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Neurofisiologia

MICROBIOLOGIA

BACTERIOLOGIA

GENÉTICA BACTERIANA

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INTRODUÇÃO

O genoma bacteriano é a coleção total de genes portados por uma bactéria, que

pode ser dividido em genes cromossômicos como extracromossômicos.

• Genes: sequências de nucleotídeos que tem função biológica (ex. genes de

proteinas estruturais)

Cromossomo é a estrutura que contém as informações genéticas essenciais de um

ser vivo em forma de sequência de nucleotídeos.

• Haploides: cromossomos únicos (ex: maioria das bactérias)

• Diploides: pares de cromossomos idênticos (ex.: humanos)

Outro conceito importante é o de réplicon, são estruturas de DNA que contém a

informação genética necessária para à sua própria replicação.

CROMOSSOMA

Nas bactérias são geralmente únicos (haploides), organizados, em sua maioria,

na forma de DNA fita dupla circularizado.

A replicação do genoma bacteriano começa em um ponto e prossegue em

ambas as direções, com a formação de forquilhas de replicação. A replicação começa

no locus ori (origem) e termina na posição oposta no locus ter.

As topoisomerases atuam cortando as fitas para aliviar a tensão do

enovelamento decorrente da replicação e estender a molécula, essa enzima, única das

bactérias, é alvo de antibióticos.

ELEMENTOS GENÉTICOS MÓVEIS

Os elementos genéticos móveis garantem a bactéria diversidade genética,

disseminação de resistência e virulência, são eles:

• Plasmídeos

• Transposons

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• Integrons

• Ilhas genômicas PLASMÍDEO

É um DNA extra cromossômico de fita dupla cerca de 30 a 50 vezes menor que o

cromossomo. Replica-se de forma independente do cromossoma e contém

informações genéticas adicionais não essenciais (ex.: genes de resistência

antimicrobiana, virulência, etc). Seu tamanho e número de cópias por célula é variável.

O plasmídeo encontra-se no citoplasma ou integrado ao cromossoma

(epissoma). A conjugação é o principal mecanismo de transferência de plasmídeos.

Plasmídeos não são estruturas obrigatórias.

Os plasmídeos podem conferir às células bacterianas:

• Resistência antimicrobiana (plasmídeo R)

• Fertilidade (capacidade de efetuar a conjugação - plasmídeo F)

• Bacteriocinas (substancias que agridem outras bactérias com o intuito de

diminuir a competição)

• Virulência

TRANSPOSONS

São sequencias de genes móveis, incluindo em sua estrutura os genes

necessários para sua migração de um locus gênico para outro. A migração pode ocorrer

de um cromossomo para outro, como entre cromossomos e plasmídeos. Os

transpósons não contêm informações genéticas necessárias para replicar-se

autonomamente. Sua expressão depende da presença de um réplicon na estrutura em

que se insere. Ao translocarem-se, podem eventualmente criar mutações de inserção,

os transpósons são os maiores responsáveis por esse tipo de mutação.

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Uma sequência de inserção (IS) compõe estruturalmente um transpóson. A IS

apresenta um gene tnp, que codifica transposase (enzima responsável pela

translocação do gene) flanqueado por sequências de nucleotídeos inversamente

repetidos, sequências estas que marcam o corte realizado pela transposase para a

translocação.

Um transposon composto é aquele que contém um gene que será transportado

entre as IS que, quando cortadas da molécula, o carregam consigo, podendo este ser

um gene de virulência ou de resistência.

Image available on: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2874221/

INTEGRON

São estruturas genéticas móveis presentes nas gram-negativas, importante para

a disseminação de resistência. O integron apresenta o gene int que codifica uma

enzima integrasse, uma região promotora e um locus attI que a integrase identifica e

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insere os genes do cassete. O integron pode estar no cromossomo ou no plasmídeo

bacteriano.

Um cassete é um conjunto de genes, organizados de forma circular, com um

locus attC, que pode estar no citoplasma celular e não é expresso pois não apresenta

um promotor. integrase realiza cortes nas regiões attI e attC, integrando as unidades

pelas extremidades cortadas e inserindo o cassete no integron

ILHAS GENÔMICAS

As ilhas genômicas são grupos de genes encontrados no DNA capazes de

determinar algumas características específicas, como no caso das:

• Ilhas de resistência

• Ilhas de patogenicidade

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• Ilhas metabólicas

Quando as ilhas genômicas estão em plasmídeos elas podem ser transportadas

para outras bactérias por conjugação, sendo assim um elemento móvel.

ALTERAÇÕES GENÔMICAS

As alterações que ocorrem no genoma podem se dar por mutações ou por

transferência de genes (transformação, conjugação, transdução).

Mutações

São alterações herdáveis na sequência de bases do DNA. Podem ser

espontâneas, geralmente se dão por erros na replicação do DNA, pois as células

bacterianas não apresentam os mesmos mecanismos de reparo da replicação que a

célula eucariota; essas alterações não são tão frequentes. As mutações podem ser

induzidas por agentes mutagênicos como agentes químicos, físicos ou biológicos (Ex.:

análogos de bases nitrogenadas, radiação, transpósons).

As mutações são pontuais, os tipos de maior relevância são:

• Deleção: caracterizada pela remoção de nucleotídeos de um gene

• Substituição: mutação que ocorre quando um nucleotídeo é substituído por

outro

• Inserção: caracterizada pela inserção de pares de bases extras no material

genético

• Inversão: é quando em uma parte do cromossomo ocorrem duas fraturas, e que

logo em seguida os fragmentos são restaurados, porém em posição inversa

Uma célula mutante contém um genótipo diferente da célula parenteral (selvagem)

e mesmo assim, essa célula é capaz de apresentar-se com o mesmo fenótipo ou com

fenótipo diferente. Isso ocorre, por exemplo com uma mutação silenciosa, em que a

alteração do DNA não altera o aminoácido a ser sintetizado. Nos casos de mutações

maiores, o resultado será um genótipo e fenótipo diferentes. Nas mutações sempre há

alterações de genótipo.

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Exemplo:

Transferência de genes

As células bacterianas se reproduzem de forma assexuada por fissão binária, o

que reduz a variabilidade genética de maneira importante entre as gerações.

Entretanto, mutações e recombinação genética são elementos que aumentam a

variabilidade genética destes procariontes. recombinação genética nada mais é do que

a troca de material genético para formar novas combinações de genes em um

cromossomo. Esta pode se dar pode meio de transformação, conjugação e transdução.

Transformação

Na transformação, o DNA na forma livre é incorporado por uma célula receptora.

Pode ocorrer com bactérias gram-positivas ou gram-negativas (ex. S. pneumoniae, N.

gonorrhoeae, H. influenzae). A capacidade que as bactérias apresentam de incorporar

DNA livre de forma espontânea se dá devido à presença e expressão de genes

específicos para essa atividade, chamada competência. 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

os fatores 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 através de:

• Aumento da concentração de sais e diminuição da temperatura

• Eletroporação (pulsos elétricos)

• Experimentos de engenharia genética

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O experimento de Griffth (1928) demonstrou o princípio genético da transformação.

Griffth isolou várias linhagens diferentes de S. Pneumoniae:

• Linhagem smoth: Formas virulentas (causadoras da doença) - bactéria

circundada por uma capa de polissacarídeo.

• Linhagem Rough: Formas não virulentas - mutação das formas virulentas, não

tinham capa de polissacarídeo.

O experimento

< By No machine-readable author

provided. Madprime assumed (based on

copyright claims). - No machine-readable

source provided. Own work assumed

(based on copyright claims)., CC BY-SA 3.0,

https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1819839>

As bactérias que estavam vivas (descapsuladas) foram capazes de incorporar

material genético das que estavam mortas (capsuladas) e produziram cápsula. O

processo se dá da seguinte maneira: a bactéria doadora sofrerá lise e liberará seu

material genético. A bactéria receptora é capaz de captar o DNA livre no meio através

de proteínas de ligação ao DNA. Ao entrar na célula, esse DNA fita dupla terá uma de

suas fitas degradada por uma endonuclease bacteriana, a fita simples restante ligar-se-

á a proteínas de ligação ao DNA fita simples no citoplasma para que esta fique

protegida da ação das endonucleases. A fita é encaminhada ao cromossoma e

integrada ao DNA bacteriano pela ação da proteína RecA.

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A competência pode ser induzida através de:

• Aumento da concentração de sais e diminuição da temperatura

• Eletroporação (pulsos elétricos)

• Experimentos de engenharia genética

Inserindo-se artificialmente genes em bactérias através dos métodos citados, é

possível induzir a produção de alguma característica ou substância desejada.

Conjugação

É a transferência de genes que envolve o contato entre duas células. A

conjugação ocorre entre diferente gêneros e espécies, principalmente nas gram-

negativas.

Nas gram-negativas, é a presença do plasmídeo F, sequencia genética que

codifica proteínas necessárias para a formação de um pilus sexual, que permite a

transferência de plasmídeos (conjugativos ou outros) da célula doadora (“macho”)

para uma célula receptora (“fêmea”). A conjugação depende da expressão do

plasmídeo F pela célula doadora. As bactérias gram-positivas não apresentam pilus

sexual para conjugação.

O plasmídeo F, além de conter genes que sintetizam o pilus sexual, é capaz de

produzir enzimas que separam a fita dupla do plasmídeo e o transferem para outra

célula. Ao mesmo tempo que uma fita é transferida, as fitas originais sofrem

duplicação, de modo que no fim da conjugação, ambas as bactérias apresentem o

mesmo plasmídeo F e têm a capacidade de serem doadoras. Podem ser transferidos

outros plasmídeos junto com o conjugativo.

Epissoma é o plasmídeo integrado ao cromossoma da célula, este plasmídeo

também pode ser clivado e transferido via conjugação, porém, nesse processo pode

ocorrer a transferência de regiões do cromossoma adjacentes ao plasmídeo.

Aumentando a variabilidade genética.

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Nas gram-positivas a conjugação não envolve o pilus sexual. Envolve

ferormônios produzidos pela célula receptora que criam um mecanismo de quimiotaxia

para o doador, o que leva à agregação das células e passagem do material genético.

Transdução

É a transferência de DNA de uma célula para outra por meio de um vírus. Uma

partícula transdutora pode ser considerada o ácido nucleico bacteriano em um

envoltório de bacteriófago. A transdução ocorre em gram-positivas e gram-negativas,

mas não em todas as espécies. Os tipos de transdução são:

• Generalizada: ocorre com bacteriófagos líticos, que rompem a célula

hospedeira. Ao inserir seu material genético na bactéria, começa a replicação

viral utilizando a maquinaria do hospedeiro. A montagem dos vírus no interior

do hospedeiro pode ocorrer com a captação de DNA bacteriano fragilizado no

processo de infecção viral, fragmentos de cromossoma bacteriano substitui o

genoma viral na montagem dos vírus e tais partículas agora carregam o material

genético bacteriano para outras células.

• Especializada: ocorre com vírus temperados, envolvendo um ciclo lisogênico. Os

bacteriófagos temperados fazem com que seu material genético seja

incorporado ao genoma da bactéria que infectam, à medida que a bactéria se

divide, elas transmitem o material viral para células filhas. Nesse caso, os vírus

assumem um estado de latência. O ciclo lisogênico pode ser interrompido e

pode dar início a um ciclo lítico, com replicação viral e incorporação de

segmentos de DNA viral com fragmentos de DNA bacteriano adjacentes.

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<By CNX OpenStax -

http://cnx.org/contents/GFy_h8cu@10.53:rZudN6XP@2/Introduction, CC BY 4.0,

https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=49931204>

A diferença crítica entre os dois tipos de transdução é que a generalizada

envolve a transferência de pedaços aleatórios de DNA bacteriano e a especializada

envolve apenas transferência de genes imediatamente adjacentes ao sítio de

integração do prófago.

Questões

1) Assinale a alternativa que não compreende uma característica do genoma

bacteriano

a) São, em sua maioria, DNA fita dupla, haploides, circularizados

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b) Sua replicação se dá de forma bidirecional através das forquilhas de

replicação

c) Plasmídeos contém genes que codificam proteínas essenciais bacterianas

d) Topoisomerases são enzimas que atuam aliviando a tensão resultante da

replicação do genoma, sendo alvo de antibióticos

COMENTÁRIO: plasmídeos geralmente contém genes não essenciais para a

bactéria, como alguns genes de virulência, resistência bacteriana, entre outros.

2) Compreendem elementos genéticos móveis bacterianos:

a) Transpósons

b) Ilhas genômicas

c) Integrons

d) Conjugação

COMENTÁRIO: apesar da conjugação contribuir com a variabilidade genética das

células bacterianas, permitindo a troca de material genético entre células, esta

não é um elemento genético móvel. Trata-se de um dos mecanismos pelo qual a

transmissão dos elementos genéticos móveis pode ocorrer.

3) Quanto aos transpósons, assinale a alternativa incorreta:

a) São sequencias de genes móveis, incluindo em sua estrutura os genes

necessários para sua migração de um locus gênico para outro

b) Os transpósons não são capazes de se autorreplicar, dependendo de

réplicons para tal.

c) Sua translocação gera mutações de inserção

d) Uma sequência de inserção (transpóson composto) apresenta um gene que

codifica a enzima transposase entre sequências de nucleotídeos

inversamente repetidos

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COMENTÁRIO: A definição trazida pela letra D estaria correta caso tratasse de

um transpóson simples. O transpóson composto é aquele que entre as

sequencias de inserção apresenta genes que serão transportados após a ação

das transposases.

4) Correlacione os itens abaixo:

I. Plasmídeo

II. Transposon

III. Integron

IV. Bacteriófago

1. Estrutura viral capaz de transportar material genético entre células

bacterianas

2. DNA dupla fita, extra-cromossômico, geralmente circular, que contém genes

não essenciais.

3. Sequencia genética codificadora de integrases capazes de inserir cacetes,

conjuntos de genes circulares citoplasmáticos que não apresentam

promotores, em cromossomas ou plasmídeos

4. Genes móveis contendo sequências de inserções capazes de clivar o material

genético e que podem deslocar consigo outros genes localizados entre as

tais

Qual alternativa faz a correta associação

a) I – 2; II – 4; III – 3; IV – 1;

b) I – 1; II – 4; III – 3; IV – 2;

c) I – 4; II – 1; III – 3; IV – 2;

d) I – 2; II – 3; III – 4; IV – 1;

COMENTÁRIO: A sequência que traz a correlação mais adequada dos conceitos

é a letra A

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5) Quanto ao processo de conjugação bacteriana, assinale a alternativa incorreta:

a) É a transferência de genes que envolve o contato entre duas células, ocorre

principalmente entre gram-negativas

b) A presença do plasmídeo F, permite a transferência de plasmídeos de uma

célula para outra através de um pilus

c) Quando epissomas são transportadas através de conjugação, pode haver a

transferência de genes cromossômicos não epissomais durante o processo

d) A conjugação entre as bactérias gram-positivos envolve ferormônios

produzidos pela célula receptora que criam um mecanismo de quimiotaxia

para o doador.

COMENTÁRIO: A conjugação entre os gram-negativos é mais comum e se da,

em sua maioria, pela presença do plasmídeo F que codifica um pilus pelo qual o

material genético é transportado. O mecanismo descrito na letra D é o principal

entre as bactérias gram-positivas.