- BIOLOGIA MOLECULAR APLICADA A LA MEDICINA CL ÍNICA CLÍNICA - BACTERIOLOG ÍA ESPECIAL BACTERIOLOGÍA Dr. Diego Faccone dfaccone@gmail.com Servicio Antimicrobianos Departamento Bacteriología Instituto Nacional de Enfermedades infecciosas ANLIS – “Dr. Carlos G. Malbrán” BIOLOGIA BIOLOGIA MOLECULAR MOLECULAR APLICADA APLICADA AL AL LABORATORIO LABORATORIO DE DE MICROBIOLOGIA MICROBIOLOGIA CONTENIDOS I. CONCEPTOS BASICOS INTRODUCTORIOS II. CONCEPTOS BASICOS DE GENETICA MICROBIANA III. TECNOLOGÍA DEL ADN RECOMBINANTE IV. METODOLOGÍAS MOLECULARES V. TIPIFICACIÓN MOLECULAR VI. EPIDEMIOLOGÍA MOLECULAR BIOLOGIA BIOLOGIA MOLECULAR MOLECULAR APLICADA APLICADA AL AL LABORATORIO LABORATORIO DE DE MICROBIOLOGIA MICROBIOLOGIA SEMINARIOS 1- BIOINFORMÁTICA ADN 2- BIOINFORMÁTICA PROTEÍNAS Bibliografía - Lewin B., “Genes” Alberts B., “Biología Molecular de la Célula” EXAMEN JUEVES 12 de DICIEMBRE 18HS BIOLOGÍA MOLECULAR DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGIA MOLECULAR Replicación Traducción Transcripción ADN ARN Proteína Transcripción inversa Replicación Francis Crick (1958/1970) 1 Desoxiribonucleotido = ADN -Base nitrogenada BASE OH HO -Ácido fosfórico P ESTRUCTURA DEL ADN O O 5´ CH2 Desoxiadenosina (adenina) O 4´ C H H H H 3´ OH -Pentosa NH2 1´ N N 2´ CH H HC N N Ribonucleotido = ARN P P O P BASE OH HO P O O 5´ CH2 O nucleósido 1´ 4´ H OH H 3´ OH H H 2´ OH ATP ADP AMP Tri- Di- Mono- Nucleótido DESOXINUCLEOTIDOS (dNTP´s) ADENINA GUANINA NH2 O C - ATP - ADP - AMP N N H CH HC P P N P P O P OH H - TTP - TDP - TMP P O P OH O TIMINA P - ATP - ADP CH - AMP N N O P N H2 N C N N C (H, uracilo ARN) NH2 C C CITOSINA N C CH3 N CH C CH C CH O N O OH P P P N O OH - CTP - CDP - CMP P OH H2 C O T A C G A T P H2 C O O P OH G 2’: de s C ox i P H2 C O P P 5’ P H2 C O 3’ H2 C O P O H2 C O O P P H2 C O -O P Grupo fosfato H2 C O P P ... 2 de abril de 1953, Molecular Structure of Nucleic Acids. A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid. Nature 171: 737. J. D. WATSON and F. H. C. CRICK 2 BIOSINTESIS DE ADN P P O O P O P O P O OH P P P O OH 5’ ADN (OH)n + desoxinucleótido trifosfato (dNTP) 3’ ADN (OH)n+1 + PPi Replicación semiconservativa Original Nueva Nueva Original 3 REPLICACIÓN DEL ADN Origen de replicación (región rica en A-T): único (bacterias), oriC múltiple (eucariontes) REPLICON: fragm. de ADN en el cual sucede un evento individual de replicación; posee los elementos necesarios para el control replicativo. Velocidad Organismo No. repl. Longitud Bacteria 1 4.200 kb 50.000 pb/min 3.600 pb/min Levaduras 500 40 kb 2.600 pb/min Insectos 3.500 40 kb 2.200 pb/min Raton 25.000 150 kb Plantas 35.000 300 kb 3 REPLICACIÓN DEL ADN Cadena “lagging” Horquilla de replicacion 5’ 3’ 3’ 5’ 5’ 3’ Cadena “leading” ENZIMAS: * Helicasa + prot. SSB, desenrolla ADN doble cadena: * Primasa (ARNpol; dnaG), fragm. ARN 10 pb : * ADN replicasa: DNApol III, síntesis (sub. , polC, dnaE). * DNApol I: actividad exonucleasas 3’ * ADN ligasas: 5’ “proof reading” + 5’ 3’. 4 TRANSCRIPCIÓN ARN Ribosomal ADN RNApol ARN Mensajero Proteína ARN Transferencia INICIACIÓN Promotor ARN rpoA: ensamblado enz., reconocimiento del Pr, activadores rpoB catálisis ’ rpoC rpoD: especificidad del Promotor 4 TRANSCRIPCIÓN REGIÓN PROMOTORA upstream Codificante - 35 - 10 +1: Inicio ARN 5’ 3’ 5’ Templado 17 bp TTGACA 7 bp TATAAT downstream 4 TRANSCRIPCIÓN TERMINACIÓN ARN A Ter. Intrínsecos loop B Rho-dependiente 5’ 50-90 pb; C, G G-C hairpin stem + UUUUUU 5’ -UUU REGIÓN TERMINADORA Rho 4 TRANSCRIPCIÓN UNIDAD TRANSCRIPCIONAL REGIÓN REGULADORA MARCO ABIERTO DE LECTURA ´TERMINADOR BACTERIAS Transcripción + Traducción + Degradación Sin protección Vida ½ 2 min. EUCARIONTES Transcripción Protección: 5’-CAP + 3’-poliA Vida ½ 4-24 hs. Sin procesamiento posterior Procesamiento post-transcripción “splicing”: ARNm maduro 5 TRADUCCIÓN: CÓDIGO GENÉTICO ADN 5’ ATA GAT CCC TTC ARNm 5’ AUA GAU CCC UUC RIBOSOMA Codones Aminoacil-ARNt ARNt ARNt ARNt ARNt Anticodón AAG PROT. NH2 Phe Ile - I Asp - D Pro - P Phe - F COOH C 5’ C A 3’OH 5 TRADUCCIÓN: CÓDIGO GENÉTICO 4 nucleótidos C-G-A-T 43=64 codones DEGENERACION 20 aminoácidos Ile AUU CUU CUC CUA CUG UCU UCC UCA UCG ACU ACC ACA ACG CGU CGC CGA CGG Leu Ser Thr Arg GUU GUC GUA GUG CCU CCC CCA CCG GCU GCC GCA GCG GGU GGC GGA GGG Val Pro Ala Gly AUC AUA UUU UUC Phe AAU AAC Asn AGU AGC Ser UUA UUG Leu AAA AAG Lys AGA AGG Arg Met Cys CAU CAC His GAU GAC Asp UAU UAC Tyr UGU UGC CAA CAG Gln GAA GAG Glu UAA UAG AUG Trp UGG Stop UGA Enlace peptídico Aminoácido 1 Grupo R O R–C–C H O R–C–C H-N-H H H O H O C – C – -H R -N H Carboxi-terminal Aminoácido 2 H-N-H O H O H Amino-terminal Grupo R No polares o hidrófobos Polares – sin carga – con carga positiva – con carga negativa Enlace peptídico H O COOH H R–C–C–N –C–R NH2 H 1º NH2 COOH 2º + H2O Enlace peptídico 6 TRADUCCIÓN RIBOSOMA 50S ARNr 23S (2904 pb) + 5S, 31 proteínas diferentes 70S 30S ARNr 16S 21 proteínas diferentes 66% ARNr 5’ +1 30 nucleótidos AAACAGGAGG (10 nuc) Shine-Dalgarno (RBS) AUGUCGAAGCAA GUG Región UUG codificante Iniciación 3’ UGA GCG UAG UAA GUC GU C CC U A UU GA U UUA AAA UUUAUG - - - - UUU GG U U - C AA GGAGG AAU U G UA AAA UAC Sitio P Sitio A Transpeptidación Canal de salida 5’ 3’ G UGA GC UAG UAA U GA GUC GU CCC A UU U U UA AAA UUUAUG - - - - - C UUU AAA AAU NH2 UA C U AAU GG AG UGG G AAU G UA 5’ 3’ UGA GCG UAG GUC GU CC U CA GA UU U UUA AAA AAU AAA UAA GGU CAG CAG CUA NH2 UUU UUUAUG - - - - - C AA A U AAU GG AG UGG G AAU G UA UA C 5’ 3’ 5 CA G AA U G G COOH UUU CAG A A A U C A U A UA AA U GA UAG CGC UAA Plegamiento NH2 C 3’ UUUAUG - - - CA G AA C GC A U C GG AG UGG G AAU G UA A COOH A UUU U GG A CAG AA UAA U UUA AAA UU A A --C A U UGA GCG UAG GUC GU CC U A CA G UU NH2 5 7 MARCO ABIERTO DE LECTURA = ORF 5’-UCCAUGCAACAUGGAUGCGAU…. RNAm 5’-UCC AUG CAA CAU GGA UGC GAU …. 5’-UC CAU GCA ACA UGG AUG CGA U …. 5’-U CCA UGC AAC AUG GAU GCG AU …. AUG UGA 5’-UCCAUGCAACAUGGAUGCGAUGUCGAAGUAUUGACUAA... AUG AUG 1º 2º 3º MLA (ORF) AUG AUG AUG UGA L UAA L 7 ORF´S ARNm es policistrónico Genes Promotor RBS ARNm OPERON Operador Varios genes bajo el comando de un solo Pr Gen regulatorio Pr lacZ lacY lacA LacZ LacY LacA Pr Pr + Genes regulatorios Regulador (represor) (-) LacI + Estructura primaria NH2 COOH Estructura secundaria Giros b α hélice Paralela Hojas β Antiparalela Piruvato quinasa 1 polipéptido 4 dominios Estructura terciaria Fibrosa Globular Dominio Estructura cuaternaria Globular Hemoglobina (4 polipéptidos o subunidades) Fibrosa Colágeno Microfibrillas Cadena de tropocolágeno Fibrilla Fibra de colágeno Cadena de aminoácidos GENETICA MICROBIANA GENOMAS MICROBIANOS GEN. Unidad mínima de ADN que contiene la información necesaria para la expresión de una proteína o ARN. GEN OPERON. Unidad que co-transcribe uno o más genes regulados por una sola región operador/promotor. CROMOSOMA BACTERIANO. Molécula de ADN circular (generalmente) que contienen los genes ESTRUCTURALES Y FUNCIONALES de la bacteria. CROMOSOMA BACTERIANO GENOMA. Toda la información genética de la bacteria: cromosoma + elementos extracromosómicos + CROMOSOMA + PLASMIDOS GENOMAS MICROBIANOS GENOMAS MICROBIANOS ¿E. coli con distintos tamaños? ⋍ 5,5 Mbp ⋍ 4,6 Mbp ⋍ 4,3 Mbp ⋍ 2,2 Mbp Algunos genomas de E. coli secuenciados 8 MUTACIONES PUNTUALES: ADN ATA GAT CCC TTC Replicación ADN ATA GAT GCC TTC REARREGLOS: ADN ATA GAT CCC TTC inserción ATA GA deleción ADN T CCC TTC 8 MUTACIONES PUNTUALES: Espontáneas 10-7 / 10-11 por base Inducidas por agentes mutagénicos Físicos Radiaciones 10-6 por gen Transición (más frec.): Purina (A) Purina (G) Pirimidina (C) Pirimidina (T) no ionizantes; ionizantes Químicos Análogos de base Modificación qca. Agentes alquilantes Agentes intercalantes Biológicos Inserción/deleción de elementos genéticos Sitio dirigida Ingenieria genética Transversión (menos frec.): Purina (A, G) Pirimidina (T, C) C O Ejemplo: mutación inducida O NH2 N CH C CH ác. nitroso O N CITOSINA C≡G A=T H C N CH C CH N URACILO ác. nitroso ác. nitroso T=A G≡C 8 MUTACIONES PUNTUALES: 5’…T A C… …A T G…5’ MUTACIONES ADN AAC TTG TAG ATC REPLICACION NORMAL TAT ATA TAC ATG Alelos TRANSCRIPCION ARN codón AAC Asparagina codón UAG codón UAU Stop Tirosina codón UAC Tirosina TRADUCCION PROTEINA Mutación MISSENSE Mutación Mutación NONSENSE SILENCIOSA WILD TYPE 8 MUTACIONES REARREGLOS: Inserción de ADN exógeno ORF INSERTO Interrupción ORF: Interrupción promotor: - Proteína quimera: ¿funcionalidad? - Proteína trunca - Modificación nivel de expresión: ¿expresión? - Expresión de proteína del inserto 8 MUTACIONES REARREGLOS: Deleción de ADN ORF ELEMENTO MOVIL Escisión ELEMENTO MOVIL Eliminación ORF: - Perdida de funcionalidad ORF Duplicación ORF 9 GENOTIPO Y FENOTIPO GENOTIPO: información genética de un organismo FENOTIPO: características o propiedades observables de un organismo, resultantes de su genotipo. Genotipo relevante: diferencias con el organismo “wild-type” lacZ hisC1 LacZ-: no fermenta galactosa HisC-: no sintetiza histidina rpsL StrR: resistente a streptomicina recA RecA-: incapaz de recombinar MUTACION: cambio heredable en la secuencia de bases del genoma de un organismo. MUTANTE: organismo cuyo genoma posee una mutación. 10 REVERSIONES ón i c e Del Cepa salvaje o wild type Inserción Mutante por deleción Mutante por inserción Delec ión le a tu n pu sitio n ió mo c a t mis u M el Mutación puntual Mutante por sustitución Mutación supresora n Revertante verdadera Revertante 2º sitio 10 REVERSIONES Fenotipo salvaje en l a tu n u p n tio i ó s i c o ta m u s i M el m Fenotipo salvaje Revertante verdadera Mutación Mutante por sustitución Fenotipo mutante * M su uta pr ció es n or a Cepa salvaje o wild type Revertante 2º sitio * Fenotipo revertante de 2º sitio * El fenotipo del mutante en 2º sitio anula el fenotipo del mutante inicial. Se revierte al fenotipo salvaje 11 ADQUISICIÓN DE ADN EXÓGENO: TRANSFORMACIÓN ADN “desnudo” “Uptake” Recombinación de ADN Homologa Cepa COMPETENTE Cepa TRANSFORMANTE Alelo R (exógeno) Alelo S (bacteriano) RecA Recombinante (gen en mosaico) 11 ADQUISICIÓN DE ADN EXÓGENO: TRANSFORMACIÓN Natural Bacillus, Streptococcus Haemophilus Neisseria Inducida - Feromonas - pH Estado de competencia 15-20 min CSP Peterson MM 51.1051-70 (2004) Membrana celular Morrison RM 151:445-451 (2000) 12 ADQUISICIÓN DE ADN EXÓGENO: TRANSDUCCIÓN Bacteriófagos: Genoma viral Cápside Cola Ciclo lítico Receptor Lisis bacteriana Multiplicación Ciclo lisogénico Inyección Inducción Integración Duplicación bacteriana 12 ADQUISICIÓN DE ADN EXÓGENO: TRANSDUCCIÓN Regulación ciclos lítico y lisogénico del fago Lambda OL/PL Head Tail OR/PR Recomb PR´ Replic Lys cl 12 ADQUISICIÓN DE ADN EXÓGENO: TRANSDUCCIÓN Bacteriófagos Fago λ Fago T4 Fago M13 • dsADN • Ciclos lítico y lisogénico • 48,5 Kb • E. coli • dsADN • Ciclo lítico • 165 Kb • E. coli •Presencia de genes esenciales y no esenciales • ssADN • Ciclo lítico • 6,4 Kb • E. coli • Requiere pili F para infección Transducción • Transducción generalizada: ADN bacteriano es empaquetado en el fago una proporción de ADN bacteriano es inyectado en una nueva célula infectada recombinación homologa. (105-108/cel; límite empaquetado) • Transducción especializada: La escisión imprecisa del profago hace que el genoma viral contenga ADN bacteriano (perdida de genes virales) fago defectivo? 12 ADQUISICIÓN DE ADN EXÓGENO: TRANSDUCCIÓN Bacteriófagos: Genoma viral Cápside Cola Ciclo lítico Traducción generalizada Receptor Lisis bacteriana Multiplicación Ciclo lisogénico Traducción especializada Inyección Inducción Integración Duplicación bacteriana 13 ADQUISICIÓN DE ADN EXÓGENO: CONJUGACIÓN Genes relacionados con la movilidad = MOB o Dtr (DNA-transfer replication) B R ep MO F P M Plásmidos • • • • ADN circular (ds) extra-cromosomómico autoreplicativo (replicasa) heredable Replicasa Genes relacionados con la conjugación/apareamiento = MPF (mating pair formation) ss-ADN Receptor Cepa DADORA Cepa ACEPTORA Cepa DADORA Cepa TRANSCONJUGANTE 13 ADQUISICIÓN DE ADN EXÓGENO: CONJUGACIÓN MOB oriT + Relaxasa - oriT = Origen de transferencia - Relaxasa = Reconoce oriT en cis Movilización de plásmidos MO B T4CP MP T4CP = Proteína de acoplamiento tipo IV F MO B T4SS MPF 12-30 genes - T4SS = Sistema de secreción tipo IV No movilizable (sin modulo MOB o MOB funcional) No movilizable Movilizable Conjugativo oriT relaxasa T4CP T4SS MOB MPF 13 ADQUISICIÓN DE ADN EXÓGENO: CONJUGACIÓN - Extracromosómico: autoreplicativo y heredable - Tamaño variable: 2-300 Kb - Numero de copias variable: 1-200 copias/célula (bajo-medio-alto) (xej. ColE1⋍20 copias) Plásmidos Características - Rango de hospedador: amplio o acotado - Incompatibilidad: más de 20 grupos de INC - Distintas funciones: rutas metabólicas, factores de virulencia, genes de resistencia - Baja frecuencia de perdida de plásmido (<10-7 cél) - Sistemas veneno/antídoto (plásmidos R1) - Plásmidos movilizables < plásmidos conjugativos (genes MPF) Compatibilidad de Plásmidos Duplicación celular Plásmidos Compatibles Se segregan conjuntamente Plásmidos Incompatibles Se segregan separadamente 13 ADQUISICIÓN DE ADN EXÓGENO: CONJUGACIÓN Transposones conjugativos - ADN lineal, inserto en cromosoma o plásmido. - Distintas funciones: rutas metabólicas, factores de virulencia, genes de resistencia - x ej: Tn916, Tn5397 14 RECOMBINACIÓN HOMOLOGA Secuencias homologas de larga extensión SITIO ESPECÍFICA Secuencias específica (fagos, transposon) TRANSPOSICIÓN Inserción en una secuencia sin homología (secuencias de inserción, transposones) Fago Fago Tn Tn 14 RECOMBINACIÓN HOMÓLOGA Moléculas de ds-ADN con secuencias homólogas Corte en una hebra de ADN en cada duplex homólogo (nicked) Intercambio de hebras cortadas con el otro duplex homólogo Desplazamiento del punto de intercambio 2º corte en la misma hebra Ligación de “nicks” Genoma no recombinante pero con región heteroduplex 2º corte en la otra hebra Intercambio y desplazamiento del 2º punto de recombinación. Ligación de “nicks” Genoma recombinante reciproco 15 ELEMENTOS MOVILES Secuencias de Inserción (IS) o Transposon simple Repeticiones invertidas ATCCG TAGGC Transposasa CGGAT GCCTA ATGCCTAGT TACGGATCA Secuencia Target ~ 9 bp IS se insertan en: - secuencia específica - sitios calientes - al azar ATGCCTAGT TACGGATCA ATCCG TAGGC Transposasa INSERTION SEQUENCE Se generan repeticiones directas CGGAT GCCTA ATGCCTAGT TACGGATCA >500 IS´s agrupadas en estas familias y definidas por la secuencia de la Transposasa Transposones Compuestos (Tn) GENES FLANKEADOS POR DOS SECUENCIAS DE INSERCION(IS) IS en igual dirección IS GENES IS IS en dirección invertida IS GENES IS *Si ambos IS´s son iguales pueden ser los 2 o solo 1 funcional Gen resistencia No funcional IS10L TET, CMP, KAN, AMP AATTC TTAAG Transposasa Resolvasa TetR IS10R Tn10 Transposones Compuestos (Tn) Transposición Replicativa: Duplicación del Tn, copia en sitio original y nuevo (Transposasa + Resolvasa) Tn No-replicativa / Conservativa: El Tn se mueve de un sitio a otro sin dejar copia en sitio original (Transposasa) Tn Tn Tn Tn Tn1546 ORF1 ORF2 vanR vanS vanH vanA vanX vanY vanZ IRL IRR GTTAA Tn1546 GTTAA ORF1 ORF2 vanR vanS vanH vanA vanX vanY vanZ GTTAA IRL IRR ORF1: Posible Transposasa ORF2: Posible Resolvasa IR’s: 38bp caracteristicas de Tn3 Sitios res: 12bp repetidas en region intergenica de ORF1 y ORF2 vanA = vanR (Activador Transcripcion), vanS (Reg Negativo de la Transcripcion), vanH (Deshidrogenasa), vanA (Ligasa), vanX (D,D-dipeptidasa), vanY (D,D-Carboxipeptidasa), vanZ (R Teico) ORF1, ORF2, vanY, vanZ 29-37% GC vanS, vanR, vanH, vanA, vanX 41-45% GC Distintos origenes 16 REGULACIÓN GENICA: INDUCCIÓN TRANSCRIPCIÓN Factores externos - Sustratos - Factores ambientales Activación de factores de transcripción: - Fosforilación del FT - Activación por unión al sustrato Factores internos - Metabolitos enzimáticos Activación de factores de transcripción: - Activación por unión al sustrato 16 REGULACIÓN GENICA Operador Gen regulatorio Pr + LacY LacA D C B A Pr Represor inactivo (-) Represor activo LacZ Operon lac Operador E + lacY lacA Pr Pr Regulador (represor) (-) LacI Presencia de triptófano lacZ E No se expresa operon triptófano D C B A Operon trp Biosíntesis de triptófano Regulación expresión metilasa ErmC Fin del péptido lider Inicio del péptido lider 1 2 Secuencia de Shine-Dalgarno MLSB inducible 4 3 Metilasa ErmC Secuencia de Shine-Dalgarno ERY Inicio del péptido lider 2 Fin del péptido lider Péptido lider Secuencia de Shine-Dalgarno 4 1 Macrólido de 14 o 15 miembros 3 CLI EXPRESION DE LA METILASA ErmC