplasma
genitalium
Genoma bacterià no simbiòtic més petit
0,58
1
Circular
Borrelia burgdorferi
Malaltia de Lyme
0,91
1
Lineal
Haemophilus
influenzae
Diferents patologies
1,83
1
Circular
Rhodobacter
sphaeroides
Fototròfic
4.00
2
Circular
Bacillus subtilis
Grampositiu, model genètic
4,21
1
Circular
Escherichia coli
Gramnegatiu, model genètic
4,64
1
Circular
Streptomyces
coelicolor
Actinomicet, productor d'antibiotics
8,66
1
Lineal
Nanoarchaeum
equitans
Genoma cel·lular no simbiòtic més petit
0,49
1
Circular
Methanococcus
jannaschii
Metanògen, creix a elevada temperatura
1,66
1
Circular
Halobacterium sp
NRC1
Creix a elevada concentració salina
2,57
3
Circular
Sulfolobus solfatarius
Creix a elevada temperatura i pH àcid
2,99
1
Circular
Saccharomyces
cerevisiae
Llevat, model genètic, aplicacions
industrials
12,06
16
Lineal

Superenrotllament del DNA

Superenrotllament
Nucleoide in situ
Aïllament i extensió

Dominis superenrotllats

Superenrotllament
Supercoiled
domain
Proteins

Topoisomerases i superenrotllament

Superenrotllament : topoisomerases
Tipus I: trencament d' una cadena i pas de l' altra a
través del tall. Eliminen superenrotllament negatiu.
O Tipus II: trencament de les 2 cadenes i passen altres
dues a través del tall. Ex: DNA girasa. Introducció de
superenrotllament negatiu.

Model d'acció de la Topoisomerasa I

Superenrotllament : topoisomerases
1
2
3
Duplex DNA
(n turns}
Duplex DNA
( n- 1 turns)
Model d' acció de la Topoisomerasa I
Bioquímica, 2ª ed Voet i Voet

Model d'acció de la DNA-girasa

Superenrotllament : topoisomerases
0
Double-strand break
and reseal
Topoisomerase II
makes double-strand
breaks
1. Relaxed circle
2. One part of circle is
laid over the other
3. Result is contact
between the helix in two
places. Note that no
twisting has as yet been
introduced.
4. After topoisomerase II
action, twisting (a
negative supercoil) has
been introduced.
5. Supercoiled DNA
Model d' acció de la DNA-girasa

Plasmidis

Característiques dels plasmidis

O
Normalment dsDNA, circular, covalentment tancat i superenrotllat
O
Grandària variable (de 103 a >106 pb)
O Replicació autonoma, coordinada o no amb la replicació del cromosoma
O Nombre de còpies per cèl.lula variable (de 1-2 a més de 100)

Estructura dels plasmidis

Huntington Potter and David Dressler

Regions dels plasmidis

Regions fonamentals
·Origen de replicació (ori)
·Funcions de replicació (rep)
· Funcions de partició (par)
Regions no fonamentals
· Transferència (gens tra o mob i lloc mob o oriT): Plasmidis
conjugatius
·Elements mòbils
· Altres gens
Funció desconeguda: Plasmidis críptics
Funció coneguda: Confereixen un determinat fenotip a la
cèl·lula.

Exemple de plasmidi: R100

Replication
functions
mer
IS1
sul
str
94.3/0 kbp
cat
IS 1
75 kbp
25 kbp
I
50 kbp
tra
IS 10
IS 10
Tn10
Plasmidi R100
oriT
tet

Fenotips conferits per plasmidis

Table 11.1 Examples of phenotypes conferred by plasmids
in prokaryotes
Phenotype class
Organismsª
Antibiotic production
Streptomyces
Conjugation
Wide range of bacteria
Metabolic functions
Degradation of octane, camphor,
naphthalene
Pseudomonas
Degradation of herbicides
Alcaligenes
Formation of acetone and butanol
Clostridium
Lactose, sucrose, citrate, or urea utilization
Enteric bacteria
Pigment production
Erwinin, Staphylococcus
Gas vesicle production
Halobacterium
Resistance
Antibiotic resistance
Resistance to toxic metals
Wide range of bacteria
Wide range of bacteria
Virulence
Tumor production in plants
Agrobacterium
Rhizobium
Nodulation and symbiotic nitrogen fixation
Bacteriocin production and resistance
Animal cell invasion
Coagulase, hemolysin, enterotoxin
Toxins and capsule
Enterotoxin, K antigen
Wide range of bacteria
Salmonella, Shigella,
Yersinia
Staphylococcus
Bacillus anthracis
Escherichia
"All of the organisms in the list are Bacteria except for Halobacterium, which is a
member of the Archaea.

DNA mòbil: elements transponibles

Definició d'elements transponibles

Són segments discrets de DNA que es mouen com unitats
d' una ubicació a una altra dintre d' altres molécules de
DNA (transposició). Es troben inserts en plasmids,
cromosomes o genomes vírics. No tenen el seu propi
origen de replicació.
O Seqüències d' inserció
O Transposons
O Integrons

Seqüències d'inserció (IS)

DNA mobil: elements transponibles
SEQÜÈNCIES D'INSERCIÓ
· Transposasa (Tnp)
.Seqüències repetides terminals invertides (IR)
·720 a 2000 pb
·Més de 7000 coneguts, agrupats en 20 famílies
IS2
1327 pb
tnp
IR
IR
IR
IR
Inverted
repeats

Transposons

DNA mobil: elements transponibles
TRANSPOSONS
·Son més grans que les IS
·Porten algun gen
Transposons compostos: 2 IS als extrems flanquejant
diferents gens
Tn5
IS50L
IS50R
kan str
bleo
tnp
IR
IR
IR
IR
IR
IR
IR
IR
Resistencia a kanamicina (kan) estreptomicina (str) i bleomicina (bleo)

Integrons

DNA mobil: elements transponibles
INTEGRONS
· Integrasa (int)
· Lloc específicad'integració (attl)
· Promotor (P)
· Gens ja integrats
In0
- intl 1
P
- attl
sull
In7
aadB

Genòmica microbiana

Definició de genòmica microbiana

Genòmica microbiana:
Disciplina encarregada de mapejar,
seqüenciar, analitzar i comparar els
genomes
Sugar-phosphate
backbone
One helical
turn
(10 base
pairs)
Minor
groove
3.4
nm
Major
groove
Stephen Edmondson and Elizabeth Parker

Grandària dels genomes

Grandària dels genomes
9000
8000
7000
Total ORFs in genome
6000
.
5000
4000
3000
2000
1000
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Genome size (megabases)

Gens necessaris per a la vida

Grandària dels genomes
Quants gens són necessaris per a que
existeixi la vida?

Genomes petits

Grandària dels genomes: genomes petits
Cèl·lules de vida lliure: aprox 1400 gens (Pelagibacter
ubique: 1350 gens)
Autòtrofs: no necessiten gaire gens més que els
heteròtrofs (Methanocaldococcus jannaschii: 1738 ORF)
Genomes mes petits: parasits o endosimbionts
(Nanoarchaeum equitans: 552 ORF -genoma més petit -;
Mycoplasma genitalium: 470 ORF; Buchnera aphidicola:
362 ORF; Carsonella ruddii: 182 ORF)
O S' estima que al voltant de 250-300 gens són els mínims
per que una cèl·lula sigui viable

Genomes grans

Grandària dels genomes: genomes grans
Alguns procariotes tenen genomes més grans que son
comparables en grandària als de microorganismes
eucariotes
O Bradyrhizobium japonicum: 9,1 Mbp, 8300 ORF
Saccharomyces cerevisiae: 12,1 Mbp, 5800 ORF
Sorangium cellulosum: 12,3 Mbp
Archaea: al voltant de 5 Mpb

Mutagènesi

Definició de mutació

MUTACIÓ:
És una modificació heredable en
la seqüència de bases del
genoma.

Tipus de mutacions

MUTACIÓ: tipus
O Espontànies: sense la intervenció de cap
agent extern
Induïdes: Són el resultat de l' exposició de
l'organisme a algun agent físic o químic
anomenat mutagen

Efectes de les mutacions

MUTACIÓ:
efectes
5'
DNA
) ... TAC ...
) ... AT G ... 5'
MUTATIONS
Normal DNA
replication
OAAC
OTTG
TAG
ATC
TAT
ATA
5'OTAC
ATG
DNA
I
Transcription of
light green strand
AAC
UAG
UAU
Tyrosine
codon
5'QUA C
mRNA
Asparagine
codon
Stop
codon
Tyrosine
codon
Translation
Mutació puntual
per canvi de bases
Faulty
protein
Incomplete
protein
Normal
protein
Normal
protein
Protein
Missense
mutation
Nonsense
mutation
Silent
mutation
Wild type
Change

Causes de mutacions espontànies

MUTACIÓ ESPONTÀNIA: causes
Errades en la replicació del DNA
O
Elements mobils
Lesions en el DNA

Mutacions que impliquen molts parells de bases

Mutacions que impliquen molts parells
de bases
O Delecions: Pèrdua d'un nombre elevat de parells de bases. No
són restaurades per mutacions
O Insercions: Errors durant la recombinació, IS, Transposons.
Poden revertir per mutacions (delecions)
O Translocacions: Grans fragments de DNA es mouen a una altre
regió
O Inversions: L'orientació d'un fragment de DNA és la invertida
respecte al DNA circumdant

Mutàgens químics i físics

MUTACIONS INDUÏDES
Table 11.3 Chemical and physical mutagens and their modes of action
Agent
Action
Result
Base analogs
5-Bromouracil
2-Aminopurine
Incorporated like T; occasional faulty pairing with G
Incorporated like A; faulty pairing with C
AT -> GC and occasionally GC -> AT
AT -> GC and occasionally GC -> AT
Chemicals reacting with DNA
Nitrous acid (HNO2)
Hydroxylamine (NH2OH)
Deaminates A and C
Reacts with C
AT -> GC and GC -> AT
GC - AT
Alkylating agents
Monofunctional (for example, ethyl methane sulfonate)
Bifunctional (for example, mitomycin, nitrogen mustards,
nitrosoguanidine)
Puts methyl on G; faulty pairing with T
Cross-links DNA strands; faulty region excised
by DNase
GC - AT
Both point mutations and deletions
Intercalating dyes
Acridines, ethidium bromide
Inserts between two base pairs
Microinsertions and microdeletions
Radiation
Ultraviolet
Ionizing radiation (for example, X-rays)
Pyrimidine dimer formation
Free-radical attack on DNA, breaking chain
Repair may lead to error or deletion
Repair may lead to error or deletion

Aïllament de mutants

Aïllament de mutants
Mutants resistents a
un antibiòtic
Mutants de
pigmentació

Tipus de mutants i detecció

Tipus de mutants
Fenotip
Canvi
Detecció del mutant
Auxòtrof
Pèrdua d'un enzim en una via
biosintètica
Incapaç de creixer en un
medi sense el nutrient
Resistent a antibiotics
Alteració de la permeabilitat,
modificació de la diana, detoxificació
Creixement en un medi
amb l'antibiòtic
No capsulat
Pèrdua o modificació de la capsula
Colònies petites i
rugoses en lloc de grans
i llises
Immòbil
Pèrdua de flagels, flagels no
funcionals, perdua o modificació
d'altres estructures de mobilitat
Colònies compactes en
lloc de grans i llises
No pigmentat
Pèrdua d'un enzim que intervé en la
via de biosintesi del pigment
Manca o canvi de color
Colònia rugosa
Pèrdua o canvi en el LPS de la
membrana externa
Colònies granulars i
irregulars en lloc de
Ilises i brillants
Fermentació de sucres
Pèrdua d'un enzim d'una via
degradativa
Pèrdua de canvi de color
en el medi diferencial
Sensible a la temperatura
Alteració d'una proteïna essencial
Incapacitat de créixer a
la temperatura
restrictiva
Resistent a virus
Pèrdua del receptor del virus
Creixement en presència
del virus