3.1: Transferencia Génica Horizontal en Bacterias

Objetivos de aprendizaje

Después de completar esta sección deberá ser capaz de realizar los siguientes objetivos.

1. Comparar y contrastar la mutación y la transferencia génica horizontal como métodos para permitir que las bacterias respondan a presiones selectivas y se adapten a nuevos entornos.
2. Definir la transferencia horizontal de genes y establecer la forma más común de transferencia génica horizontal en bacterias.
3. Describir brevemente los mecanismos de transformación en bacterias.
4. Describa brevemente los siguientes mecanismos de transferencia horizontal de genes en bacterias:
   1. transducción generalizada
   2. transducción especializada
5. Describa brevemente los siguientes mecanismos de transferencia horizontal de genes en bacterias:
   1. Transferencia de plásmidos conjugativos, transposones conjugativos y plásmidos movilizables en bacterias Gram-negativas
   2. Conjugación F ⁺
   3. Conjugación Hfr
6. Describir los plásmidos R y la significación de los plásmidos R para la microbiología médica.

Las bacterias son capaces de responder a presiones selectivas y adaptarse a nuevos entornos mediante la adquisición de nuevos rasgos genéticos como resultado de una mutación, una modificación de la función génica dentro de una bacteria, y como resultado de la transferencia horizontal de genes, la adquisición de nuevos genes de otras bacterias. La mutación ocurre con relativa lentitud. La tasa de mutación normal en la naturaleza está en el rango de 10 ^-6 a 10 ^-9 por nucleótido por generación bacteriana, aunque cuando las poblaciones bacterianas están bajo estrés, pueden aumentar en gran medida su tasa de mutación. Además, la mayoría de las mutaciones son perjudiciales para la bacteria. La transferencia genética horizontal, por otro lado, permite que las bacterias respondan y se adapten a su entorno mucho más rápidamente al adquirir grandes secuencias de ADN de otra bacteria en una sola transferencia.

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.

Existen tres mecanismos de transferencia horizontal de genes en bacterias: transformación, transducción y conjugación. El mecanismo más común para la transmisión horizontal de genes entre bacterias, especialmente de una especie bacteriana donante a diferentes especies receptoras, es la conjugación. Aunque las bacterias pueden adquirir nuevos genes a través de la transformación y transducción, esta suele ser una transferencia más rara entre bacterias de la misma especie o especies estrechamente relacionadas.

Transformación

La transformación es una forma de recombinación genética en la que un fragmento de ADN de una bacteria muerta y degradada ingresa a una bacteria receptora competente y se intercambia por un trozo de ADN del receptor. La transformación generalmente implica solo recombinación homóloga, una recombinación de regiones de ADN homólogas que tienen casi las mismas secuencias de nucleótidos. Normalmente esto involucra cepas bacterianas similares o cepas de la misma especie bacteriana.

Algunas bacterias, como Neisseria gonorrhoeae, Neisseria meningitidis, Hemophilus influenzae, Legionella pneomophila, Streptococcus pneumoniae y Helicobacter pylori tienden a ser naturalmente competentes y transformables. Las bacterias competentes son capaces de unirse a mucho más ADN que las bacterias no competentes. Algunos de estos géneros también se someten a autolisis que luego proporciona ADN para recombinación homóloga. Además, algunas bacterias competentes matan células no competentes para liberar ADN para la transformación.

Figura\(\PageIndex{1}\): Emparejamiento de moléculas de ADN homólogas e intercambio de segmentos de ADN por medio de Proteína Rec A. 1) Una endonucleasa de ADN inserta una mella en una hebra del ADN donante. 2) La cadena mellada está separada de su cadena asociada por proteínas que funcionan como helicasa. Las moléculas de proteína de unión monocatenaria (amarilla) luego se unen. 3) La proteína Rec A se une luego al fragmento monocatenario y promueve el apareamiento de bases del ADN donante con el ADN receptor (cruce). 4) Las moléculas unidas están separadas por resolvasas, enzimas que cortan y vuelven a unir el ADN reticulado moléculas.

Durante la transformación, los fragmentos de ADN (generalmente de aproximadamente 10 genes de longitud) se liberan de una bacteria degradada muerta y se unen a proteínas de unión a ADN en la superficie de una bacteria receptora viva competente. Dependiendo de la bacteria, o ambas cadenas de ADN penetran en el receptor, o una nucleasa degrada una hebra del fragmento y la cadena de ADN restante ingresa al receptor. Este fragmento de ADN del donante se intercambia luego por una pieza del ADN del receptor por medio de proteínas RecA y otras moléculas e implica la rotura y reencuentro de los segmentos de ADN emparejados como se ve en (Figura\(\PageIndex{1}\)). La transformación se resume en la Figura\(\PageIndex{2}\).

Figura\(\PageIndex{2}\): Transformación: Paso 1: Una bacteria donante muere y se degrada.Paso 2: Los fragmentos de ADN, típicamente de alrededor de 10 genes de longitud, de la bacteria donante muerta se unen a transformasomas en la pared celular de una bacteria receptora viva y competente.Paso 3: En este ejemplo, una nucleasa degrada una hebra del fragmento donante y la cadena de ADN restante ingresa al receptor. Las proteínas de unión a ADN monocatenarias específicas de competencia se unen a la cadena de ADN donante para evitar que se degrade en el citoplasma. Paso 4: Las proteínas RecA promueven el intercambio genético entre un fragmento del ADN del donante y el ADN del receptor (ver Figura\(\PageIndex{1}\) para las funciones de las proteínas RecA). Esto implica la rotura y reencuentro de segmentos de ADN pareados. Paso 5: La transformación está completa.

Transducción

La transducción implica la transferencia de un fragmento de ADN de una bacteria a otra por un bacteriófago. Existen dos formas de transducción: transducción generalizada y transducción especializada.

Durante la replicación de bacteriófagos líticos y bacteriófagos templados, ocasionalmente la cápside del fago se ensambla accidentalmente alrededor de un pequeño fragmento de ADN bacteriano. Cuando este bacteriófago, llamado partícula transductora, infecta otra bacteria, inyecta el fragmento de ADN bacteriano donante que lleva al receptor donde posteriormente puede ser intercambiado por una pieza del ADN del receptor por recombinación homóloga. La transducción generalizada se resume en la Figura\(\PageIndex{3}\).

• Paso 1: Un bacteriófago se adsorbe a una bacteria susceptible.
• Paso 2: El genoma del bacteriófago ingresa a la bacteria. El genoma dirige la maquinaria metabólica de la bacteria para fabricar componentes bacteriófagos y enzimas. Las enzimas codificadas por bacteriófagos también descompondrán el cromosoma bacteriano.
• Paso 3: Ocasionalmente, una cápside de bacteriófago se ensambla erróneamente alrededor de un fragmento del cromosoma de la bacteria donante o alrededor de un plásmido en lugar de alrededor de un genoma de fago.
• Paso 4: Los bacteriófagos se liberan a medida que se lisa la bacteria. Tenga en cuenta que un bacteriófago lleva un fragmento del ADN de la bacteria donante en lugar de un genoma de bacteriófago.
• Paso 5: El bacteriófago que porta el ADN de la bacteria donante se adsorbe a una bacteria receptora.
• Paso 6: El bacteriófago inserta el ADN de la bacteria donante que transporta en la bacteria receptora.
• Paso 7: Se produce la recombinación homóloga y se intercambia el ADN de la bacteria donante por parte del ADN del receptor. (La figura\(\PageIndex{1}\) muestra las funciones de las proteínas RecA implicadas en la recombinación homóloga).

La transducción generalizada ocurre en una variedad de bacterias, incluyendo Staphylococcus, Escherichia, Salmonella y Pseudomonas.

Figura\(\PageIndex{3}\): Transducción Generalizada por Bacteriófago Lítico,

Los plásmidos, como el plásmido penicilinasa de Staphylococcus aureus, también pueden transportarse de una bacteria a otra mediante transducción generalizada.

Transducción especializada: Esto puede ocurrir ocasionalmente durante el ciclo de vida lisogénico de un bacteriófago templado. Durante la inducción espontánea, una pequeña porción de ADN bacteriano a veces puede intercambiarse por una porción del genoma del bacteriófago, que permanece en el nucleoide bacteriano. Esta pieza de ADN bacteriano se replica como parte del genoma del bacteriófago y se coloca en cada cápside de fago. Los bacteriófagos se liberan, se adsorben a las bacterias receptoras e inyectan el complejo ADN de la bacteria donadora/ADN fago en la bacteria receptora donde se inserta en el cromosoma bacteriano (Figura\(\PageIndex{4}\)).

Figura\(\PageIndex{4}\): Transducción Especializada por Bacteriófago Templado. Paso 1: Un bacteriófago templado se adsorbe a una bacteria susceptible e inyecta su genoma. Paso 2: El bacteriófago inserta su genoma en el cromosoma de la bacteria para convertirse en profago. Paso 3: Ocasionalmente durante la inducción espontánea, el ADN se escinde incorrectamente y se recoge una pequeña porción del ADN de la bacteria donante como parte del genoma del bacteriófago en lugar de parte del ADN del bacteriófago que permanece en el cromosoma de la bacteria. Paso 4: A medida que el bacteriófago se replica, el segmento de ADN bacteriano se replica como parte del genoma del bacteriófago. Cada bacteriófago ahora lleva ese segmento de ADN bacteriano. Paso 5: El bacteriófago se adsorbe a una bacteria receptora e inyecta su genoma. Paso 6: El genoma del bacteriófago que porta el ADN bacteriano donante se inserta en el cromosoma de la bacteria receptora.

Conjugación

Recombinación genética en la que hay una transferencia de ADN de una bacteria donante viva a una bacteria receptora viva por contacto célula a célula. En bacterias Gram-negativas suele implicar una conjugación o pilus sexual.

La conjugación está codificada por plásmidos o transposones. Se trata de una bacteria donante que contiene un plásmido conjugativo y una célula receptora que no. Un plásmido conjugativo es autotransmisible, ya que posee todos los genes necesarios para que ese plásmido se transmita a otra bacteria por conjugación. Los genes de conjugación conocidos como genes tra permiten que la bacteria forme un par de apareamiento con otro organismo, mientras que las secuencias oriT (origen de transferencia) determinan dónde en el plásmido se inicia la transferencia de ADN sirviendo como el sitio de inicio de replicación donde las enzimas de replicación del ADN cortarán el ADN para iniciar la replicación y transferencia del ADN. Además, los plásmidos movilizables que carecen de los genes tra para la autotransmisibilidad pero que poseen las secuencias oriT para el inicio de la transferencia de ADN también pueden transferirse por conjugación si la bacteria que los contiene también posee un plásmido conjugativo. Los genes tra del plásmido conjugativo permiten formar un par de apareamiento, mientras que el oriT del plásmido movilizable permite que el ADN se mueva a través del puente conjugativo (Figura\(\PageIndex{5}\)).

Figura\(\PageIndex{5}\): Transferencia de plásmidos movilizables durante la conjugación. Los plásmidos movilizables, que carecen de los genes tra para la autotransmisibilidad pero que poseen las secuencias oriT para el inicio de la transferencia de ADN, también pueden transferirse por conjugación si la bacteria que los contiene también posee un plásmido conjugativo. Los genes tra del plásmido conjugativo permiten que se forme un par de apareamiento, mientras que las cuencias oriT del plásmido movilizable permiten que el ADN se mueva a través del puente conjugativo.

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, ya sea en la misma molécula de ADN o en una molécula diferente. Los transposones se pueden encontrar como parte del cromosoma de una bacteria (transposones conjugativos) o en plásmidos y suelen tener entre uno y doce genes de longitud. Un transposón contiene varios genes, como los 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.

Los transposones conjugativos, como los plásmidos conjugativos, portan los genes que permiten formar pares de apareamiento para la conjugación. Por lo tanto, los transposones conjugativos también permiten transferir plásmidos movilizables y transposones no conjugativos a una bacteria receptora durante la conjugación.

Muchos plásmidos conjugativos y transposones conjugativos poseen sistemas de transferencia bastante promiscuos que les permiten transferir ADN no solo a especies similares, sino también a especies no relacionadas. La capacidad de las bacterias para adaptarse a nuevos ambientes como parte de la evolución bacteriana es el resultado más frecuente de la adquisición de grandes secuencias de ADN de otra bacteria por conjugación.

a. Mecanismo general de transferencia de plásmidos conjugativos por conjugación en bacterias Gram-negativas

En bacterias Gram-negativas, el primer paso en la conjugación implica una conjugación pilus (pilus sexual o pilus F) en la bacteria donante que se une a una bacteria receptora que carece de un pilus de conjugación. Por lo general, el pilus de conjugación se retrae o despolimeriza juntando las dos bacterias. Una serie de proteínas de membrana codificadas por el plásmido conjugativo forma entonces un puente y una abertura entre las dos bacterias, ahora llamada par de apareamiento.

Usando el modelo de círculo rodante de replicación de ADN, una nucleasa rompe una cadena del ADN plasmídico en el origen del sitio de transferencia (ORit) del plásmido y esa cadena mellada ingresa a la bacteria receptora. La otra cadena permanece atrás en la célula donante. Tanto las cadenas plasmídicas donantes como las receptoras hacen entonces una copia complementaria de sí mismas. Ambas bacterias poseen ahora el plásmido conjugativo. Este proceso se resume en la Figura\(\PageIndex{6}\)).

Figura\(\PageIndex{6}\): Transferencia de Plásmidos Conjugativos. Paso 1: En bacterias Gram-negativas, el primer paso en la conjugación implica una conjugación pilus (pilus sexual o pilus F) en la bacteria donante que se une a una bacteria receptora que carece de un pilus de conjugación. Paso 2: Normalmente el pilus de conjugación se retrae o despolimeriza juntando las dos bacterias. Una serie de proteínas de membrana codificadas por el plásmido conjugativo forma entonces un puente y una abertura entre las dos bacterias, ahora llamada par de apareamiento. Paso 3: Usando el modelo de círculo rodante de replicación de ADN, una nucleasa rompe una cadena del ADN plasmídico en el origen del sitio de transferencia (oriT) del plásmido. La nucleasa también tiene actividad helicasa y desenrolla la hebra que se va a transferir. Paso 4: La cadena plasmídica mellada ingresa a la bacteria receptora. La otra cadena permanece atrás en la célula donante. Paso 5: Tanto la cadena plasmídica donante como la receptora hacen entonces una copia complementaria de sí mismas. Paso 6: Ambas bacterias poseen ahora el plásmido conjugativo y pueden hacer un pilus de conjugación.

Este es el mecanismo por el cual los plásmidos de resistencia (plásmidos R), que codifican la resistencia a múltiples antibióticos y la formación de pilus de conjugación, se transfieren de una bacteria donante a un receptor. Este es un gran problema en el tratamiento de infecciones gramnegativas oportunistas como infecciones del tracto urinario, infecciones de heridas, neumonía y septicemia por organismos como E. coli, Proteus, Klebsiella, Enterobacter, Serratia y Pseudomonas, así como con infecciones intestinales por organismos como Salmonella y Shigella.

También hay evidencia de que el pilus de conjugación también puede servir como un canal directo a través del cual se puede transferir ADN monocatenario durante la conjugación.

b. conjugación F ⁺

Esto da como resultado la transferencia de un plásmido F ⁺ que posee genes tra que codifican solo para un pilus de conjugación y la formación de pares de apareamiento de una bacteria donante a una bacteria receptora. Una cadena del plásmido F ⁺ se rompe con una nucleasa en el origen de la secuencia de transferencia (ORit) que determina dónde en el plásmido se inicia la transferencia de ADN sirviendo como el sitio de inicio de la replicación donde las enzimas de replicación del ADN cortarán el ADN para iniciar la replicación del ADN y transferencia. La cadena mellada ingresa a la bacteria receptora mientras que la otra cadena plasmídica permanece en el donante. Cada hebra hace entonces una copia complementaria. El receptor se convierte entonces en un macho F ⁺ y puede hacer un pilus sexual (ver 7A a 7D).

Además, los plásmidos movilizables que carecen de los genes tra para la autotransmisibilidad pero que poseen las secuencias oriT para el inicio de la transferencia de ADN, también pueden transferirse por conjugación. Los genes tra del plásmido F ⁺ permiten formar un par de apareamiento y las secuencias oriT del plásmido movilizable permiten que el ADN se mueva a través del puente conjugativo (Figura\(\PageIndex{5}\)).

c. Conjugación Hfr (recombinante de alta frecuencia)

La conjugación de Hfr comienza cuando un plásmido F ⁺ con genes tra que codifican para la formación de pares de apareamiento se inserta o se integra en el cromosoma para formar una bacteria Hfr. (Un plásmido que es capaz de integrarse en el nucleoide huésped se llama episoma). Luego, una nucleasa rompe una cadena del ADN del donante en la ubicación de origen de transferencia (ORit) del plásmido F ⁺ insertado y la hebra mellada del ADN donante comienza a ingresar a la bacteria receptora. El resto de la cadena de ADN no mellado permanece en el donante y hace una copia complementaria de sí misma.

La conexión bacteriana generalmente se rompe antes de que se complete la transferencia de todo el cromosoma por lo que el resto del plásmido F ⁺ rara vez ingresa al receptor. Como resultado, existe una transferencia de algún ADN cromosómico, que puede intercambiarse por una pieza del ADN del receptor mediante recombinación homóloga, pero no la capacidad de formar un pilus de conjugación y pares de apareamiento (ver Figura\(\PageIndex{8}\) A a 8E).

Ejercicio: Preguntas de Pensar Par-Compartir

1. Una cepa de Streptococcus pneumoniae viva que no puede hacer una cápsula se inyecta en ratones y no tiene ningún efecto adverso. Esta cepa se mezcla luego con un cultivo de Streptococcus pneumoniae muerto por calor que cuando estaba viva pudo hacer una cápsula y matar ratones. Después de un periodo de tiempo, esta mezcla se inyecta en ratones y los mata. En términos de transferencia horizontal de genes, describa lo que podría explicar esto.
2. Una bacteria gramnegativa que fue susceptible a los antibióticos más comunes de repente se vuelve resistente a varios de ellos. También parece estar extendiendo esta resistencia a otras de su tipo. Describir el mecanismo que más probablemente da cuenta de esto.

Resumen

1. La mutación es una modificación de la función génica dentro de una bacteria y, si bien permite que las bacterias se adapten a nuevos entornos, ocurre de manera relativamente lenta.
2. La transferencia horizontal de genes permite que las bacterias respondan y se adapten a su entorno mucho más rápidamente al adquirir grandes secuencias de ADN de otra bacteria en una sola transferencia.
3. La transferencia genética horizontal es un proceso en el que un organismo transfiere material genético a otro organismo que no es su descendencia.
4. Los mecanismos de transferencia bacteriana horizontal de genes incluyen transformación, transducción y conjugación.
5. Durante la transformación, un fragmento de ADN de una bacteria muerta y degradada ingresa a una bacteria receptora competente y se intercambia por un trozo de ADN del receptor. Normalmente esto involucra cepas bacterianas similares o cepas de la misma especie bacteriana.
6. La transducción implica la transferencia de un fragmento de ADN cromosómico o un plásmido de una bacteria a otra por un bacteriófago.
7. La conjugación es una transferencia de ADN de una bacteria donante viva a una bacteria receptora viva por contacto célula a célula. En bacterias Gram-negativas implica una conjugación pilus.
8. Un plásmido conjugativo es autotransmisible, es decir, posee genes de conjugación conocidos como genes tra que permiten a la bacteria formar un par de apareamiento con otro organismo, y secuencias oriT (origen de transferencia) que determinan dónde en el plásmido se inicia la transferencia de ADN.
9. Los plásmidos movilizables que carecen de los genes tra para la autotransmisibilidad pueden cotransferirse en una bacteria que posee un plásmido conjugativo.
10. 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, ya sea en la misma molécula de ADN o en una molécula diferente.
11. Los transposones conjugativos portan los genes que permiten formar pares de apareamiento para la conjugación.
12. La conjugación F ⁺ es la transferencia de un plásmido F ⁺ que posee genes tra que codifican solo para un pilus de conjugación y la formación de pares de apareamiento de una bacteria donante a una bacteria receptora. Los plásmidos movilizables pueden cotransferirse durante la conjugación F ⁺.
13. Durante la conjugación de Hfr, un plásmido F ⁺ con genes tra que codifican la formación de pares de apareamiento se inserta en el cromosoma bacteriano para formar una bacteria Hfr. Esto da como resultado una transferencia de algún ADN cromosómico del donante al receptor que puede intercambiarse por una porción del ADN del receptor a través de recombinación homóloga.