Biologia Celular e Molecular

Transferência de genes em bactérias

A transferência de genes usual entre os organismos é aquela que ocorre pelo processo hereditário, de célula mãe para célula filha, e é chamado de transferência vertical. Mas há também a transferência horizontal, quando a transferência de genes de uma célula a outra ocorre de maneira distinta ao processo hereditário. Ela permite que as células adquiram rapidamente novas características e guia a diversidade metabólica.

Nas bactérias, ocorrem pelo menos três mecanismos de transferência horizontal de genes, que são conhecidos como transformação, transdução e conjugação. Na transformação o DNA livre é liberado de uma célula, sendo capturado por outra. Na transdução a transferência de DNA é mediada por um vírus. Na conjugação a transferência de DNA envolve o contato célula-célula e um plasmídeo conjugativo na célula doadora.

transferencia de genes

A transferência de DNA normalmente ocorre somente em uma direção, entre o doador e o receptor.

O DNA captado pela célula pode seguir três caminhos:

  • Pode ser degradado por enzimas de restrição;
  • Pode ser replicado “per se” (somente se possuir sua própria origem de replicação, como um plasmídeo ou genoma de um fago);
  • Pode sofrer recombinação com o cromossomo do hospedeiro.

A recombinação homóloga resulta da troca de dois fragmentos de DNA homólogos a partir de duas origens distintas. Para que essa recombinação gere novos fenótipos, é essencial que as duas sequências sejam relacionadas, porém geneticamente distintas.

Uma vez que em procariontes apenas um fragmento cromossômico é transferido, se não houver recombinação homóloga, ele será perdido, pois não possui capacidade de replicar-se de forma independente. Assim, a transferência fica sendo apenas a primeira etapa na geração de organismos recombinantes.

Os cruzamentos genéticos geralmente dependem de linhagens receptoras nas quais falta alguma característica selecionável, a qual será adquirida pelas células recombinantes. Por exemplo, a célula receptora pode ser incapaz de crescer em um determinado meio, enquanto os recombinantes genéticos selecionados possuem tal capacidade.

Transformação:

O DNA livre é incorporado em uma célula receptora, podendo promover alterações genéticas.

Uma única célula normalmente incorpora apenas um ou poucos fragmentos de DNA, de modo que somente uma pequena proporção dos genes de uma célula é transferida à outra célula, em um único evento de transformação. Mesmo entre os gêneros transformáveis, apenas algumas linhagens ou espécies são, de fato, transformáveis. Uma célula capaz de captar uma molécula de DNA e ser transformada é dita como competente, sendo essa capacidade determinada geneticamente e regulada por proteínas especiais que desempenham papeis na captação e no processamento do DNA.

A transformação natural com alta eficiência é conhecida em apenas algumas bactérias. Por exemplo, Acinetobacter, Bacillus, Streptococcus, Haemophilus, Neisseria e Thermus são naturalmente competentes e facilmente transformáveis. Ao contrário, a transformação em muitos procariontes, se ocorrer, é muito difícil em condições naturais. E. coli e várias outras bactérias Gram-negativas enquadram-se nessa categoria. Contudo, quando células de E. coli são tratadas com altas concentrações de íon cálcio e resfriadas por vários minutos, tornam-se adequadamente competentes. Células de E. coli tratadas dessa maneira captam o DNA de fita dupla, tornando a transformação desse organismo com DNA plasmidial relativamente eficiente. Isso é importante uma vez que a introdução de DNA em E. coli – o microrganismo modelo da engenharia genética – é crucial à Biotecnologia.

Durante a transformação, as bactérias competentes ligam o DNA de forma reversível. Todavia, logo em seguida, a ligação torna-se irreversível.

O DNA transformante liga-se à superfície da célula por meio de uma proteína de ligação ao DNA. Em seguida, dependendo do organismo, o fragmento inteiro de dupla-fita é captado, ou uma nuclease degrada uma das fitas, sendo a fita remanescente captada.

Após a captação, o DNA liga-se a uma proteína específica de competência. Essa proteína protege o DNA do ataque de nucleases, até que ele atinja o cromossomo. O DNA é então integrado ao genoma da célula receptora por recombinação.

Caso haja a integração de um DNA de fita-simples, ocorre a formação de um DNA heterodúplex, ou seja, uma molécula de DNA composta por duas cadeias oriundas de moléculas parentais diferentes. Durante o próximo ciclo de replicação cromossômica, são formados uma molécula de DNA parental e uma molécula de DNA recombinante.

Transdução:

Na transdução, um bacteriófago (vírus que parasita bactérias) transfere o DNA de uma célula a outra. Os vírus podem transferir genes hospedeiros de duas formas:

  • Transdução generalizada – o DNA derivado de qualquer região do genoma do hospedeiro é empacotado no interior do vírion maduro, substituindo o genoma viral. Quando uma célula bacteriana é infectada por um fago, um ciclo lítico pode ser iniciado. Todavia, durante a infecção lítica, as enzimas responsáveis pelo empacotamento do DNA viral no bacteriófago podem, acidentalmente, empacotar o DNA da célula hospedeira. O vírion resultante é denominado partícula transdutora. Uma vez que as partículas transdutoras são incapazes de promover uma infeção viral (elas não contêm DNA viral), são referidas como defectivas. Quando a célula é lisada, essas partículas são liberadas juntamente com os vírions normais (aqueles contendo o genoma viral). Consequentemente, o lisado contém uma mistura de vírions normais e partículas transdutoras. Uma pequena parcela da população recebe as partículas transdutoras, que injetam o DNA que receberam da bactéria hospedeira prévia. Embora esse DNA não seja capaz de replicar-se, pode sofrer recombinação genética com o DNA da nova célula hospedeira.
  • Transdução especializada – o DNA de uma região específica do cromossomo do hospedeiro encontra-se diretamente integrado no genoma viral, geralmente substituindo alguns dos genes virais. Esse processo ocorre apenas em alguns vírus temperados (capazes de se manter inativos na célula hospedeira), transferindo apenas uma pequena região do cromossomo bacteriano. Um exemplo do primeiro caso descrito de transdução especializada são genes de galactose que foram transduzidos pelo fago temperado lambda, de coli. A região na qual o fago lambda integra-se ao cromossomo de E. coli encontra-se adjacente ao agrupamento de genes que codificam as enzimas envolvidas na utilização de galactose. Geralmente, o DNA de lambda é excisado precisamente como uma unidade, porém, ocasionalmente, o genoma do fago é excisado de forma incorreta. Alguns dos genes bacterianos adjacentes a uma das extremidades do prófago (por exemplo, o óperon galactose) são excisados juntamente com o DNA viral. Concomitantemente, alguns genes virais são deixados para trás. Esta partícula transdutora pode subsequentemente transferir para uma célula receptora genes para a utilização de galactose. Contudo, há um limite em relação à quantidade de DNA viral que pode ser substituído pelo DNA da célula hospedeira. Uma quantidade suficiente de DNA viral deve ser mantida, a fim de codificar o capsídeo proteico e outras proteínas virais necessárias à lise e lisogenia.

Nem todos os fagos são capazes de transduzir, assim como nem todas as bactérias são transduzíveis, porém o fenômeno é suficientemente disseminado de modo que, provavelmente, desempenhe um importante papel de transferência gênica na natureza.

A alteração do fenótipo de uma célula hospedeira decorrente da lisogenização é denominada conversão fágica. A lisogenia provavelmente traz um grande valor seletivo à célula hospedeira, uma vez que confere resistência à infeção por vírus do mesmo tipo. A conversão fágica pode também apresentar importância evolutiva considerável, uma vez que resulta em alterações genéticas eficientes das células hospedeiras. Muitas bactérias isoladas da natureza são lisógenos naturais. Parece razoável concluir que a lisogenia é comum e, pode ser, muitas vezes, essencial à sobrevivência das células hospedeiras na natureza.

Conjugação:

A conjugação é um mecanismo codificado por plasmídeos, um elemento genético extracromossomal, que não é essencial ao crescimento e não exibe forma extracelular.

O processo de conjugação envolve uma célula doadora, que contém o plasmídeo conjugativo, e uma célula receptora, que não o contém. Esses plasmídeos conjugativos apresentam o Fato F que conferem às células a capacidade de transferir uma cópia de seu DNA para novas células hospedeiras. O termo “Fator F” se originou com os experimentos de William Hayes, em 1953. Ele descobriu que os genitores conjugantes agiam desigualmente. Um genitor parecia transferir parte de seu genoma ou todo ele para outra célula. Assim, uma célula atuava como doadora e outra como receptora. Além disso, o pesquisador viu que a habilidade de doadora era transmitida rápida e efetivamente entre as linhagens durante a conjugação. Um tipo de “transferência infecciosa” de algum fator parecia estar ocorrendo. Hayes sugeriu que a habilidade de doadora é em si um estado hereditário, imposto por um fator de Fertilidade (F). As linhagens que possuem F podem doar e as linhagens que não possuem F não podem doar e são receptoras. Hoje sabe-se que o Fator F concede à bactéria a capacidade de produzir pilis (singular pilus), o apêndice filiforme que é utilizado no processo de conjugação.

Os pili permitem a ocorrência do pareamento específico entre as células doadora e receptora. Acredita-se que todos os eventos de conjugação, em bactérias gram-negativas, sejam dependentes do pareamento celular mediado pelos pili. O pilus estabelece um contato específico com um receptor na célula receptora, sendo então retraído pela despolimerização de suas subunidades. Esse processo aproxima as duas células. Após esse processo, as células doadora e receptora permanecem em contato por meio de proteínas de ligação localizadas na membrana externa de cada uma das células envolvidas. O DNA é então transferido da célula doadora para a receptora, através dessa junção de conjugação.

Na transferência do plasmídeo F, uma célula doadora contendo F, designada F+, acasala-se com uma célula receptora desprovida do plasmídeo, designada F–, resultando em duas células F+. Em termos globais, a presença do plasmídeo F resulta em três alterações distintas das propriedades de uma célula: (1) a capacidade de sintetizar o pilus F, (2) a mobilização do DNA e sua transferência para outra célula, e (3) a alterações dos receptores de superfície, de modo que a célula deixa de atuar como receptora na conjugação, sendo incapaz de captar uma segunda cópia do plasmídeo F ou de plasmídeos geneticamente relacionados.

A transferência do DNA é desencadeada pelo contato entre as células, quando uma fita do DNA plasmidial circular é cortada e então transferida à célula receptora. À medida que a transferência ocorre, a síntese de DNA pelo mecanismo de círculo rolante repõe a fita transferida na célula doadora, enquanto uma fita complementar de DNA está sendo sintetizada na célula receptora. Assim, ao final do processo, tanto a célula doadora quanto a receptora terão plasmídeos completos.

Se os genes plasmidiais puderem ser expressos na célula receptora, ela torna-se uma célula doadora, podendo agora transferir o plasmídeo a outras células receptoras.

Dessa forma, os plasmídeos conjugativos têm a capacidade de disseminar-se em populações bacterianas, comportando-se como agentes infecciosos.

 O plasmídeo F é, na realidade, um epissomo, um plasmídeo capaz de integrar-se ao cromossomo da célula hospedeira, e, quando o plasmídeo encontra-se integrado, genes cromossômicos podem ser transferidos. A transferência horizontal de genes por esse mecanismo, seguida da recombinação entre a célula doadora e receptora, pode ser bastante extensa em termos de número e diferentes tipos de genes cromossômicos que podem ser transferidos.

Células que apresentam o plasmídeo integrado ao cromossomo são denominadas células Hfr e refere-se às altas taxas de recombinação genética entre os genes cromossômicos da doadora e os da receptora. Tanto as células F+ quanto as Hfr são doadoras, mas, contrariamente à conjugação entre uma F+ e uma F–, a conjugação entre uma doadora Hfr e uma F– promove a transferência de genes cromossômicos da célula hospedeira.

Devido ao fato de que a fita de DNA, em geral, se quebra durante a transferência, apenas parte do cromossomo doador é transferida. Consequentemente, a célula recipiente não se torna Hfr (ou F+), pois apenas parte do plasmídeo F integrado é transferida. Não obstante, após a transferência a linhagem Hfr permanece Hfr, uma vez que ela retém uma parte do plasmídeo F integrado. Como um cromossomo parcial não pode se replicar, para que o DNA recém-chegado possa “sobreviver”, ele precisa se recombinar com o cromossomo recipiente. Após a recombinação, a célula recipiente pode expressar um novo fenótipo, em razão da incorporação de novos genes. Embora linhagens Hfr transmitam genes cromossômicos frequentemente, elas normalmente não convertem células F- em células F+ ou Hfr, uma vez que o plasmídeo F raramente é transferido em sua totalidade. Em vez disso, um cruzamento entre Hfr e F- resulta na Hfr original e em uma célula F-, que agora apresenta um novo genótipo. Assim como ocorre durante a transformação e a transdução, a recombinação genética entre genes Hfr e genes F- envolve recombinação homóloga na célula recipiente.

Ocasionalmente, plasmídeos F integrados podem ser excisados do cromossomo. Durante a excisão, genes cromossômicos podem ser algumas vezes incorporados no plasmídeo F liberado. Isso acontece porque ambos, o plasmídeo F e o cromossomo, contêm múltiplas sequências de inserção idênticas, possibilitando a ocorrência de recombinação. Plasmídeos F contendo genes cromossômicos são denominados plasmídeos F’. Eles diferem dos plasmídeos F normais por conterem genes cromossômicos identificáveis. Quando plasmídeos F’ promovem a conjugação, transferem esses genes cromossômicos com alta frequência para a célula hospedeira. A transferência mediada por F’ assemelha-se à transdução especializada.

No vídeo abaixo vemos, de maneira simplificada, mecanismos de transferência horizontal em bactérias. A demonstração parte de uma cultura em meio líquido de diferentes bactérias. Todas elas, exceto uma espécie presente na cultura é resistente a um antibiótico X. Ao se plaquear uma alíquota da cultura em meio sólido contendo o antibiótico X, observou-se que, além da espécie resistente ao antibiótico (bactéria verde), uma espécie não resistente acabou crescendo (bactéria roxa). A partir deste problema, especula-se o que pode ter ocorrido para esta bactéria ter crescido. Isto pode ter acontecido devido a uma transferência horizontal de genes entre a bactéria resistente e a bactéria que cresceu. No vídeo são resumidos os três mecanismos de transferência horizontal de genes: transformação, conjugação e transdução.

Apesar da eficiência dos mecanismos de transferência de genes, fatores externos podem dificultar os processos, como por exemplo em ambientes com pouca água, como no solo, onde a mobilidade bacteriana fica comprometida. Descobriu-se que bactérias encontraram uma solução para esse problema: elas utilizam hifas fúngicas como vias para se movimentar e alcançar novas fontes de alimento. Em um recente estudo, pesquisadores demonstraram que as hifas fúngicas também formam um “ponto de encontro” para a transferência de genes entre bactérias. Mais do que isso, eles concluiram que ocorre uma maior quantidade de tranferência de genes nas vias fúngicas do que em um ambiente úmido sem hifas fúngicas. Este aspecto anteriormente desconhecido da interação fungo-bactéria é um passo importante para entender as complexas interações entre os microrganismos do solo, no qual os fungos aparentam desempenhar um papel muito importante na propagação das bactérias, na sua adaptação genética, na sua diversidade e, finalmente, na sua evolução. A aplicabilidade desse conceito pode ser de grande valia para a biorremediação, uma vez que essa interação pode ser útil na atuação de bactérias aplicadas na descontaminação de solos.

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