Curso de
Microbiología General
de Enrique
Iáñez
|
26. TRANSDUCCIÓN
ÍNDICE:
1 PREÁMBULO: AVANCE DE CONCEPTOS SOBRE BACTERIÓFAGOS *
2 APROXIMACIÓN HISTÓRICA Y CONCEPTOS GENERALES SOBRE LA TRANSDUCCIÓN *
3 TRANSDUCCIÓN GENERALIZADA *
4 TRANSDUCCIÓN ESPECIALIZADA (=RESTRINGIDA) *
BIBLIOGRAFIA *
BARRA DE EXPLORACIÓN: Microbiología General
[ Principal ] [ Arriba ] [ Concepto e historia de la Microbiología ] [ Los microorganismos en el mundo vivo ] [ La célula procariota ] [ Curso de Microbiología General ] [ Biosíntesis y crecimiento de la pared celular ] [ Membrana citoplasmática y transporte de nutrientes ] [ Inclusiones citoplasmáticas ] [ Cuerpos nucleares. El genóforo bacteriano ] [ Expresión genética y exportación de proteínas ] [ Flagelos, fimbrias, prostecas ] [ Endosporas y otras diferenciaciones ] [ Crecimiento y division celular ] [ Crecimiento de poblaciones bacterianas ] [ Metabolismo energético bacteriano ] [ Desinfectantes y antisépticos ] [ Quimioterápicos y antibióticos ] [ Resistencia bacteriana a los antibióticos ] [ Regulación genética en las bacterias ] [ Mutación y supresión en bacterias ] [ Recombinación ] [ Transformación ] [ Transducción ] [ Conjugación bacteriana ] [ BIBLIOGRAFÍA DE MICROBIOLOGÍA GENERAL ]
1. PREÁMBULO: AVANCE DE CONCEPTOS SOBRE BACTERIÓFAGOS
Antes de entrar de lleno en el tema de la transducción, conviene que
adelantemos algunas ideas generales sobre los virus bacterianos con genomio de ADN, que
nos serán útiles para el presente capítulo.
- El proceso de la infección
comienza cuando la partícula del fago se adsorbe sobre receptores en la superficie de la
bacteria.
- Inyecta el ADN contenido en su
cápsida. Entrada del ADN fágico a la célula hospedadora. Este ADN tenderá a expresar
su programa genético, pero el resultado final dependerá de que el fago sea de tipo
virulento o de tipo moderado:
A. Si el fago es de tipo virulento:
Se expresa el programa genético vegetativo (lítico) de su genomio,
destinado a producir muchas copias de ese ADN fágico, y muchas cápsidas proteicas. En el
interior de cada cápsida se introduce ("se empaqueta") una copia del genomio
del fago. Las nuevas partículas (viriones), una vez completadas y ensambladas, lisan a la
bacteria, quedando libres en el medio y preparadas para infectar nuevas células de la
especie bacteriana hospedadora.
B. Si el fago es de tipo moderado pueden darse dos alternativas
distintas:
- El ADN inyectado expresa su
información vegetativa, de modo que se produce un ciclo lítico, productivo de nuevos
viriones, similar al descrito para los fagos virulentos; o bien
- Se pueden reprimir las
funciones líticas del fago. En este caso el ADN del fago establece una relación benigna
con su hospedador: suele incorporarse por recombinación específica de sitio conservativa
(ver tema 24), integrándose en el genóforo bacteriano. A
partir de este momento, el ADN del fago (que ahora se llama profago) permanece en
esta situación, como una porción más del genomio de la bacteria, replicándose como
parte de éste. El profago mantiene reprimidas todas sus funciones líticas (vegetativas),
expresando solamente una proteína represora de aquellas funciones (todo esto lo veremos
en detalle en la sección de Virología). La célula bacteriana portadora de un profago se
denomina lisogénica, y el clon derivado de ella, clon lisogénico. Este tipo de
relación benigna es estable, pero de forma espontánea, en algunas de las células del
clon lisogénico el profago "despierta" y se activan sus funciones vegetativas:
el profago se escinde del genomio bacteriano (de nuevo por recombinación específica) y
expresa su programa lítico, que conduce a la producción de nuevos viriones, con lisis de
la bacteria. Este fenómeno recibe el nombre de inducción. Artificialmente se
puede provocar la inducción de casi todo el cultivo lisogénico, tratándolo con
determinados agentes (luz UV, mitomicina, etc.) que dañan el ADN y que inducen el sistema
SOS.
2. APROXIMACIÓN HISTÓRICA Y CONCEPTOS
GENERALES SOBRE LA TRANSDUCCIÓN
La transducción fue cronológicamente el último sistema de
transferencia genética bacteriana que se descubrió.
En 1951 Joshua Lederberg y su colaborador Zinder estaban investigando
en Salmonella la posible existencia de un sistema de conjugación al estilo del que
se acababa de descubrir en su pariente Escherichia coli (ver
capítulo 27). Mezclaron dos cepas de Salmonella, cada una con un juego
distinto de marcadores genéticos. (Eureka!
Obtuvieron recombinantes. Descartaron que se tratara de transformación, ya que los
resultados eran similares si añadían DNasa al sistema. Entonces, ¿era un fenómeno de
conjugación? Realizaron el experimento del tubo en "U", con una membrana
separando los dos brazos de la U, en cada uno de los cuales se colocaba una de las cepas.
La membrana impide el paso de bacterias y los contactos intercelulares directos entre las
dos cepas. Pues bien... seguía habiendo recombinantes. Esto descartaba, pues, que se
tratara de conjugación. Se postuló que debía de existir un "agente filtrable"
resistente a las nucleasas, responsable último de la transferencia genética.
¿Cuál era la naturaleza exacta del misterioso agente filtrable? Por
experimentos independientes se sabía que una de las dos cepas de Salmonella
producía un fago (llamado P22), de tipo moderado. Con una serie de ensayos se demostró
que era precisamente este fago el responsable de los recombinantes:
- el tratamiento de
sobrenadantes de esa cepa con calor o con antisuero provocaba la inactivación tanto del
fago como del agente filtrable;
- las cepas de Salmonella
resistentes a P22 (porque no adsorben el fago) no pueden interaccionar con el agente
filtrable, y por lo tanto tampoco dan recombinantes;
- finalmente, se comprobó que
la cepa productora del agente filtrable poseía un fago moderado en forma de profago. La
inducción de esta cepa lisogénica era la responsable de producir algunas partículas de
fagos portadoras de material genético de la cepa de origen, que los fagos inyectaban
posteriormente a las células de la cepa receptora.
Así pues, se acababa de descubrir un nuevo sistema de transferencia
genética entre bacterias, sistema que fue bautizado con el nombre de transducción.
La transducción se puede definir como el proceso de transferencia
genética desde una célula donadora a otra receptora mediatizado por partículas de
bacteriófagos que contienen ADN genómico de la primera. En la transducción podemos
distinguir dos estapas diferenciadas:
- Formación de la partícula fágica transductora
: un trozo de material genético de
la célula donadora se introduce en el interior de la cabeza de la cápsida de un fago.
Las partículas transductoras son en cierta manera "subproductos" anómalos del
ciclo normal del fago.
- La partícula transductora inyecta de forma habitual el ADN que porta a la célula
receptora, donde este ADN puede eventualmente recombinarse y expresar su información.
La transducción descubierta por Lederberg y Zinder se llama transducción
generalizada.
- Mediante ella se puede
transferir cualquier marcador del genóforo del donador, con aproximadamente la
misma frecuencia relativa (de ahí el calificativo de generalizada).
- La transducción generalizada
se produce sólo como consecuencia de infecciones líticas.
- El ADN del genomio de la
bacteria donadora que es introducido en la partícula transductora suele ir sin
acompañamiento de ADN del propio fago. Por ello, a esta peculiar partícula
consistente en cápsida del fago que encierra sólo ADN genofórico de la bacteria se la
denomina pseudovirión.
Siguiendo con la buena racha de descubrimientos, pocos años más tarde
(1956), el mismo Lederberg (esta vez junto con su mujer, y con Morse) hallaron un tipo
nuevo de transducción, mientras estaban estudiando el sistema del fago moderado l y su hospedador, E. coli. Este tipo de transducción
recibió el nombre de transducción especializada, y sus caracteres distintivos
son:
- sólo se transfieren marcadores
cromosómicos cercanos al sitio de integración del ADN del fago (profago) en la
célula lisogénica (p. ej., en el caso de l , los marcadores gal
o bio);
- se produce únicamente como consecuencia
de la inducción de la célula lisogénica por escisión del profago y consiguiente
entrada a fase lítica, productora de nuevas partículas de fago;
- el ADN genómico de la
bacteria transportado por la partícula transductora va unido a ADN del fago;
- la célula transductante se
suele convertir en lisogénica para el fago correspondiente.
3. TRANSDUCCIÓN GENERALIZADA
Se caracteriza porque en ella se puede transferir cualquier trozo de
genóforo bacteriano, con tal de que tenga un tamaño compatible con la capacidad de
"empaquetado" de ADN de la cápsida del fago. La partícula transductora
(pseudovirión) se forma por empaquetamiento anómalo de ADN genofórico
bacteriano. En el interior de la cabeza del pseudovirión sólo existe ADN bacteriano,
sin ADN del fago. Las partículas transductoras sólo se forman como consecuencia de
infecciones líticas del fago.
Mecanismo de la transducción
generalizada promovida por el fago P22 de S. typhimurium.
1ª fase: producción de las partículas fágicas transductoras
(=pseudoviriones): Por encapsidamiento ilegítimo de ADN cromosómico. De vez
en cuando, el sistema fágico encargado de introducir su ADN en la cápsida (sistema pac),
se "equivoca", y en su lugar introduce un trozo de tamaño equivalente del
genóforo de la bacteria donde está teniendo lugar la infección.
Al parecer, el cromosoma bacteriano contiene secuencias que
eventualmente pueden ser reconocidas de vez en cuando por el sistema del fago, de manera
que puede introducirse un trozo de ADN de Salmonella en la cápsida.
Al final de esta fase, la célula hospedadora se lisa. El lisado
(sobrenadante) contiene una mayoría de viriones auténticos y un pequeño número de
pseudoviriones, cada uno con un trozo aleatorio distinto del genomio de la bacteria.
2ª fase: Destino del ADN del exogenote: Mezclemos el lisado
obtenido en la fase anterior con un cultivo de la cepa receptora (dotada de marcadores
genéticos adecuados). Cada pseudovirión inyecta de forma normal su ADN a una bacteria.
Este ADN puede tener varios destinos posibles:
- 1) puede ser destruido por
exo- y endonucleasas citoplásmicas.
- 2) Puede recombinarse con
la región homóloga del genóforo del receptor, mediante la actuación del sistema de
recombinación general dependiente de RecA. Se produce una recombinación con dos
sobrecruzamientos ("crossing-overs"), que conduce a la integración de doble
cadena de ese exogenote, con eliminación de la zona homóloga del endogenote.
- 3) Puede ocurrir que el
exogenote no sea ni destruido ni recombinado; este ADN puede persistir en la célula
sin replicarse. La consecuencia de esto es que cuando la célula que originalmente
recibió ese ADN exógeno se divida, lo pasará solo a una de las dos células hijas, la
cual a su vez la pasará a una hija en la siguiente división, y así sucesivamente.
Tenemos, pues, que el exogenote se va diluyendo en el clon por transmisión unilinear:
tras varias generaciones, el clon consta de n-1 células sin exogenote y una sola célula
con ese exogenote. A este fenómeno se le conoce con el nombre de transducción
abortiva, y es más frecuente que la transducción completa derivada de recombinación
(más de 90% frente a sólo 1-5%).
La célula que alberga el exogenote abortivo puede expresar los genes
de éste: por lo tanto, la célula transductante abortiva contiene proteínas derivadas
del exogenote. Parte de las proteínas (en principio la mitad), pasarán a la célula hija
que no reciba el exogenote en la siguiente generación. Las hijas de la hija ("las
nietas no herederas del original") reciben la cuarta parte, etc... es decir, aparte
de la célula hija que en cada generación hereda el exogenote, sus parientes no-herederos
más cercanos reciben proteínas derivadas de la expresión previa de los genes del
exogenote. Esto significa que las células no herederas pueden poseer, durante unas pocas
generaciones, la función o funciones del exogenote, hasta que el producto correspondiente
se diluya o se inactive.
Esto permite detectar fácilmente determinados tipos de transductantes
abortivos, distinguiéndolos de los transductantes completos. Por ejemplo, si estamos
seleccionando transductantes en base a la adquisición, por parte de una cepa receptora
auxotrofa, de la versión silvestre del gen que tiene mutado, sembrando en placas de Petri
con medio mínimo, se distinguen dos dos tipos de colonias:
colonias grandes, correspondientes a transductantes completos;
microcolonias, correspondientes a los transductantes abortivos.
- 4) Si el exogenote es un
plásmido, al llegar a la célula receptora, puede replicarse autónomamente.
- 5) Si el exogenote contiene un
transposón, éste puede insertarse en el genoma de la célula receptora.
No todos los fagos virulentos pueden actuar como mediadores de
transducción generalizada. Los fagos con esta capacidad suelen ser aquellos que no
degradan totalmente el ADN del hospedador inmediatamente después de entrar (de otra
manera, no habría ADN intacto que transducir). Además, su sistema de empaquetamiento de
ADN no debe ser muy específico: fagos como el P22 de Salmonella typhimurium o el
P1 de Escherichia coli tienen un mecanismo de empaquetado secuencial de unidades de
concatémeros, mecanismo que reconoce secuencias que también existen con cierta
frecuencia en el genoma del hospedador.
La transducción generalizada ha sido muy útil en el análisis
genético de bacterias y la construcción de nuevas cepas. El alumno seguramente
estudiará en la asignatura de Genética algunas aplicaciones, incluida la elaboración de
mapas de ligamiento. En las prácticas de Virología del Departamento de Microbiología de
la Facultad de Ciencias los estudiantes realizan un interesante experimento de
co-transducción que permite aplicar algunas de estas ideas.
4. TRANSDUCCIÓN ESPECIALIZADA (=RESTRINGIDA)
Recordemos que fue descubierta por el equipo de Lederberg (1956),
mientras hacían experimentos de inducción de células de E. coli lisogenizadas
con el fago l . Este tipo de transducción consiste en la
transferencia -mediatizada por fagos moderados producidos en la inducción de un
cultivo lisogénico-, de un número limitado de marcadores, correspondientes a los loci
genéticos adyacentes al sitio de integración del profago. La transducción restringida
nunca ocurre por infecciones líticas. El ADN transducido va unido a ADN del fago.
Mecanismo de la transducción
especializada promovida por el fago l de Escherichia coli
1ª fase: Producción de los fagos transductores: Supongamos una
cepa silvestre de E. coli K12 (l +), o sea,
lisogénica para el fago l . Como ya sabemos, el profago se
encuentra integrado entre los operones gal y bio.
- Inducimos artificialmente este
cultivo lisogénico (tratando, p. ej., con rayos UV, o con mitomicina-C). El profago
desreprime sus funciones vegetativas, de modo que va a entrar en un ciclo lítico,
comenzando por escindirse del lugar de integración, por medio de una recombinación específica conservativa entre sus extremos (BOP'
X POB'). Con una baja frecuencia (10--5-10--6) se producen escisiones
anómalas del profago: bucles anómalos, de modo que se forman círculos que llevan una
porción adyacente del cromosoma bacteriano (dependiendo de los casos, o gal o bio),
y en cambio, queda un trozo del genomio del fago. De esta forma se pueden formar fagos l defectivos (l d) para alguna
función fágica, pero con la "contrapartida" de ser portadores de material
genofórico de la bacteria hospedadora.
- Así pues, de esta forma se
obtiene un lisado (llamado lisado LTF, de baja frecuencia de transducción), donde existe
una pequeña proporción (alrededor de 10--6) de partículas defectivas del
fago portadoras de ADN cromosómico. Estos viriones, por sí solos no podrían establecer
lisogenia, pero si en una misma célula inyectaran su ADN un fago defectivo y otro
silvestre, este último actuaría como fago auxiliador ("helper") de modo que el
defectivo sí podría entonces establecer lisogenia. A continuación veremos precisamente
cada una de estas dos posibilidades. (En ambos casos vamos a suponer que las partículas
transductoras portan el operón silvestre gal+, y que empleamos una cepa
receptora mutante gal--).
2ª fase en el caso de infectar una cepa receptora con el lisado
anterior a baja multiplicidad de infección: Imaginemos que mezclamos un cultivo de la
cepa receptora con un lisado LTF, a una multiplicidad de infección (m.d.i., o en inglés,
m.o.i) de alrededor de 1 (o sea, cada bacteria recibe, por término medio una sola
partícula de fago).
- Una partícula l gal+ inyectaría de forma normal su ADN en la
bacteria gal--. El ADN lineal del fago se circulariza como de costumbre.
Pero obsérvese que este ADN no posee un sitio att normal, sino que presenta
solamente el sitio BOP' (derivado de la escisión anómala producida en el ciclo
anterior), y además, al ser defectivo, cabe la posibilidad de que haya perdido el gen int
que codifica la integrasa. En este caso, la única posibilidad de integración del ADN es
mediante recombinación homóloga simple (un solo crossing-over) propiciada por el
sistema RecA de la bacteria receptora.
- El resultado de esta
recombinación homóloga es la creación de un heterogenote gal+/gal--
con un profago l defectivo, que debido a ese carácter
defectivo no es inducible (no provoca lisogenia). Observar que cada copia del gen gal
es en realidad un "mosaico", con una porción derivada del exogenote y otra del
endogenote. Este heterogenote con fenotipo Gal+ es estable.
2ª fase en el caso de infectar la cepa receptora con el lisado LTF a
una alta multiplicidad de infección: Imagimenos ahora que mezclamos una media de 10
partículas de fago del lisado obtenido en la primera fase con 1 célula de la bacteria
receptora (o sea, una m.o.i.=10).
- Algunas bacterias reciben el
ADN del fago defectivo (l dgal+) junto
con el ADN del fago silvestre.
- El ADN del fago silvestre se
integraría de la forma habitual, mediante su sistema de recombinación específica de
sitio (POP' X BOB'). Este ADN del fago silvestre actúa como auxiliador respecto del
defectivo: le suministra sitios para la recombinación y la función de la integrasa. Por
lo tanto, a continuación se produce otro evento de recombinación específica entre ambos
ADN de l .
- El resultado es un heterogenote
gal+/gal-- que es doble lisogénico (l +/l d). Su fenotipo sería Gal+ y l
+, capaz de producir, por inducción partículas de fago silvestres y
defectivas.
- Supongamos que inducimos ahora
este clon doble lisógeno: se producen dos bucles en cada célula, uno que regenera el
genomio circular del l silvestre, y otro que origina el de l dgal+. Observar, pues, que el resultado de
esta inducción es un lisado donde existe un 50% de l +
y un 50% de fagos portadores del gen gal+. Si este lisado lo usamos para
infectar de nuevo una cepa gal--, la proporción de transductantes Gal+
será muy alta. Por esta razón, al lisado obtenido por inducción del doble lisógeno l +/l d se le denomina lisado
HTF (alta frecuencia de transducción).
La transducción especializada con el fago l
permitió los primeros aislamientos ("clonaciones") de genes in vivo,
pero por supuesto, desde mediados de los años 70 la clonación de genes se realiza ya con
métodos de ADN recombinante (ingeniería genética).
[ Atrás ] [ Principal ] [ Arriba ] [ Siguiente ]
[ Atrás ] [ Principal ] [ Arriba ] [ Siguiente ] Atrás ] [ Principal ] [ Siguiente ] Atrás ] [ Principal ] [ Siguiente ] Atrás ] [ Principal ] [ Siguiente ] Atrás ] [ Principal ] [ Siguiente ] Atrás ] [ Arriba ] [ Siguiente ]
LIBROS DE
TEXTO Y DE CONSULTA
DAVIS y otros (1990): Microbiología (4ª. edición).
Masson-Salvat. Aspectos generales y mapeo por transducción: cap. 7 Visión en
profundidad: cap. 46.
JIMÉNEZ SÁNCHEZ, A., A. GUERRERO (coordinadores) (1982): Genética
Molecular Bacteriana. Ed. Reverté, Barcelona. Cap. 6. "Aspectos actuales de
la transducción generalizada" (págs. 141-171).
JIMÉNEZ SANCHEZ, A., JIMÉNEZ MARTÍNEZ, J (1998): "Genética
microbiana". Ed. Síntesis.Madrid.
MALOY, S.R., J.E. CRONAN, D. FREIFELDER (1994): "Microbial
genetics" (2ª edición). Jones and Bartlett Publishers, Boston y Londres. (Consultar
capítulo 18).
SNYDER, L., Y W. CHAMPNESS (1997): Molecular Genetics of Bacteria.
Washington DC: American Association for Microbiology. Capítulo 7.
STANIER y otros (1988): Microbiología, 2ª edición. Ed.
Reverté, Barcelona.Cap. 11, págs. 288-290.
SUZUKI y otros: Genética (5ª edición), Ed.
Interamericana-McGraw Hill, Madrid.
ARTÍCULOS
DE REVISIÓN
MASTERS, M. (1996): Generalized transduction. En: "Escherichia
coli and Salmonella typhimurium. Cellular and molecular biology", 2ª
edición (F.C. Neidhart, ed.). American Society for Microbiology Press. Washington, D.C.,
págs. 2421-2441.
WEISBERG, R.A. (1987): Specialized transduction. En: "Escherichia
coli and Salmonella typhimurium. Cellular and molecular biology", 2ª
edición (F.C. Neidhart, ed.). American Society for Microbiology Press. Washington, D.C.,
págs. 2442-2448.
actualizado el 30 de diciembre de 1998
Ó
1998 ENRIQUE IAÑEZ PAREJA. Prohibida su reproducción, salvo con fines
educativos.
Se agradecen los comentarios y sugerencias. Escríbame a eianez@goliat.ugr.es
ásásás ] [ Arriba ] [ Siguiente ]Atr