GENETICA BACTERIANA

Ereditatea reprezinta insusirea generala a tuturor vietuitoarelor de a transmite caracterele specifice speciei la urmasi.

Variabilitatea reprezinta modificarea zestrei ereditare a bacteriilor, ceea ce da nastere unor tulpini bacteriene noi, care prin virulenta si rezistenta la chimioterapice, se adapteaza mai bine conditiilor de mediu si inlocuiesc bacteriile mai putin adaptabile.

EREDITATEA LA BACTERII

Suportul material al ereditatii

Caracterele unei bacterii sunt determinate genetic. Exprimarea manifesta a acestor caractere constituie

fenotipul

Organizarea materialului genetic la bacterii

Genomul bacterian este alcatuit din repliconi, formatiuni genetice ce se pot replica independent:

- cromozomul bacterian

- elemente genetice extracromozomiale (plasmide; genomul bacteriofagilor);

- elemente genetice transpozabile (fragmente de insertie si transpozonii-Tn).

1. CROMOZOMUL BACTERIAN

Majoritatea genelor bacteriene se afla in cromozomul bacterian haploid, care codifica informatiile absolut necesare supravietuirii speciei in conditii normale.

Cromozomol de Escherichia coli este format din:

o molecula circulara dublu spiralata de ADN ce reprezinta 80% din greutatea lui;

o componenta proteica: ARN-polimeraza (reprezinta 10% din greutatea sa);

ARN_m si ARN_r in curs de sintetizare (10% din greutatea sa).

2. ELEMENTE GENETICE EXTRACROMOZOMIALE

Aceste elemente genetice sunt reprezentate de bacteriofagi si plasmide.

2.1. PLASMIDELE

Sunt formatiuni genetice autonome, extracromozomiale, libere in citoplasma, reprezentate de molecule circulare de ADN, care se replica independent de cromozom.

Denumirea lor a fost data in 1952 de catre Lederberg. Importanta lor practica a fost evidentiata in 1963 de catre Watanabe, care a demonstrat posibilitatea transmiterii prin plasmide a rezistentei la antibiotice a bacteriilor.

Plasmidele pot fi:

conjugative: plasmidele care se pot transfera singure la alte bacterii (ex. plasmida de rezistenta la antibiotice - plasmidul R);

neconjugative: plasmidele care nu pot parasi ele singure bacteria de origine, ci numai prin intermediul unui alt plasmid conjugativ sau a unui bacteriofag (ex. plasmidul ce codifica secretia de b-lactamaza la stafilococul aureu);

episomi: plasmidele care se pot integra (prin recombinare) in cromozomul bacterian, pierzandu-si astfel autonomia de replicare (ex. factorul de sex F - plasmidul F - factor de fertilitate).

Determinantii genetici de la nivelul plasmidelor sunt: esentiali (codifica informatiile legate de replicarea autonoma) si accesorii (care codifica caractere fenotipice neesentiale supravietuirii celulei bacteriene in conditii naturale). Exemple de determinanti genetici accesorii: gene de transfer (tra); gene de secretie a unor toxine; gene de rezistenta la antibiotice (factor R); gene de rezistenta la unii ioni si compusi organo-metalici; gene pentru secretia colicinelor (factor col); gene de metabolizare a unor substraturi.

Unele plasmide nu au efect manifest fenotipic. Acestea sunt plasmidele criptice.

Plasmide importante pentru practica medicala: plasmidele de virulenta, plasmidul care confera bacteriei rezistenta la antibiotice (plasmidul R), plasmidul F.

Plasmidele de virulenta: au determinanti genetici ce determina sinteza unor factori de virulenta la bacterii. Exemple: secretia de enterotoxina (termolabila si termostabila) la Escherichia coli; factori de colonizare la Escherichia coli; hemolizina (stafilococul aureu, streptococul faecalis, Eschirichia coli ); exfoliatina la stafilococul aureu; invazivitatea la Shigella.

Plasmidele de rezistenta la chimioterapice -R-: sunt molecule circulare de ADN, ce contin 2 regiuni: genele care codifica rezistenta la antibiotice R, unice sau multiple, si genele care confera plasmidului capacitatea de a se transfera -FTR. Rezistenta de natura plasmidica este intalnita in proportie de peste 90% la tulpinile din spital (Escherichia coli, Shigella, Salmonella, Proteus).

Plasmidul F (plasmidul de sex, factorul de fertilitate) contine genele de transfer tra. Plasmidul F se poate transmite, prin conjugare, altor celule bacteriene. El se poate integra in cromozomul bacterian putand media transferul de gene cromozomiale de la o celula bacteriana donor la receptor.

In functie de factorul F bacteriile se impart in:

bacteria F^-: lipsite de factor F (celule femele, receptoare de material genetic);

bacteria F⁺: masculine, au factor F; sunt celule donatoare;

bacteria Hfr. (high frequency of recombination): au factorul F integrat in cromozom; sunt celule masculine;

bacteria F^γ: au factorul F⁺ ca plasmid autonom, dupa ce acesta a fost integrat in cromozom si l-a parasit rupand un fragment ADN din cromozom; sunt celule donoare masculine.

VARIABILITATEA LA BACTERII

Bacteriile respecta aceleasi legi ale ereditatii, unitare lumii vii, cu unele particularitati dictate de organizraea materialului genetic. Astfel, in timpul diviziunii succesive, toti descendentii unei bacterii sunt identici intre ei si identici cu celula din care provin.

Variabilitatea la bacterii poate fi explicata prin:

variatia fenotipica: reprezinta schimbarea unor insusiri bacteriene ca adaptare la conditiile mediului inconjurator, fara sa intervina vreo modificare in genomul bacterian;

variatia genotipica rezulta din modificarea genomului.

In 1943 s-a dovedit faptul ca modificarile proprietatilor unei populatii bacteriene sunt rezultatul unor variatii rare la un numar mic de celule care se selecteaza si dau nastere unei populatii noi.

Variabilitatea la bacterii se realizeaza prin: mutatii, transfer de material genetic si transpozitie.

1. MUTATIA

Mutatia reprezinta modificarea spontana a genomului bacterian, modificare ce consta in schimbarea secventei de nucleotide dintr-o gena. Ele pot fi: punctiforme, inversii, deletii, insertii, mutatii secundare.

1.1. Mutatiile punctiforme afecteaza un singur nucleoid in cadrul unei gene si sunt reversibile. Consecinte:

inlocuirea unui codon cu altul duce la inlocuirea unui aminoacid cu altul in structura unui polipeptid. Aceste mutatii sunt numite mutatii in sens gresit;

aparitia unui codon nonsens. Mutatia nonsens impiedica sinteza in continuare a unui polipeptid, iar daca ea se produce la inceputul genei ce codifica un polipeptid se numeste mutatie polara si acesta nu se va mai sintetiza deloc.

1.2. Insertia si deletia inseamna adaugarea, respectiv pierderea a 2 pana la sute sau chiar mii de nucleotide, procesul fiind ireversibil. Acest tip de mutatie duce la modificarea importanta a secventei de aminoacizi, fiind denumita mutatie cu schimbare de proiect.

1.3. Mutatii secundare sunt de 2 feluri: mutatii reverse, care restabilesc o secventa nucleotidica ce s-a modificat si mutatii supresoare, ce permit exprimarea functiei anterioare a unei gene care a suferit o mutatie, fara restabilirea codonilor initiali. Aceasta datorita sintezei unui ARN_t care stie sa citeasca un codon nonsens.

Rata de mutatie reprezinta raportul dintre frecventa si unitatea de timp. Este rara si variaza de le gena la gena intre 10^-6 si 10^-l0.

Consecintele mutatiilor duc la aparitia unor indivizi cu caractere noi, cum ar fi:

rezistenta la chimioterapice

structura antigenica modificata

pierderea unor receptori specifici pentru bacteriofagi

pierderea capacitatii de sinteza a unui metabolit

Din punct de vedere medical intereseaza in mod deosebit mutatia spre chimiorezistenta, care se poate produce:

dintr-o data - one step (bacteria devine rezistenta brusc, peste noapte, la un antibiotic);

in mai multe etape - multi step (se produc mutatii multiple, succesive, pana ia nastere o mutanta rezistenta la concentratii crescute de antibiotic).

Mutatiile naturale sunt rare. Mutatiile induse sunt determinate de agenti mutageni: radiatii X, UV, derivati acridinici, agenti alchilanti. Acesti agenti selecteaza mutanta pentru ca aceasta sa se transforme intr-o populatie bacteriana cu proprietati noi, pot duce la pierderea integrala a unui plasmid, printr-o modificare ce produce deficiente ale mecanismului de replicare, astfel incat plasmidele nu vor mai fi mostenite de celulele fiice.

2. TRANSFERUL DE MATERIAL GENETIC

Se realizeaza intre 2 celule bacteriene, una denumita donor, cealalta receptor, prin procese ca: transformarea, transductia, conjugarea.

2.1. TRANSFORMAREA

Reprezinta transferul de material genetic de la o celula donor la una receptor, sub forma de ADN pur, eliberat prin liza celulei donor sau prin extractie chimica.

2.2. TRANSDUCTIA

Reprezinta un transfer de gene cromozomiale de la o celula bacteriana la alta, mediat de bacteriofagi (ura 2).

Unii bacteriofagi sunt capabili sa transfere orice gena bacteriana (transductie generalizata) sau pot transfera numai anumite gene (transductie specializata).

ura 2: Transductia (dupa Murray, Drew, Kobayashi, 1990)

Transductia generalizata este mediata de fagi litici, care, dupa patrunderea in celula bacteriana, se multiplica si determina liza celulei gazda.

In timpul lizei celulei bacteriene cromozomul acesteia se fragmenteaza. Se poate intampla ca unul dintre aceste fragmente, cu o dimensiune apropiata de cea a genomului fagic, sa se integreze in capsula bacteriofagului, in locul genomului fagic.

Acesti bacteriofagi sunt defectivi si nu se vor mai putea replica, dar pot patrunde in alte celule bacteriene, injectandu-le ADN, ce provine din cel al celulei donoare. ADN se va integra in cromozomul celulei receptoare prin recombinare, rezultand caractere noi ca modificari patogenice bacteriene, rezistenta la chimioterapice.

Transductie specializata este mediata de fagii temperati.

Dupa patrunderea in celula bacteriana a ADN bacteriofagului temperat, ADN sufera un proces de circularizare dupa care se insera in cromozom prin recombinare sub forma de profag (pe baza homologiei intre 10 perechi de baze ale ADN fagic si bacterian). Profagul devine parte integranta a cromozomului bacterian, se va replica odata cu acesta, deoarece este supus unui proces de represie din partea genomului gazda.

2.3. CONJUGAREA

Reprezinta transferul de material genetic de la o bacterie donoare la una receptoare printr-un proces de imperechere, ce se realizeaza prin contactul direct dintre cele 2 celule. Astfel se pot transmite plasmide si gene cromozomiale (prin intermediul factorului F⁺).