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INTRODUCCIÓN
La recombinación consiste en la producción de
nuevas combinaciones genéticas a partir de las
generadas inicialmente por la mutación. Dos
moléculas de ADN que posean distintas mutaciones
pueden intercambiar segmentos y dar lugar a la
aparición de nuevas combinaciones genéticas. Las
bacterias y los virus, al igual que los organismos
eurcarióticos también tienen mecanismos de
recombinación. En el caso de las bacterias existen
tres mecanismos de recombinación: transformación,
conjugación y transducción. La existencia de estos
mecanismos permite la construcción de mapas
genéticos en bacterias.
• Transformación: en determinadas condiciones fragmentos de ADN
exógeno pueden entrar en el interior de las bacterias. El ADN exógeno
puede intercambiar segmentos con el ADN del cromosoma principal
bacteriano.
• Conjugación: transferencia del material hereditario (ADN) de una bacteria
donadora a otra receptora. Requiere el contacto físico entre las dos
estirpes bacterianas, la donadora y la receptora. El contacto físico se
establece a través de los pili-F de la bacteria donadora formándose un
tubo de conjugación. El ADN de la bacteria receptora puede intercambiar
segmentos con el ADN de la donadora.
• Transducción: no necesita del contacto físico entre dos estirpes
bacterianas. El vehículo o vector que transporta ADN de una bacteria a
otra es un virus.
• Al igual que las bacterias, también existen mecanismos que originan
recombinación en virus. Cuando dos virus diferentes infectan a la misma
bacteria, sus ADNs pueden intercambiar segmentos y, como consecuencia,
pueden aparecer partículas virales recombinantes con nuevas
combinaciones genéticas.
TRANSFORMACIÓN
• En determinadas condiciones fragmentos de ADN exógeno o ADN
transformante (tamaño superior a 3 x 105 dalton y longitud comprendida
entre 5 x 106 y 15 x 106, que equivale a 200.000 pares de bases) con
estructura helicoidal intacta pueden unirse a células bacterianas
competentes y entrar en su interior. La entrada de estos segmentos
necesita de la presencia de iones de k+, Mg++ y Ca++. El ADN entra en el
espacio periplasmático, entre la pared celular y la membrana plasmática,
allí una endonucleasas corta las dobles hélices en fragmentos de menor
tamaño, posteriormente se degrada una de las dos hélices, de manera
que lo que entra en el citiplasma es ADN de una hélice (monocatenario).
Estos fragmentos de ADN monocatenario o ADN transformante pueden
sustituir a fragmentos de ADN homólogo del cromosoma principal
bacteriano mediante un mecanismo especial de recombinación. La
recombinación genética tiene lugar entre el ADN transformante y el ADN
de la bacteria receptora y se detecta por la aparición de bacterias
descendientes transformadas para algún carácter.
En bacterias, la transformación refiere a un cambio genético estable
producido al incorporar ADN desnudo (ADN sin células o proteínas
asociadas), y la competencia refiere al estado de ser capaz de incorporara
ADN exógeno del ambiente.
Competencia
Algunas bacterias (cerca del 1% de todas las especies)son capaces de
incorporar de manera natural, ADN bajo condiciones de laboratorio; y
muchas mas pueden ser capaces de hacerlo en sus ambientes naturales.
Estas especies traen un conjunto de maquinaria genética específica para
llevar el ADN a través de la membrana o membranas.
Transformación Tipos
El ADN transformante, puede ser:
•
ADN de plasmido.
El plasmido no se integra en el cromosoma, ya que posee su propio origen
de replicación. Se replican en coordinación, cuando se replica, el ADN
cromosómico se fragmenta, transformándose tan solo algunos cachos,
que luego entrarán en la bacteria receptora. Para que las bacterias sean
capaces de introducir ADN en su interior deben estar en estado de
competencia; algunos lo poseen de forma natural, pero en general
debemos inducirles este estado tratándolas con ClNa, en frío, y
sometiéndolas a un choque térmico de 0º-42º.
•
ADN cromosómico.
Una bacteria posee receptores donde se acopla el ADN, que se
desnaturaliza en sus dos cadenas al entrar, una cadena se asocia con la
zona homologa de la bacteria y se degrada por enzimas que hay en las dos
cadenas. El ADN se aparea con el cromosoma normal y el otro con el otro
con el ADN del híbrido.
DIFERENCIA: el ADN entra por unos receptores que deben estar activados;
en el ADN cromosómico, podemos usar 2 ó 3 marcadores, el fragmento de
ADN que entra tiene de 10-20 kilobases.
TRANSDUCCIÓN
Es un mecanismo de recombinación genética en bacterias, que está
mediado por un virus bacteriano denominado bacteriófago=fago. En este
proceso, la célula dadora es en primer lugar infectada por un fago. Se
forma así una partícula viral que está defectuosa, y que contiene parte
del ADN del fago y parte del ADN de la bacteria. Ahora, esta partícula
viral se llama partícula transductora y es capaz de infectar a una bacteria
receptora. De esta manera hay una transmisión de ADN de una bacteria
dadora a una bacteria aceptora, a través de un fago. Un fago que infecta
a una bacteria forma lo que se denomina partícula viral, que está
constituido por una cápsida de proteínas y en su interior está el genoma
viral (la mayoría de bacterias tienen ADN de cadena doble). Cuando un
fago infecta a una bacteria, tiene lugar lo que se llama el ciclo de
replicación viral, cuyo objetivo es la formación de numerosas partículas
virales. Este ciclo de replicación viral finaliza normalmente con la lisis de la
bacteria. Por eso también se le llama ciclo lítico.
Para que un fago infecte a una bacteria, tiene que ocurrir que
este fago se una a la superficie de la bacteria. Es una unión
específica y está regulada por receptores que se encuentran en
la superficie de la bacteria y reconocen de forma específica
proteínas de la cápsida. Después de la unión, tiene lugar la
penetración del ADN viral. A continuación, el ADN del fago se
multiplica dentro de la bacteria, mientras que normalmente el
ADN de la bacteria es degradado. Cuando se ha multiplicado el
ADN viral, se sintetizan las proteínas de la cápsida del virus.
Después, tiene lugar el ensamblaje de las proteínas de la cápsida
y el ADN viral, formándose nuevas partículas virales. Finalmente,
la bacteria se rompe y se liberan las partículas virales, que
pueden volver a infectar nuevas bacterias. Durante el ciclo de
reproducción del fago, se forma una partícula defectuosa
dentro de la bacteria, que contiene parte del ADN del fago y
parte de la bacteria. Se llama a esta partícula, partícula
transductora. Esta partícula puede infectar a otras bacterias.
Las partícula transductora es defectuosa porque no tiene
completo el ADN viral, por lo que al infectar a otra bacteria no
se puede reproducir, no tiene información suficiente para
todas las partes. Pero las proteínas de la cápsida son
normales, por lo que la partícula transductora puede unirse a
los receptores de la superficie de la pared de la bacteria e
introducir el ADN en su interior (pero es un ADN que no es
completo).
Con este proceso, la bacteria receptora recibe un fragmento
de ADN de una bacteria dadora. Si este fragmento de ADN
exógeno es complementario con el del ADN de la bacteria,
hay apareamiento y recombinación entre ambas moléculas de
ADN.
El ciclo lítico ocurre cuando el material genético del virus (virus virulento) penetra (a,b) en la
célula huésped y comienza a fabricar nuevos virus (c,d). Para ello, 1º transcribe genes
tempranos que estimulan la replicación del genoma viral. Luego, genes tardíos codifican la
síntesis de proteínas para empaquetar el cápside y lisar la célula huésped. Eventualmente los
nuevos virus causan la ruptura o lisis (e) de la célula y continúan el ciclo infeccioso (f) .
La transducción es el fenómeno por el cual una porción del ADN del huésped es
transferido de una célula a otra por un virus (ver abajo, fig. a,b,c,e). Algunos
bacteriófagos son "temperados" o atenuados dado que tienden a ser lisogénicos mas
que líticos.
Estos tipos de virus estos virus son capaces de transducir fragmentos de ADN.
Transducción generalizada:
La degradación del cromosoma bacteriano durante el ciclo lítico,
posibilita el que algunos trozos de este cromosoma (siempre que
sean de la longitud correcta), sean empaquetados por error dentro
de cápsidas víricas, lo que provocará que cuando este fago vuelva a
infectar una bacteria, introduzca el fragmento erróneo de
cromosoma. Así es como se produce la transducción. Este tipo de
fagos se denomina fagos transductantes y los cuales, aunque son
minoritarios (1/100000), cuando infectan nuevas bacterias, pueden
producir la integración de los marcadores genéticos que llevan en el
cromosoma bacteriano receptor y generar bacterias transductantes.
Como en la conjugación, estas bacterias recombinantes se producen
por doble entrecruzamiento entre el segmento de DNA dador y la
región homóloga del cromosoma receptor.
El fragmento de DNA introducido en la bacteria es, de, diferente al de
la propia bacteria infectada, produciéndose recombinación entre los
marcadores, lo que nos lleva a obtener un diploide parcial. Hablamos
de transducción generalizada porque teóricamente puede
transducirse cualquier fragmento del cromosoma bacteriano.
Transducción especializada:
Se da gracias a la acción de algunos fagos que se insertan en
regiones concretas del cromosoma bacteriano, de forma que
solamente pueden transducir genes que se encuentran
alrededor de estos.
La escisión posterior suele ser precisa, de forma que suele
reconstruirse el fago, pero puede ocurrir que el punto de
entrecruzamiento no se de entre las regiones comentadas,
sino entre otras, originándose un DNA circular anormal.
Puede entonces perderse una parte del cromosoma del fago,
pero en cambio se gane un trozo del cromosoma bacteriano .
Así obtendremos una progenie de fagos transductantes, los
cuales han perdido una parte de los genes esenciales para el
establecimiento del ciclo lítico. Estos fagos necesitarán la
ayuda de fagos no defectuosos ayudantes, gracias a los cuales
suplirán las funciones requeridas para replicarse activamente.
CONJUGACIÓN
Es un mecanismo de recombinación en bacterias que requiere el contacto
directo entre dos bacterias. Es un proceso polarizado, es decir, siempre va
en la misma dirección, por lo que hay células dentro de una población de
bacterias que siempre actúan como dadora, F + o Fertilidad +, y luego hay
otras que actúan siempre como aceptoras, F - o Fertilidad -.
Sólo las células F + contienen un plásmido llamado factor F. Durante la
conjugación, tiene lugar la copia y transferencia del factor F desde la célula
F + a la F -. Así, al final de la conjugación se obtienen dos bacterias F +, la
que era F + sigue conservando el plásmido y la F - se transforma porque
adquiere el factor F. Este mecanismo de recombinación en bacterias es
muy importante porque también se van a transferir los caracteres
genéticos que están codificados en el factor F. Entre los caracteres puede
haber en un factor F, se encuentran por ejemplo, los que confieren
resistencia a los antibióticos. Así, si un individuo de la población presenta
resistencia a los antibióticos, esta proporción se va a extender a toda la
población.
Las etapas de la conjugación son:
- Contactos entre bacterias F + y F - a través de las fimbrias. Los genes para
la formación de estas fimbrias, está en el factor F, por lo que sólo van a
poder tener estas estructuras las F +.
- Movilización del plásmido, que consiste en la rotura de una de las dos
cadenas del factor F, en una secuencia determinada. La enzima que corta
el ADN es una endonucleasa que también está codificada por el factor F.
Una vez que tiene lugar la rotura de la cadena, se da la replicación o
duplicación de la cadena que permanece cerrada. Esto causa el
desplazamiento de la cadena abierta y que es transferida a la célula
receptora a través de la fimbria. Cuando se acaba esto, tenemos que la
célula que era F + conserva el factor F completo y la F - ha recibido una
cadena del plásmido. Replicación de la cadena transferida. Se rompe el
contacto entre las células y al final las bacterias son F +. El factor F tiene
una propiedad, se puede integrar en el cromosoma de la bacteria. Así, una
bacteria que tiene el factor F integrado en el cromosoma, se dice que es
una bacteria Hfr (alta frecuencia de recombinación).
El factor F (de fertilidad) de E. coli es un plásmido presente en las células
F+ dadoras (machos) y puede ser transferido a las células F- (hembras)
receptoras; estas células pueden transformarse en F+ y transferir, a su vez,
el factor F. Cuando el factor F se integra al cromosoma de una célula de E.
coli (transformándolas en una célula Hfr), parte del cromosoma o (en raras
ocasiones) todo el cromosoma puede ser transferido a otra célula de E.
coli por conjugación. En el momento de la transferencia, el cromosoma se
replica por el mecanismo de círculo rodante y una copia de DNA de
cadena simple entra a la célula receptora linealmente, de modo que los
genes bacterianos penetran uno tras otro, en una secuencia fija. Luego se
sintetiza la cadena complementaria. Como la velocidad a la cual los genes
bacterianos entran en la célula receptora es constante a una temperatura
dada, la separación a intervalos regulares de las células que se conjugan
permite mapear el cromosoma bacteriano.
Una célula F+ se convierte en una célula Hfr cuando el plásmido F se
inserta en su cromosoma.
Una cadena única de DNA se mueve desde la célula dadora hacia la célula
receptora, donde posteriormente se sintetiza su cadena complementaria
(líneas punteadas en el cromosoma de la célula receptora
A medida que la cadena de DNA se transfiere, la cadena de la célula dadora
"gira" en sentido contrario a las agujas del reloj, exponiendo los nucleótidos
desapareados. Éstos sirven como molde para la síntesis de una cadena
complementaria de DNA (líneas punteadas, célula dadora). Como resultado, el
plásmido en la célula dadora continúa siendo un círculo de DNA de doble
cadena y el plásmido transferido convierte a la célula receptora en una célula
F+. Este mecanismo de replicación del DNA del plásmido se conoce como
"replicación en círculo rodante
Una célula F+ se convierte en una célula Hfr cuando el plásmido F se inserta en
su cromosoma.
Ocurre una ruptura en la secuencia del factor F integrado al cromosoma y
comienza la replicación en círculo rodante. Liderada por su extremo 5', una
cadena simple de DNA, que contiene una porción de la secuencia del factor F
seguida por los genes a+ y b+, penetra en la célula F-. En este ejemplo, sólo una
porción del cromosoma se transfiere antes de que las células se separen una
de otra.
El fragmento de DNA transferido es homólogo a la parte del cromosoma
receptor que lleva los mismos genes.
La "concordancia", sin embargo, no es exacta, dado que los genes a- y bson formas alternativas de los genes a+ y b+. Difieren en la secuencia de
nucleótidos como resultado de mutaciones que han hecho, en este
ejemplo, que a y b sean no funcionales, o sea, que no den como resultado
la síntesis de los productos a y b.
Ocurre la recombinación entre el DNA dador y el cromosoma receptor. La
célula hija que contenga los genes transferidos a+ y b+ será capaz de
sintetizar los productos a y b. Esto ofrece un medio por el cual puede
demostrarse la conjugación. Nótese que la célula dadora sigue siendo Hfr
y que la célula receptora aún es una F-, al igual que sus células hijas.