Conţinutul principal

Curs: Biblioteca de biologie > Unitatea 12

Lecția 1: Structura procariotă

Variația genetică a procariotelor

Mecanisme care generează variații în populațiile de procariote. Transducție, transformare, conjugare, elemente transpozabile.

Puncte cheie:

În transformare, o bacterie preia o bucată de ADN ce plutește în mediul ei.
În transducție, ADN-ul este mutat accidental de la o bacterie la alta de către un virus.
În conjugare, ADN-ul este transferat între bacterii printr-un tub între celule.
Elementele transpozabile sunt bucăți de ADN ce "sar" dintr-un loc în altul. Ele pot muta gene bacteriene ce dau bacteriilor rezistență la antibiotic sau le pot cauza boli.

Introducere

Când auzi cuvântul "clonă", la ce te gândești? Poate la oaia Dolly, sau experimente realizate în laboratoarele de biologie moleculară. Dar este adevărat, de asemenea, că bacteriile din jurul tău - de pe pielea ta, în intestinul tău, cele ce cresc pe chiuveta de la bucătărie- se "clonează" singure tot timpul!

Bacteriile se reproduc prin împărțirea în două prin fisiunea binară. Fisiunea binară produce clone, sau copii identice genetic, ale bacteriei părinte. Deoarece bacteriile "copil" sunt identice genetic cu părintele, fisiunea binară nu oferă o oportunitate pentru recombinarea genetică sau diversitate genetică (pe langă ocazionalele mutații aleatorii). Aceasta este în contrast cu reproducerea sexuată.

Totuși, variația genetică este esențială pentru supraviețuirea unei specii, permițând grupurilor să se adapteze la schimbări în mediul lor prin selecție naturală. Acesta este valabil pentru bacterii cât și pentru plante și animale. Deci nu este prea surprinzător că procariotele pot împărți gene prin trei alte mecanisme: conjugare, transformare și transducție.

Transformarea

În transformare, o bacterie preia ADN din mediul său, de obicei ADN care a fost împrăștiat de alte bacterii. Îmtr-un laborator, ADN-ul poate fi introdus de oamenii de știință (vezi articolul biotehnologie). Dacă ADN-ul este în formă circulară se numește plasmidă, poate fi copiat în celula receptoare și transmis urmașilor.

De ce ar fi important? Imaginează-ți că o bacterie inofensivă preia ADN pentru o genă toxică de la o specie patogenă (cauzatoare de boli) de bacterii. Dacă celula receptoare încorporează noul ADN în propriul cromozom (ceea ce se poate întâmpla printr-un proces numit recombinare omoloagă), ar putea deveni și ea patogenă.

Transducția

În transducție, virușii care infectează bacteriile mută bucăți mici de ADN cromozomial de la o bacterie la alta "accidental".

Da, chiar și bacteriile pot lua un virus! Virușii care infecteză bacteriile se numesc bacteriofagi. Bacteriofagii, ca alți viruși, sunt pirați ai lumii biologice - ei își însușesc resursele unei celule și le folosesc pentru a face mai mulți bacteriofagi.

Totuși, acest proces poate fi puțin dezordonat. Uneori, bucăți de ADN ale celulei gazdă se prind înăuntrul noului bacteriofag, pe măsură ce sunt făcute. Când una dintre aceste bacteriofage "defecte" infectează o celulă, transferă ADN-ul. Unele bacteriofage taie ADN-ul gazdei în bucăți, făcând acest proces de transfer mai probabil

^{1}

Archaea, celălalt grup de procariote în afară de bacterii, nu sunt infectate cu bacteriofagi dar au proprii lor viruși care transferă material genetic de la un individ la altul.

Conjugarea

În conjugare, ADN-ul este transferat de la o bacterie la alta. După ce celula donatoare se așează aproape de destinatar folosind o structură numită pil, ADN-ul este transferat între celule. În majoritatea cazurilor, acest ADN este în forma unei plasmide.

Imagine modificată după "Conjugation," by Adenosine (CC BY-SA 3.0). The modified image is licensed under a CC BY-SA 3.0 license.

Celulele donatoare acționează de obicei ca donatori deoarece au o bucată de ADN numită factor de fertilitate (sau factor F). Bucata de ADN codifică pentru proteinele ce formează pili sexuali. De asemenea, conține o zonă specială unde începe transferul de ADN în timpul conjugării

^{2}

Dacă factorul F e transferat în timpul conjugării, celula receptoare se transformă într-un donator F

^{+}

care își poate face propriul pil și transfera ADN altor celule. Iată o altă analogie: acest proces este ca un fel de vampir care poate transforma alți oameni în vampiri printr-o mușcătură.

Elemente transpozabile

Elementele transpozabile sunt de asemenea importante în genetica bacteriană. Aceste bucăți de ADN "sar" dintr-un loc în altul, înăuntrul unui genom, tăiând și lipindu-se sau inserând copii ale lor în locuri noi. Elementele transpozabile sunt găsite în multe organisme (inclusiv în mine și tine!), nu doar în bacterii.

În bacterii, elementele transpozabile uneori poartă rezistență la antibiotic și gene de patogenicitate (gene care fac bacterii producătoare de boli)

^{4, 5, 6}

. Dacă una dintre aceste elemente transpozabile "sar" de la un cromozom într-o plasmidă, genele pe care le cară pot fi transmise ușor altor bacterii prin transformare sau conjugare. Asta înseamnă că genele se pot răspândi rapid prin populație.

Concluzie

La bacterii, reproducerea poate fi foarte rapidă, cu o generare ce durează puțin mai mult de câteva minute pentru unele specii. Acest timp scurt de generare, împreună cu mutații aleatorii și mecanisme de recombinații genetice pe care le-am văzut în acest articol, le permit bacteriilor (și altor prrocariote) să evolueze foarte repede.

Este acesta un lucru bun? Depinde de perspectiva ta. Evoluția rapidă înseamnă că bacteria se poate adapta la schimbările de mediu, cum ar fi introducerea unui antibiotic, foarte rapid. Asta este bine pentru ele - dar rău pentru noi, atunci când noi suntem cei cu infecția!

Într-o populație de bacterii, poate fi o versiune (alele) a unei anumite gene în cromozomul bacterian care oferă rezistență la un antibiotic. Dacă nu este un antibiotic în jur, această alele poate rămâne rară în populație (găsită doar în puține dintre multele bacterii), de vreme ce nu oferă bacteriei care o cară un avantaj în supraviețuire sau reproducere.

Cu toate acestea, dacă antibioticul este adăugat în mediul bacteriei, majoritatea bacteriilor vor fi omorâte. Singurele care supraviețuiesc vor fi cele cu alele rezistente la antibiotic, ce o vor transmite urmașilor (care vor fi de asemenea rezistenți). În generația viitoare, toate bacteriile din populație vor avea alele rezistente la antibiotic și vor fi capabile să supraviețuiască în mediul ce conține antibiotic.

Pe măsură ce aceste bacterii se multiplică, ele le vor înlocui pe cele care au murit, aducând populația înapoi la mărimea ei normală. Datorită variației genetice, populația ca un grup a supraviețuit "catastrofei" antibioticului și s-a adaptat noii situații.

Îți poți imagina, de asemena, cazul în care alelele rezistente la antibiotic sunt transferate într-o plasmidă - de exemplu, printr-un element transpozabil săritor. În acest caz, trăsătura rezistentă poate fi de asemenea transmisă direct de la o bacterie la alta, ce nu are legătură cu bacteriile prin conjugare.

Surse:

Acest articol este un derivat modificat al "Structure of prokaryotes," by OpenStax College, Biology, CC BY 4.0. Descarcă gratuit articolul original de la http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@10.53.

Acest articol este licențiat sub o licență CC BY-NC-SA 4.0.

Lucrări citate:

Griffiths, A. J. F., Miller, J. H., Suzuki, D. T., Lewontin, R. C., and Gelbart, W. M. (2000). Transduction. In An introduction to genetic analysis (7th ed.). New York, NY: W. H. Freeman. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21760/#_A1365_.
Firth, N., Ippen-Ihler, K., and Skurray, R. A. (n.d.). Structure and function of the F factor and mechanism of conjugation. In Biology 105M - Microbial genetics lab. Retrieved from http://bio.classes.ucsc.edu/bio105l/EXERCISES/F%20TRANSFER/Chap126.pdf.
Purves, W.K., Sadava, D., Orians, G.H., and Heller, H.C. (2003). The genetics of viruses and prokaryotes. In Life: The science of biology (7th ed., p. 269). Sunderland, MA: Sinauer Associates, Inc.
Bennett, P. M. (2008). Plasmid encoded antibiotic resistance: acquisition and transfer of antibiotic resistance genes in bacteria. Br. J. Pharmacol., 153(Suppl. 1), S349-S351. http://dx.doi.org/10.1038/sj.bjp.0707607.
Gyles, C. and Boerlin, P. (2014). Horizontally transferred genetic elements and their role in the pathogenesis of bacterial disease. Veterinary Pathology, 51(12), 330-322. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/24318976.
Purves, W.K., Sadava, D., Orians, G.H., and Heller, H.C. (2003). The genetics of viruses and prokaryotes. In Life: The science of biology (7th ed., p. 269). Sunderland, MA: Sinauer Associates, Inc.
Campbell, N. A., Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2009). Transposable elements and related sequences. In Campbell biology (8th ed., p. 435). San Francisco, CA: Pearson.

Referințe suplimentare:

Bacterial conjugation. (2003, March 18). In Physics forums. Retrieved March 2, 2016 from https://www.physicsforums.com/threads/bacterial-conjugation.129/.

Bacterial conjugation. (2016, April 9). Retrieved April 19, 2016 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Bacterial_conjugation.

Bacterial growth. (2015, December 31). Retrieved March 2, 2016 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Bacterial_growth.

Bennett, P. M. (2008). Plasmid encoded antibiotic resistance: acquisition and transfer of antibiotic resistance genes in bacteria. Br. J. Pharmacol., 153(Suppl. 1), S347-S357. http://dx.doi.org/10.1038/sj.bjp.0707607.

Campbell, N. A., Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2009). Transposable elements and related sequences. In Campbell biology (8th ed., p. 435-436). San Francisco, CA: Pearson.

Firth, N., Ippen-Ihler, K., and Skurray, R. A. (n.d.). Structure and function of the F factor and mechanism of conjugation. In Biology 105M - Microbial genetics lab. Retrieved from http://bio.classes.ucsc.edu/bio105l/EXERCISES/F%20TRANSFER/Chap126.pdf.

Griffiths, A. J. F., Miller, J. H., Suzuki, D. T., Lewontin, R. C., and Gelbart, W. M. (2000). Bacterial conjugation. In An introduction to genetic analysis (7th ed.). New York, NY: W. H. Freeman. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21942/.

Griffiths, A. J. F., Miller, J. H., Suzuki, D. T., Lewontin, R. C., and Gelbart, W. M. (2000). Transduction. In An introduction to genetic analysis (7th ed.). New York, NY: W. H. Freeman. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21760.

Grohmann, E., Muth, G., and Espinosa, M. (2003). Conjugative plasmid transfer in gram-positive bacteria. Microbiol. Mol. Biol. Rev., 67(2), 277-301. http://dx.doi.org/10.1128/MMBR.67.2.277-301.2003

Gyles, C. and Boerlin, P. (2014). Horizontally transferred genetic elements and their role in the pathogenesis of bacterial disease. Veterinary Pathology, 51(12), 328-340. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/24318976.

Kimball, J. W. (2015, April 18). Transposons: Mobile DNA. In Kimball's biology pages. Retrieved from http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/T/Transposons.html#Transposons_in_Bacteria.

Lodish, H., Berk, A., Zipursky S. L., et al. (2000). Mutations: Types and causes. InMolecular cell biology. (4th ed., section 8.1). New York, NY: W. H. Freeman. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21578/.

Pilus. (2016, February 13). Retrieved March 2, 2016 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Pilus

Purves, W.K., Sadava, D., Orians, G.H., and Heller, H.C. (2003). The genetics of viruses and prokaryotes. In Life: The science of biology (7th ed., pp. 257-277). Sunderland, MA: Sinauer Associates, Inc.

Raven, P. H., Johnson, G. B., Mason, K. A., Losos, J. B., and Singer, S. R. (2014). Conjugation depends on the presence of a conjugative plasmid. In Biology (10th ed., AP ed., pp. 548-550). New York, NY: McGraw-Hill.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). Bacteria and archaea. In Campbell biology (10th ed., pp. 567-575). San Francisco, CA: Pearson.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). Transposable elements and related sequences. In Campbell biology (10th ed., pp. 444-445). San Francisco, CA: Pearson.

Todar, K. (2012) The growth of bacterial populations (page 3). In Todar's online textbook of bacteriology. Retrieved from http://textbookofbacteriology.net/growth_3.html.

Verifică dacă ai înțeles

Asociază fiecare genă de transfer cu definiția sa.
$1$ ‍
În transformare, procariotele preiau ADN direct din mediul lor (fie ca o plasmidă circulară, sau ca un fragment de ADN care se poate integra în genomul procariotei prin recombinare omoloagă).
În timpul transducției, un virus transferă ADN de la o procariotă la alta. Virușii care infectează bacteriile (bacteriofagi) pot lua din greșeală ADN din bacteria gazdă în timpul producerii noilor particule virale, apoi injectează acest ADN bacterian în celula pe care o infectează.
În timpul conjugării, o procariotă transferă ADN direct către o altă procariotă printr-o structură numită punte de împerechere, un proces ce necesită contact fizic între cele două celule.

Vrei să te alături conversației?

Conectare

Ordonare după:

Nici o postare încă.

Înțelegi engleza? Dă clic aici pentru a vedea mai multe discuții care au loc pe site-ul în limba engleză al Khan Academy.