Clase #6. GENÉTICA MICROBIANA

CAPITULO 7

La ciencia de la genética define y analiza la herencia o la constancia y cambio de una amplia gama de funciones fisiológicas que constituyen las propiedades del organismo. La unidad básica de la herencia es el gen, un segmento de ácido desoxirribonucleico (DNA) que codifica en su secuencia de nucleótidos información para propiedades fisiológicas específicas. El método tradicional de la genética ha sido identificar los genes con base en su contribución al fenotipo o las propiedades estructurales colectivas y fisiológicas de un organismo. Una propiedad fenotípica podría ser el color de los ojos en los seres humanos o la resistencia a los antibióticos en una bacteria, que por lo general se observan al nivel de cada organismo. La base química para la variación del fenotipo es un cambio en el genotipo o alteración en la secuencia de DNA, en un gen o en la organización de los genes.

ORGANIZACIÓN DE LOS GENES

Estructura de DNA y RNA.-

La información genética en las bacterias se almacena como una secuencia de bases de DNA  En bacteriófagos y virus la información genética puede almacenarse como secuencias de ácido ribonucleico (RNA). La mayor parte de las moléculas de DNA son bicatenarias, con bases complementarias (A-T; G-C) unidas por enlaces de hidrogeno en el centro de la molécula. La orientación de las dos cadenas de DNA es anti paralela: una cadena tiene orientación química de 5′→ 3′ y su cadena complementaria sigue una dirección 3′→ 5′. La complementariedad de las bases permite que una cadena (cadena de plantilla) proporcione la información para la copia con la expresión de la información en la otra cadena (cadena de codificación). Los pares de bases se apilan en el centro de la doble hélice de DNA (fi g. 7-2) y determinan la información genética.

Genoma de las células eucariotas.-

El genoma es la totalidad de información genética en un organismo. Casi todo el genoma de las células eucariotas es transportado en dos o más cromosomas lineales separados del citoplasma por medio de una membrana que limita el núcleo. Las células eucariotas diploides contienen dos homólogos (copias divergentes desde el punto de vista evolutivo) de cada cromosoma.

Las mutaciones, o cambios genéticos, con frecuencia no pueden detectarse en las células diploides porque la contribución de una copia génica compensa los cambios en la función de su homologo.

Un gen que no logra su expresión fenotípica en presencia de su homologo es un gen recesivo, en tanto que un gen que suprime los efectos de su homologo es de tipo dominante. Los efectos de las mutaciones pueden diferenciarse con facilidad en las células haploides, que transportan una sola copia de la mayor parte de los genes. Las células de levadura (que son eucariotas) con frecuencia se investigan porque se mantienen y se analizan en un estado haploide.

Genoma de células procariotas.-

La mayor parte de genes procariotas son transportados en los cromosomas bacterianos. Con pocas excepciones, los genes bacterianos son haploides. Los datos de la secuencia genómica de más de 340 genomas microbianos han indicado que la mayor parte de los genomas procariotas (>90%) consiste en una sola molecula de DNA circular que contiene desde 580 kbp a más de 5 220 kbp de DNA (cuadro 7-1). Unas cuantas bacterias (p. ej., Brucella melitensis, Burkholderia pseudomallei y Vibrio cholerae) tienen genomas que consisten en dos moléculas de DNA circular. Muchas bacterias contienen genes adicionales en los plásmidos que varían en tamaño desde varios hasta 100 kbp. Los círculos de DNA están cerrados por enlaces covalentes (cromosomas y plásmidos bacterianos), que contienen la información genética necesaria para su propia replicación, lo que se denomina replicones. Las células procariotas no contienen un núcleo, y por tanto no existe una membrana que separa de los genes bacterianos del citoplasma, como ocurre en las células eucariotas.

REPLICACIÓN

El DNA bicatenario se sintetiza por replicación semiconservadora. Conforme la doble cadena original se desenrolla, cada cadena sirve como plantilla (es decir, como la fuente de secuencia de información) para la replicacion de DNA. Nuevas cadenas se sintetizan con la colocación de bases en orden complementario a las cadenas preexistentes. Cuando se ha completado la síntesis, cada molécula hija contiene una cadena original y una cadena de síntesis reciente.

DNA bacteriano.-

Las bacterias carecen de estructuras complejas relacionadas con la separación de los cromosomas que ocurre en las células eucariotas en un núcleo hijo diferente. La replicacion de DNA bacteriano inicia en un punto y se desplaza en ambas direcciones (replicación bidireccional). En el proceso, las dos cadenas viejas de DNA se separan y se utilizan como plantilla para la síntesis de nuevas cadenas (replicación semiconservadora). La estructura donde dos cadenas se separan y ocurre la nueva síntesis se conoce como horquilla de replicación. La replicacion del cromosoma bacteriano es un proceso estrechamente controlado; el número de cada cromosoma (cuando hay más de uno) por célula en desarrollo disminuye entre uno y cuatro.

MUTACIÓN Y REORDENACIÓN GENÉTICA

Mutaciones espontáneas.-

Las mutaciones son cambios en las secuencias de DNA. Las mutaciones espontaneas para un gen dado en un entorno silvestre por lo general ocurren con una frecuencia de 10−6 a 10−8 en una población derivada de una sola bacteria (lo que depende de especies bacterianas y de las condiciones utilizadas para identificar la mutación). Las mutaciones incluyen sustituciones de bases, deleciones, inserciones y reordenamientos. Las sustituciones de bases pueden surgir como consecuencia de la colocación inapropiada de pares de bases entre bases complementarias durante la replicacion. En el caso de E. coli, esto ocurre una vez cada

1010 veces que se incorpora un nucleótido; un proceso notablemente preciso. La aparición de colocación inapropiada de bases se reduce por la presencia de enzimas asociadas con la reparación de errores, un mecanismo que en esencia asegura que una cadena es perfectamente complementaria con su plantilla. Las enzimas de reparación de errores diferencian la cadena de síntesis reciente de la cadena preexistente con base en la metilación de adenina en las secuencias GATC de la cadena preexistente. Cuando el daño del DNA es demasiado extenso, un sistema de reparación especial de DNA, la respuesta SOS, rescata la célula en la cual se ha donado el DNA. La respuesta SOS es un sistema de reparación de DNA después de la replicación, que permite que la replicacion de DNA ocurra sin errores en el DNA.

IDENTIFICACIÓN DEL DNA CLONADO

Mapa de restricción

La manipulación del DNA clonado requiere la comprensión de su secuencia de ácidos nucleicos. La preparación de un mapa de restricción es la primera etapa en la obtención de dicho conocimiento. Un mapa de restricción se construye en forma muy similar a un rompecabezas a partir de fragmentos producidos por digestión simple, los cuales se preparan con enzimas de restricción individuales y con procesos de doble digestión, en los que se forman pares de enzimas de restricción. Los mapas de restricción también son el paso inicial hacia la secuenciación de DNA porque identifican fragmentos que proporcionaran subclonas fragmentos relativamente pequeños de DNA) que se someten a un análisis más riguroso, que puede incluir la secuenciación del DNA. Además, los mapas de restricción proporcionan información muy específica  con respecto a las bases, que permite que los fragmentos de DNA, que se identifican con base en el tamaño, se asocian con funciones génicas específicas.

Secuenciación.-

La secuenciación de DNA muestra la estructura génica y permite que los investigadores deduzcan la estructura de los productos génicos. A su vez, esta información hace posible manipular los genes en orden para comprender o alterar su función. Además, el análisis de secuencias de DNA revela regiones reguladoras que controlan la expresión génica y “puntos calientes” genéticos que son en particular susceptibles a la mutación. La comparación de secuencias de DNA revela relaciones evolutivas que proporcionan un marco de referencia para la clasificación sin ambigüedades de organismos y virus.