2.4C: Plásmidos y Transposones

Objetivos de aprendizaje

1. Describir plásmidos e indicar su posible beneficio para las bacterias.
2. Indicar la función de lo siguiente:
   1. transposones
   2. integrones
   3. episoma
   4. plásmido conjugativo
3. Indicar la forma más común en que los plásmidos se transmiten de una bacteria a otra.
4. Definir transferencia génica horizontal.

Además del cromosoma bacteriano, muchas bacterias a menudo contienen pequeñas moléculas de ADN no cromosómicas llamadas plásmidos. Los plásmidos suelen contener entre 5 y 100 genes. Los plásmidos no son esenciales para el crecimiento bacteriano normal y las bacterias pueden perderlos o ganarlos sin dañarlos. Sin embargo, pueden proporcionar una ventaja bajo ciertas condiciones ambientales. Por ejemplo, en condiciones normales de crecimiento ambiental, las bacterias no suelen estar expuestas a antibióticos y tener un plásmido que codifica una enzima capaz de desnaturalizar un antibiótico particular no tiene ningún valor. Sin embargo, si esa bacteria se encuentra en el cuerpo cuando se administra el antibiótico particular que la enzima codificada por el plásmido es capaz de degradar para tratar una infección, la bacteria que contiene el plásmido es capaz de sobrevivir y crecer.

Estructura y Composición

Los plásmidos son pequeñas moléculas de ADN bicatenario, helicoidal y no cromosómico. En la mayoría de los plásmidos, los dos extremos de la molécula de ADN bicatenario que componen los plásmidos se unen covalentemente formando un círculo físico. Algunos plásmidos, sin embargo, tienen ADN lineal. Los plásmidos se replican independientemente del cromosoma huésped, pero algunos plásmidos, llamados episomas, son capaces de insertarse o integrarse en el cromosoma de la célula huésped donde su replicación es regulada entonces por el cromosoma.

Aunque algunos plásmidos pueden transmitirse de una bacteria a otra por transformación y por transducción generalizada, el mecanismo más común de transferencia de plásmidos es la conjugación. Los plásmidos que pueden transmitirse por contacto célula a célula se denominan plásmidos conjugativos. Contienen genes que codifican proteínas involucradas tanto en la transferencia de ADN como en la formación de pares de apareamiento.

Funciones

Los plásmidos codifican para la síntesis de algunas proteínas no codificadas por el cromosoma bacteriano. Por ejemplo, los plásmidos R, que se encuentran en algunas bacterias Gram-negativas, a menudo tienen genes que codifican tanto la producción de un pilus de conjugación (discutido más adelante en esta unidad) como la resistencia múltiple a antibióticos. A través de un proceso llamado conjugación, el pilus de conjugación permite que la bacteria transfiera una copia de los plásmidos R a otras bacterias, haciéndolas también resistentes a múltiples antibióticos y capaces de producir un pilus de conjugación. Además, algunas exotoxinas, como la exotoxina tetánica, la enterotoxina Escherichia coli y la toxina shiga de E. coli discutidas más adelante en la Unidad 2 bajo Patogenicidad Bacteriana, también están codificadas por plásmidos. Se sabe que existen miles de plásmidos diferentes.

Transposones

Los transposones (elementos transponibles o “genes saltadores”) son pequeños trozos de ADN que codifican enzimas que transponen el transposón, es decir, lo mueven de una ubicación de ADN a otra, ya sea en la misma molécula de ADN o en una molécula diferente. Los transposones se pueden encontrar como parte del nucleoide de una bacteria (transposones conjugativos) o en plásmidos y suelen tener entre uno y doce genes de longitud. Un transposón contiene varios genes, que codifican resistencia a antibióticos u otros rasgos, flanqueados en ambos extremos por secuencias de inserción que codifican una enzima llamada transpoasa. La transpoasa es la enzima que cataliza el corte y resellado del ADN durante la transposición. Así, tales transposones son capaces de cortarse a sí mismos de un nucleoide bacteriano o de un plásmido e insertarse en otro nucleoide o plásmido y contribuir en la transmisión de resistencia a antibióticos entre una población de bacterias.

Los plásmidos también pueden adquirir una serie de diferentes genes de resistencia a antibióticos por medio de integrones. Los integrones son transposones que pueden portar múltiples grupos de genes llamados casetes génicos que se mueven como una unidad de una pieza de ADN a otra. Una enzima llamada integrasa permite que estos casetes génicos se integren y acumulen dentro de la integrasa. De esta manera, una serie de diferentes genes de resistencia a antibióticos pueden transferirse como una unidad de una bacteria a otra.

Los plásmidos y los transposones conjugativos son muy importantes en la transferencia horizontal de genes en bacterias. La transferencia génica horizontal, también conocida como transferencia lateral de genes, es un proceso en el que un organismo transfiere material genético a otro organismo que no es su descendencia. La capacidad de Bacterias y Archaea para adaptarse a nuevos ambientes como parte de la evolución bacteriana es el resultado más frecuente de la adquisición de nuevos genes a través de la transferencia horizontal de genes en lugar de por la alteración de las funciones génicas a través de mutaciones. (Se estima que hasta el 20% del genoma de Escherichia coli se originó a partir de la transferencia genética horizontal).

La transferencia horizontal de genes es capaz de causar cambios bastante a gran escala en un genoma bacteriano. Por ejemplo, ciertas bacterias contienen múltiples genes de virulencia llamados islas de patogenicidad que se localizan en regiones grandes e inestables del genoma bacteriano. Estas islas de patogenicidad pueden transmitirse a otras bacterias por transferencia génica horizontal. Sin embargo, si estos genes transferidos no proporcionan ninguna ventaja selectiva a las bacterias que los adquieren, generalmente se pierden por deleción. De esta manera el tamaño del genoma de la bacteria puede permanecer aproximadamente del mismo tamaño a lo largo del tiempo.

CRISPR

Debido a que las bacterias siempre están tomando nuevo ADN de la transferencia horizontal de genes o siendo infectadas por bacteriófagos, las bacterias han desarrollado un sistema para eliminar ácido nucleico viral o ADN de plásmidos autoservidos o dañinos. Este sistema representa un tipo de inmunidad adaptativa en bacterias, y se lleva a cabo mediante secuencias agrupadas, regularmente interespaciadas, de repetición palindrómica corta (CRISPR) y proteínas asociadas a CRISPR-asociadas (Cas) que poseen actividad nucleasa. El sistema CRISPR/Cas se dirige a secuencias específicas de ADN extraño en bacterias para su destrucción.

Video: Película de YouTube del Sistema Crisper/Cas9 en Bacterias (www.youtube.com/V/ZSXiU5-S5DS)

Las aplicaciones de la tecnología CRISPR se han convertido en una herramienta común utilizada en biología molecular para la edición del genoma mediada por CRISPR/nucleasa (ingeniería genética) en una amplia variedad de diferentes tipos de células. Los biólogos moleculares ahora están comenzando a usar esto para llevar a cabo alteraciones altamente eficientes y dirigidas de la secuencia del genoma y la expresión génica y esperan usarlo eventualmente para reparar genes dañados o disfuncionales.

Ejercicio: Preguntas de Pensar-Par-Compartir

Un plásmido F ⁺ es un plásmido conjugativo que codifica estrictamente la capacidad de producir un pilus de conjugación y un par de apareamiento.

Indicar qué evento médicamente significativo podría ocurrir si un transposón localizado en el nucleoide de una bacteria intestinal de flora normal y que contiene genes para resistencia antibiótica fuera cortado del nucleoide de la bacteria e insertarlo en el plásmido F ⁺.

Resumen

1. Muchas bacterias a menudo contienen pequeñas moléculas de ADN no cromosómicas llamadas plásmidos.
2. Si bien los plásmidos no son esenciales para el crecimiento bacteriano normal y las bacterias pueden perderlos o ganarlos sin dañarlos, pueden proporcionar una ventaja bajo ciertas condiciones ambientales.
3. Los plásmidos codifican para la síntesis de algunas proteínas no codificadas por el cromosoma bacteriano.
4. Los transposones (genes saltadores) son pequeños trozos de ADN que codifican enzimas que permiten que el transposón se mueva de una ubicación de ADN a otra.
5. Los transposones se pueden encontrar como parte del cromosoma de una bacteria o en plásmidos
6. Los integrones son transposones que pueden portar múltiples grupos de genes llamados casetes génicos que se mueven como una unidad de una pieza de ADN a otra
7. La transferencia genética horizontal es un proceso en el que un organismo transfiere material genético a otra célula que no es su descendencia.
8. La transferencia horizontal de genes es capaz de causar cambios bastante a gran escala en un genoma bacteriano.
9. La capacidad de Bacterias y Archaea para adaptarse a nuevos ambientes como parte de la evolución bacteriana, con mayor frecuencia resulta de la adquisición de nuevos genes a través de la transferencia horizontal de genes en lugar de por la alteración de las funciones génicas a través de mutaciones.

Preguntas

Estudie el material en esta sección y luego escriba las respuestas a estas preguntas. No se limite a hacer clic en las respuestas y escríbelas. Esto no pondrá a prueba tu comprensión de este tutorial.

1. Describir plásmidos e indicar su posible beneficio para las bacterias. (ans)
2. Indicar por qué los plásmidos R presentan un gran problema hoy en día en el tratamiento de muchas infecciones Gram-negativas. (ans)
3. _____________ son pequeños trozos de ADN que codifican enzimas que cortan segmentos de ADN de una ubicación en un cromosoma bacteriano o en un plásmido y lo insertan en otro cromosoma o plásmido. Estos segmentos de ADN translocado a menudo contienen genes para resistencia a antibióticos. (ans)
4. Los genes que codifican la resistencia a antibióticos en plásmidos bacterianos cambian frecuentemente con el tiempo, permitiendo que la bacteria resista nuevos antibióticos. ¿Qué podría explicar esto? (ans)
5. Indicar la forma más común en que los plásmidos se transmiten de una bacteria a otra. (ans)
6. Definir transferencia génica horizontal. (ans)
7. Opción múltiple (ans)