Mutaciones en Bacterias

 

CLASE 6: TIPOS DE MUTACIONES EN BACTERIAS

MSc. Rosa María Liñán Abanto

 

MUTACIONES o

o

o

o

  Cualquier alteración en la secuencia de ADN o cualquier modificación heredable.   No necesariamente son irreversibles, ya que existen mecanismos de reparación y reversión.  Pueden ser espontáneas o inducidas por agente mutágenos.   Es la base esencial de dell proceso evolutivo

 

TIPOS DE MUTACIONES

SEGÚN LA EXTENSIÓN EXTENSIÓN DEL MATERIAL GENÉTICO AFECTADO

SEGÚN SU ORIGEN

Espontáneo o interno

 

GÉNICAS

GENÓMICAS

CROMOSÓMICAS

Los efectos son

Afecta a

puntuales localizados en un determinado gen.

amplias porciones del genoma

Afecta a la estructura del cromosoma

Inducido o externo

SEGÚN SU EFECTO

Perjudiciales

Neutras

 

Beneficiosas

 

Mutaciones Génicas Tipo

Agente causal

Consecuencias

Transición: pirimidina sustituida por  pirimidina o purina sustituida sustituida por  purina.

Análogos de desaminantes, bases, radiación UV, agentes alquilantes. Espontánea.

Si se péptido forma un codón sin sentido, trunco.

Transversión: purina sustituida por Transversión:  pirimidina o viceversa.

Espontánea.

Sustitución

Si se forma un codón de sentido erróneo, proteína alterada.

Deleción Macrodeleción: supresión de un segmento grande de nucleótidos

HNO2, radiación, agentes alquilantes.

Péptido trunco

Microdeleción Microdeleci ón o deleción deleción puntual. puntual. Supresión de 1 o dos nucleótidos

HNO2, radiación, agentes alquilantes.

Corrimiento del marco de lectura, que casi siempre da lugar a un codón sin sentido y a un péptido trunco.

Macroadición: inserción de un segmento grande de nucleótidos

Transposones o secuencias de inserción

Gen interrumpido que da lugar a un  producto trunco.

Microadición o adición puntual: Inserción de 1 o 2 nucleótidos.

Acridina

Corrimiento del marco de lectura, que casi siempre da lugar a un codón sin sentido y a un péptido

Adición

Inversión

Transposones o secuencias de inserción

trunco. Diversos efectos posibles

 

MUTACIONES GENICAS

Pueden afectar a: Una secuencia descriptora o moduladora: afecta a la

expr ex pres esió ión n de su unexpresión op opeeró rón n co com mple pleto to,, aum aument ntan ando do o disminuyendo Un gen estructural: su efecto se analiza a nivel del

nucleótido, del código o de la función

 

A.

A NIVEL DEL NUCLEOTIDO

Mutaciones puntuales.

Cuando afectan normalmente a un(Sustitución) solo nucleótido. Se cambia un nucleótido por otro

Mutaciones de cambio de fase:

Cuando se añade o quita uno o más nucleótidos se suele afectar a la fase de lectura de los codones. Se pueden dar por inserción: desfase+1, +2 etc. Se puede dar por deleción: desface-1,-2 etc.

 

B.

NIVEL DEL CODIGO

  El

cambio de una letra por otra en la secuencia de un gen tendrá un efecto   fenotípico mayor o menor dependiendo del cambio que produzca en la proteína mutada.   Cuando una letra mutada por transición ocupa durante la traducción la tercera posición de un codón, tiene una muy elevada probabilidad de no afectar al aminoácido codifica codificado do   La

probabilidad de alterar al aminoácido aumenta si se trata de una dos primeras. Muta Mu taci ción ón si sile lenc ncio iosa sa:: cu cuan ando do no se alte altera ra el sign signif ific icad ado o de dell codó codón, n, mutación a nivel del nucleótido transversión y es aún mayor si la posición en el triplete es una de las



 

Mutación sin sentido: cuando el cambio conduce a un codón de fin de

mensaje M utación de cambio de sentido: cuando cuando el ccambio ambio en la lletra etra co conduce nduce a un cambio en el aminoácido

No todas las mutaciones de cambio de sentido tienen el mismo efecto fenotípico: Mut utac ació ión n de ca camb mbio io co cons nse erv rvad ador or : cuando una aminoácido es cambiado por

otro que tiene el mismo o similar grupo funcional Ejemplo: asparagina por glutamina

M utación dedistinto. cambio radical: cuando un aa es cambiado por otro radicalmente

Ejemplo: lisina por leucina De los 576 cambios posibles que pueden darse por sustitución de una letra porr otra po otra el 25 25% % son ssil ilen enci cios osas as,, el 71 71% % ca camb mbia ia de aaaa y el 4% son son si sin n sentido. De todos los cambioa de aa el 53% son conservadores y el 47% son radicales

 

C.

Mutaciones

NIVEL DE LA FUNCION

silenciosas

:

las sustituciones no afectan a la funcionalidad de una proteína y por lo tanto el fenotipo.

Mutaciones de perdida o cambio de función: cuando producto de las sustituciones de aa la proteína pierde su función.

Ejemplo: una mutación   Lact -  hace hace al repr repreeso sorr de la lact lactos osaa no funcional. una mutación en el gen   rpsl,   que que codif ific icaa una de las proteí proteínas nas ribosómicas, ribosómica s, convierte al ribosoma ribosoma y a la bacteria resistente a la estreptomicina. Desde el punto de vista evolutivo es el nivel de la función el que tiene una consider consideración ación definit definitiva. iva.

 

EFECTOS FENOTIPICOS DE LAS MUTACIONES

DEL FENOTIPO AL GEN Búsqueda de las mutaciones El fenotipo de una mutación mut ación revela la función del gen afectado 

ANALISIS MOLECULAR DEL FENOTIPO Mutaciones puntuales de la región codificadora Mutaciones rezumantes Mutaciones condicionales 

Mutaciones Dominantesdominantes negativas y recesivas  SUPRESION DEL FENOTIPO MUTANTE

 

Búsqueda de las mutaciones Las    Las

muta utacion ciones es hace hacen n que que el feno fenoti tipo po de los indiv ndivid idu uos se diferencien en algún carácter respecto del individuo normal que

Fenoti otipo po silv silvest estre re sirve de referencia ( Fen   Los genes pueden ser sometidos a la disección molecular y en algu al guno noss casos casos a pesa pesarr de hab haber er difere diferenc ncias ias en la secu secuen enci ciaa ni hay cambios aparentes en el fenotipo , e incluso muchas veces ni

siquiera introducen cambios en la proteína codificada.    Potencial esencial para sobrellevar los cambios del ambiente.

 

Las mutaciones espontáneas generalmente incluyen mutaciones silenciosas  Otras mutaciones pueden ser desventajosas dando 

fenot otip ipos os pe perj rjud udic icia iale les s pa para ra la espe especi ciee que que lugar a fen sele lecc cció ión n na natur tural al.. pueden ser eliminados por se  En algunos casos las mutaciones pueden ser ventajosas →   ocurren rara vez, pero esta ventaja

potencial ambiente. esencial para sobrellevar los cambios del

 

El fenotipo de una mutación revela la función del gen afectado



El fenotipo fenotipo constituye constituye una poderosa poderosa her herramie ramienta nta biológica biológica que permi pe rmite te estab estable lece cerr un unaa rela relaci ción ón dir direc ecta ta entr entree un gen gen y una una función del organismo.



El fenotipo fenotipo mutante mutante permite permite conclui concluirr que hay un un gen concreto concreto ( el mutado) que en la cepa silvestre es responsable de hacer bien la caracter característica ística que se altera con la mutación. mutación.



La posi posici ción ón del del ge gen n en el crom cromos osom omaa se de desc scon onoc oce, e, que proteínas proteí nas codifican, codifican, pero se demues demuestra tra por por deducció deducción n que que ese ese gen existe y que participa en ese carácter .

 

  Los

genes de cualquier microbio son los responsables de todas sus propiedades, pero no todas estas propiedades son igualmente importantes para la supervivencia, por lo tanto, la trascendencia del fenotipo que causa una perdida de función depende de cual sea la función que falta.

   Cualquier

mutación de pérdida de función en los genes esenciales conduce a un fenotipo letal



  Existen esenciales condiciones fisiológicas y no engenes otras.que Unson ejemplo vieneenaunas ser los mutantes en rutas metabólicas: mutantes Leu- son defectuosos en la biosíntesis de leucina   →no  crece en medios sin leucina y se evidencia su feno fe noti tipo po de au auxo xotr trof ofia ia

 

ANALISIS MOLECULAR DEL FENOTIPO Los fenotipos mutantes es consecuencia de un defecto molecular del ADN    La

mu muta taci ción ón pu pued edee af afec ecta tarr a cu cual alqu quie ierr co comp mpon onen ente te de dell gen: gen: regiones codificadoras y no codificadoras. codificadoras.

   Se    En

puede originar una proteína alterada ( o un ARNr o ARNt) los microorganismos la proporción de secuencias codificadoras es muy alta por lo tanto son las mas afectadas por las mutaciones con efectos fenotípicos.

   Se

puede hacer el anális análisis: is: Mutaci Muta cion ones es pu punt ntua uale les s de la re regi gión ón co codi difi fica cado dora ra Mutacio Muta ciones nes rezu rezuman mantes tes Mutaciones Mutaci ones condici condicional onales es Muta Mu taci cion ones es do domi mina nant ntes es y re rece cesi siva vas s Domina Dom inante ntes s nega negativ tivos os

 

Mutaciones puntuales de la región codificadora : Las muta Las mutaci cion ones es en la pri prime mera ra bas basee de dell codó codón n son son las las que que originan cambios funcionales con mayor probabilidad. Sin n emb embar argo go a vece vecess llaa pr prot oteí eína na no pie pierd rdee tota totalm lmeente nte su su  Si función  En las proteínas con más de un dominio esencial las mutaciones puntuales pueden alterar solo uno de ellos.  Ejemplo: en una proteína que funciona molecularmente como factor de transcripción se puede inactivar por mutación solo el dominio necesario para unirse al ADN, o solo el dominio de unión a la ARNpol, manteniéndose las otras funciones activas. 

 

Mutaciones rezumantes



Son mutaciones que reducen la actividad de una proteína hasta hacerla limit itaante pero sin ll lleegar gar a eliminarl arla (pérdida parcial de función)



Genera Gene ran n feno fenoti tipo poss rezu rezuma mant ntes es de co comp mple lejo jo an anál ális isis is genético por lo poca claridad con que se manifiesta.

Ejemplo: la mayoría de mutaciones que afectan a la

maq ma qui uina nari riaao de sí sínt ntes esis isente de prot oteí eína nas s ipo son soon de de crecim est escimie te ient ti tipo po, pr provo ovoca cand ndo frec frecue uent ntem emen te pr un fenot fe notip cre nto o, lento.

 



Muchas Much as ve vece cess este este tipo tipo de muta mutaci cion ones es se conv convie iert rten en en letales



Algunos proced cedimiento pueden conll lleevar este tipo de mutaciones mutacio nes a condicione condicioness letale letaless o pérdid pérdidaa total total de función función Aumento de actividad biosintética por incremento de

temperatura

Inhibición parcial de la traducción: aña añadir dir pequeñ pequeñas as

dosis de estreptomicina (bacterias) o con cicloheximida (hongos) reduce levemente la actividad de los ribosomas y no llega a ser letal en organismos silvestres pero si en los mutantes.

 

Mutaciones condicionales   Son

mutaciones que permiten que las condiciones ambientales mantengan activa o inactiva una determinada proteína proteína mutante.   Son muy útiles para estudiar el fenotipo que se produce por la perdida de función en genes esenciales para determinar así su función precisa en el microorganismo.   La sensibilid sensibilidad ad del crecimiento crecimiento a alta temp temperatu eratura ra fue el prim primer er parámetro empleado p para ara determinar determinar este tipo de mutaciones

La enorme utilidad de mutaciones condicionales es que un simple control de temperatura permite conectar o desconectar una única función de la célula

 

 Ejemplo:

mutaant30°C es dpero e bason cterialetales s quea c42°C recen( normalmente Fenotipo termosensible) han permitido identificar multitud de genes que codifican

funcionede s eADN, sencila ales lede s la coexpresión mo la mde aqulos inargenes, ia de síntesis etc.  También se han identificado mutantes criosensibles que propician que la proteína no adopte su estructura funcional a una temperatura t emperatura inferior a 25°C pero si por encima de 35°C

 

Mutaciones dominantes y recesivas    En

micr cro oorg rgan ismo moss ha hapl plo ide ides proteína no es proviene apl aplica cabl bleedeelunconc cosolo ncep ept to dey dominancia oani recesividad :ouna alelo este es el que determi determina na el fenotipo del microo microorganismo. rganismo.    Pero puede existir duplicación de genes y se puede presentar una situación de heterocigosis lo que permite ensayar la dominancia y la recesividad    En una bacteria se puede presentar diploidia parcial o merodiploide    Las mutaciones de perdida de función son siempr siempree recesivas.    Lac- : es un mutante que tiene el promotor disfuncional, no transcribe al operón

 

Dominantes negativos   En

general :

  Esta

Pérdid Pérd ida a de fu func nció ión: n: recesivo Ganancia de función : dominante

norma es muy general para productos génicos que actúan como monómeros.    Cuand Cuando o la proteí proteína na es un complej complejo o , la perdida de funci función ón puede actuarr en fforma actua orma domi dominante nante..    Ejemplo: cuando existen dos alelo aleloss uno produciendo una proteína funcional funci onal y el otro la prote proteína ína mutante, mutante, si el pro producto ducto gé génico nico es un homodímero , los complejos que tienen uno o dos proteínas mutantes no son funcionales y solo los dímeros que tienen las dos proteínas silvestres son funcionales.

 

Supresión del fenotipo mutante    El

fenotipo letal puede ser suprimido cultivand cultivando o al microorganismo en las condiciones condiciones en las que dicha proteína no es esencial.

   Por

ejemplo un mutante auxo auxotrófico trófico para leucina es letal en un medio sin este aa, pero la mutación pasa desapercibida en un medio con leucina.    La supresión puede ser: Compensación de la la función estructura Compensación de Compensación en la traducción

 

A. Compensación de la estructura Cuando una mutación puntual origina el cambio de un aminoácido por otro ( mutación de cambio de sentido) con la alteración de la estructura de la proteína, una segunda nda mutación puede compensar a la primera y restaurar la estructura perdida: Segunda mutación puede originar: 

Supresión Supresi ón intr intragé agénic nica a Porque reemplaza el aa afectado por otro igual o

equivalente Porque

una

compensa la 

segunda

mutación

estructura

Supr Su pres esio ion n ex extr trag agén énic ica a o in inte terg rgén énic ica a

en ot otra

posición

En comp comple lejo joss prote proteic icos os la m mut utaci ación ón pued puedee produ produci cirr una una perdida de función por afectar a la estructura secundaria y la segunda mutación que restaura la función puede estar localizada en la otra proteína con quien interacciona.

 

Compensación de la función Cuando el fenotipo de una mutación puede revertirse extragénicamente ( con una segunda mutación en otro gen ) puede concluirse que las dos proteínas afectadas interaccionan físicamente entre ellas o actúan funcionalmente sobre la misma actividad biológica

Compensación en la traducción Los pr Los prim imer eros os ca caso soss de su supr pres esió ión n de desc scri rito toss co corr rres espo pond nden en a la supresión de las mutaciones causadas por un cambio en la fase de lectura (mutaciones de desfase) y por las causadas por un fin de mensaje (mutaciones sin sentido ) Las mutaci mutacione oness de d desf esfase ase se p pued ueden en re rever vertir tir por llaa ins inserc erción ión de uno un o o má máss aa disti distint ntos os ent entre re la mu muta taci ción ón origi origina nall y la mut mutac ació ión n supresora

 

DEL GEN AL FENOTIPO   Existen

dos aproximaciones que permiten establecer la relación entre un gen y una funci función: ón: Primer caso :Con Consis siste te en ide identi ntific ficar ar

tod todos os los gen genes es pos posibl ibles es

que puedan afica unr fenotipo concreto Segupor ndomutación caso: co cons nsis iste te dar en lugar iden identi tifi car to todo doss lo los s fe feno noti tipo poss posi po sibl bles es qu quee po porr mu muta taci ción ón se pu pued eden en ge gene nera rarr de un gen gen concreto   El

segundo segu ndo ca caso so es bast bastante ante comp complejo lejo porqu porquee los fenoti fenotipos pos p posibl osibles es son so n innu innume mera rabl bles es y pa para ra ab abor orda darr es este te ob obje jeti tivo vo so solo lo se pu pued eden en esta es tabl blec ecer er gran grande dess bl bloq oque uess de fe feno noti tipo poss pr prot otot otipo iposs qu quee den den un unaa pista general de su función

   Otro

problema es que el número de mutaciones dirigidas que se

pue pueden den exa examin minar ar suel serión lim limita itado do y por nor normal malmen te se examina el fenotipo feno tipo de perd perdida idasuele de efunción func causada cau sada un unaamente deleci deleción ón exami o pornauna roturaa con trans rotur transposó posón n.

 

FENOTIPOS MUTANTES

 Las

mutagén mu tagénesis esis se realiza realizan n indu inducien ciendo do daños daños en el ADN ADN con UV UV,, o mo modi difi fica cand ndo o bas bases es co con n trat tr atam amie ient ntos os quím químic icos os (nit (nitro roso sogu guan anid idin inas as), ), Meta Me tan nos osul ulfo fon nato ato de etil etilo (EMS (EMS)) o de forma forma biológica induciendo la mutagénesis en bacterias bacte rias con trans transposo posones nes

 To Tod dos

los mutá mutáge geno noss ti tien enen en un unaa acci acció ón al aleatoria aleato ria por por lo que llaa frec frecuenci uenciaa de mut mutante antess con un determinado fenotipo común son reflej ref lejo o de la pro propor porció ción n de genes genes imp implic licado adoss en ese carácter

 

AGENTES MUTAGENICOS

•

Radiación UV solar

Dimerización



de

pirimid pir C·C.) imidina inass (T·T, (T·T, C·T y •

Rayos

X

y

gama



Ionizan Ioniza n a las molécul moléculas as que rodean el ADN generando especies altamente reactivas que rcadenas. ompen una o ambas

 

   Estos

mutantes se obtienen por azar y se seleccionan excl ex clus usiv ivam amen ente te po porr co comp mpar arti tirr un mi mism smo o fe feno noti tipo po por lo qu quee algunos pueden poseer mutaciones del mismo gen.

  El

análisis anális is g genétic enético o de es estos tos mutan mutantes tes p permi ermite te averi averiguar guar cuale cualess

corresponden al mismo gen .   La probabilidad probabilidad de que un mutante mutante mani manifies fieste te dos feno fenotipo tiposs es orientativa de la proporción de genes que pueden participar en ambos caracteres.    La

bú búsq sque ueda da de ge gene ness im impl plic icad ados os en un feno fenoti tipo po se pu pued edee realizar también por ingeniería genética, en los que todos los ARNm AR Nm de un unaa cé célu lula la,, re repr pres esen enta tado doss po porr su suss AD ADNc Nc,, pued pueden en colocarse en un pro promotor motor regula regulable ble y alterar el fenotipo ssilvestre ilvestre por superproducción o por desregulación.

  

Cuadro 1: frecue frecuencia ncia de mutante mutantess con fenotipo fenotipo etanoletanol- sensible (es), (es), termosensibles (ts) y auxótrofos (aux) o que muestran dos de estos fenotipos a la vez entre las células supervivientes a una mutagénesis con EMS( etilmetanosulfonato) es

ts

es

0,029

ts

0,011

0,035

aux

0,006

0,004

aux

0,025

 

La colonia como unidad de búsqueda de fenotipos mutantes    La

colonia es el resultado de las divisiones sucesivas de la célula bact acteri riaana, todas las las células las son gen genéticamente idénticas (clónicas )

  La

colonia es la unidad mas importante para la identificación de células mutantes porque constituye un clon.

   En

genera gen erall los princi principal pales es sistema sistemass en los que se identific identifican an coloniass mutantes colonia mutantes emplean emplean procesos procesos de o o o

réplica, selección y contraselección

 

Réplica :Mutantes metabólicos 

Búsqueda Búsque da de mutantes auxótrofo auxótrofos s por réplica de colonias colonias

Esta técnica permite que existan mutantes viables en muchas rutas bio bi osint ntét étic icaas porq porqu ue aun sin pode poderr sin inte teti tiza zarr un comp compu ues esto to esencial esen cial , el defect defecto o de la ruta se suple suple con la adició adición n de producto producto final. Esta propiedad sirve para identificar prácticamente cualquier tipo de mutante auxotrófico mediante un sistema de réplica en caja. Ejemplos: par paraa bus buscar car mut mutant antes es aux auxotr otróf ófico icoss par paraa ami aminoá noácido cidoss pued pu eden en se semb mbra rars rsee célu célula lass mutage mutageni niza zada dass en caja cajass de Petr Petrii con medio abundante en aas. En es este te me medi dio o cr crec ecen en colo coloni nias as pr prot otót ótro rofa fass co como mo au auxó xótr trof ofas as y ambos tipos son indistinguibles, pero de estas colonias se puede hace ha cerr u una na ré répl plic icaa een n m medi edio o ssin in am amin inoá oáci cido do do donde nde las las que que so son n auxotrofas no crecen