1.CaracterísticasdeGenomasLM[1]

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• Genética Microbiana Bio 430

MICROBIOMASHay 10 veces más células de bacterias en nuestrocuerpo que células de humano

Características Genómicas deProcariotas

Tres dominios de vida

Freeman

2005

Emphasizes the

differences between 3

main groups, based on their

phylogeny (the evolutionary

history of a group; how they are related to each other)

1. Bacteria2. Archaea

3. Eukarya


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Cells of eukaryotes (left) and prokaryotes (right). The top part of the figure shows a typical human cell and typical bacterium

drawn to scale. The human cell is 10 µm in diameter and the bacterium is rod-shaped with dimensions of 1 ! 2 µm. The lower

drawings show the internal structures of eukaryotic and prokaryotic cells. Eukaryotic cells are characterized by their membrane-

bound compartments, which are absent from prokaryotes. The bacterial DNA is contained in the structure called the nucleoid.

© 2002 Taylor & Francis

Diferencias entre células eucariotas y procariotas

1.Organismo y designación de la cepa

• Piedra angular de la nomenclaturabacteriana: – ICNP (International Code of Nomenclature of

Prokaryotes, Código internacional denomenclatura de procariotas) enero/1980

• Gobierna el nombre científico de las bacterias•

Publicación oficial del Comité Internacional de

sistemática de procariotas (ICSP, InternationalCommittee on Systematics of Prokaryotes)• Publicado por la ASM (Asociación americana de

microbiología)

• En contraste con la nomenclatura eucariótica,no hay una clasificación oficial de los procariotasporque la taxonomía sigue siendo una cuestiónde criterio científico.

• La clasificación más aceptada es la elaboradapor la oficina editorial del Manual Bergey deBacteriologÌa Sistemática (Bergey's Manual of

Systematic Bacteriology) como paso preliminarpara organizar el contenido de la publicación.•

Esta clasificación, conocida como "TheTa xo n o m i c Ou t l i n e o f Ba c te r i a a n d Archaea" (TOBA), está disponible en Internet.


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• Para bacterias se utiliza la designaciónde género y especie (Linnaeus)presentado en conjunto con la de la

cepa

–

Aplicado por primera vez en microorganismosen los años 1880s por Robert Koch y otros

• Utilizó la tinción y pruebas bioquímicas paradistinguir las cepas bacterianas

• Clasificación imprecisa, – especies con diferentes tipos, debido a propiedades

diferentes.

– Por ej. E. coli que al igual que muchas especiesbacterianas incluye cepas con diferentes característicaspatogénicas desde cepas poco peligrosas a letales

• Durante el siglo XX los biólogos redefinen elconcepto de especie en términos evolutivos:Grupo de organismos que se puedenentrecruzar uno con otro. – En Procariotas, esto es más problemático porque hay

una variedad de métodos por medio de los cuales losgenes pueden ser intercambiados entre procariotasque, de acuerdo a sus propiedades bioquímicas yfisiológicas son especies diferentes

– La barrera al flujo de genes (gene flow) que escentral al concepto de especie entonces no seaplica a procariotas

Hay tres mecanismos mediante los cuales los genes debacteria pueden pasar de una especie a otra

Conjugación: Dos bacterias establecen contacto físico y unabacteria (la donante) transfiere DNA a la segunda bacteria(recipiente). El ADN puede ser una copia de alguna parte oposiblemente toda el ADN cromosomico de la bacteria donante oun segmento del ADN cromosómico integrado en un plásmido. Estoúltimo se llama transferencia de episoma.

Transducción: transferencia de un segmento pequeño de DNA deun donante a una célula recipiente vía bacteriófago.

Transformación: La célula recipiente toma un fragmento del ADNde su ambiente liberado por una célula donante

“The relative importance of these processes in gene flow betweenspecies is not known. Each mechanism was first recognized as ameans by which DNA can be transferred between Escherichia coli strains, and the extent to which the equivalent forms of transfer canoccur between species has not yet been studied. The threeprocesses have been used experimentally to map the positions ofgenes on bacterial genomes”

•

La secuenciación del genoma haenfatizado la dificultad en aplicar elconcepto de especie a procariotas. –

Es claro que las diferentes cepas de unamisma especie tienen genomas condiferentes secuencias e inclusive gruposde genes, cepa específicos

• Ej. Dos cepas de Helicobacter pylori tienegenomas de diferente tamaño: 1.67 Mb y 1.64 Mbcon 1552 genes y 1495 genes respectivamente.1406 de estos genes presentes en ambas cepas.O sea 6-7% del genoma es único


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Megabase: Unidad de largo de fragmento de igual a un millón denucleótidos.

• E. coli K12 y O157:H7 (altamente patogénica)tienen 4.64 Mb y 5.53 Mb respectivamente. – El DNA extra presente en islas de patogenicidad ‘o

islands’ distribuidos en el genoma en 200 posicionesseparadas y con 1387 genes no presentes en K12 loscuales codifican para toxinas y otras proteínasrequeridas para la patogenicidad

–

K12 contiene ‘K islands’ con 234 segmentos de suDNA único y 528 genes ausentes en O157:H7

– Esta situación establece una diferencia entre ambascepas, con genes específ icos, los cualescorresponden a 26% en O157:H7 y 12% en K12

– Esta variación es substancialmente mayor a loque el concepto de especies en organismossuperiores puede ser aplicado y difícil dereconciliar con la definición de especie paramicroorganismos.

• Las dificultades se hacen mas agudas cuandolos genomas de otras bacterias y archaeas sonexaminados – Debido a la facilidad del flujo de genes entre

procariotas, se pudo anticipar que los mismos genesse pueden encontrar en diferentes especies pero laextensión de la transferencia lateral de genes (transferencia de genes de una especie a otra) fueuna sorpresa

•

La mayoría de los genomas contienen unos cuantoscientos de Kb de DNA adquirido de especies diferentes yen algunos casos mayormente. Ej. E. coli K12

•

La sorpresa fue mayor cuando se observó que latransferencia lateral ocurrió entre especies muydiferentes como las archaeas y bacterias en ambasdirecciones

– La bacteria Thermatoga maritima tiene 1877 genes de loscuales 451 provienen de archaeas

– Procariotas que viven en ambiente similares intercambiangenes unos con otros para incrementar su sobrevivencia ymantenimiento en un ambiente en particular

The impact of lateral gene transfer on the content of prokaryotic genomes. The chart shows the DNAthat is unique to a particular species in blue and the DNA that has been acquired by lateral genetransfer in red. The number at the end of each bar indicates the percentage of the genome that derivesfrom lateral transfer. Note that intergenic regions are omitted from this analysis. Redrawn from Ochmanet al . (2000).


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• La transferencia lateral de genes hatenido un rol importante en la evoluciónde los procariotas. – A diferencia de organismos superiores, la

historia evolutiva de las bacterias y archaea nopueden ser descritas como un patrón simpleramificado, en vez debe incorporar latransferencia horizontal de genes entreespecies.

–

Los microbiólogos se enfrentan con la

necesidad de reevaluar la validez de losesquemas evolutivos que fueron establecidosen la era pre-genoma

Lateral gene transfer obscures theevolutionary relationships betweenspecies. In (A) a group of eight modernspecies has evolved from an ancestorwithout lateral gene transfer. Theevolutionary relationships between thespecies can be inferred by comparisonsbetween their DNA sequences, using themolecular phylogenetics techniquesdescribed in Chapter 16. In (B) extensivelateral gene transfer has occurred. Theevolutionary histories of the modernspecies cannot now be inferred bystandard molecular phylogeneticsbecause one or more of the species may

have acquired the sequences that arebeing compared by lateral gene transferrather than by inheritance from a directancestor.

Posición filogenética

• Estudios de Filogenia molecular han mejorado lap e r s p e c t i v a s o b r e l a b i o d i v e r s i d a dmicrobiológica –

Se basa en la construcción de árboles

filogenéticos basados en secuencias de genes,

los cuales permiten articular el fugaz concepto debiodiversidad

• Análisis de los genes ribosomales: rRNA de lasubunidad pequeña 16S o 18S (SSU RNA, small subunit

rRNA’s)

• Establecen tres dominios principales de la vida:Bacteria, archea y eucariota

Figure 10-30. A ribosome contains a large and a small subunit. Each subunit contains both rRNA of varyinglengths and a set of proteins (designated by different shapes and shading). There are two principal rRNAmolecules in all ribosomes. ( a) Ribosomes from prokaryotes also contain one 120-base-long rRNA that sedimentsat 5S. (b) Eukaryotic ribosomes have two small rRNAs: a 5S RNA molecule similar to the prokaryotic 5S, and a5.8S molecule 160 bases long. The large subunit proteins are named L1, L2, and so forth, and the small subunitproteins are named S1, S2, and so forth. (From H. Lodish, D . Baltimore, A. Berk, S. L. Zipursky, P. Matsudaira, andJ. Darnell, Molecular Cell Biology, 3d ed. Copyright © 1995 by Scientific American Books, Inc.)


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• La mayor biodiversidad de la tierra esmicrobiológica, limitado su conocimiento porsólo organismos cultivables (99% no soncultivables)

• El dominio bacteriano (cultivable) comprendegrupos no relacionados llamados: reino, phylao divisiones (Woese, 1987)

–

División: Linaje que consiste de dos o más secuenciasde 16sRNA que son reproduciblemente monofiléticas(del griego, de una rama, que desciende de un ancestrocomún y los descencientes están incluidos en el grupo)(pertenecientes a un solo taxón) y que no están afiliadas

con los grupos de otras divisiones. – Sin embargo la nomenclatura con el nivel de División noha sido consistente en las diferentes publicaciones,algunas divisiones son nombradas con más de unaasignación

» Ej.G+C gram+ es sinónimo de Actinobacteria

FIG. 1. Evolutionary distance tree of the bacterial domain showing currently recognized divisions and putative(candidate) divisions. The tree was constructed using the ARB software package (with the Lane mask and Olsenrate-corrected neighbor-joining options) and a sequence database modified from the March 1997 ARB databaserelease (43). Division-level groupings of two or more sequences are depicted as wedges. The depth of the wedgereflects the branching depth of the representatives selected for a particular division. Divisions which havecultivated representatives are shown in black; divisions represented only by environmental sequences are shownin outline. The scale bar indicates 0.1 change per nucleotide.

FIG. 2. Relative representation in selected cosmopolitan bacterialdivisions of 16S rRNA sequences from cultivated and uncultivatedorganisms. Results were compiled from 5,224 and 2,918 sequences fromcultivated and uncultivated organisms, respectively


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Fig. 1. Increase in the number of genomes completed per year separated by b acterial phylum.

Lagesen K et al. Microbiology 2010;156:603-608

SGM

Next Generation Sequencing

Secuenciadores de 2nda generación (lavado sincronizadode reactivos trifosfatos de nucleotidos seguido de imagenóptica (Niedringhaus et al 2011).


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Species

Genome (Mb)

Approx. num of genes

References

Eukaryotes

Arabidopsis thaliana (plant)

125

25 500

AGI (2000)

Caenorhabditis elegans 97

19 000

CESC (1998)

Drosophila melanogaster fly) 180 13 600 Adams et al . (2000)

Homo sapiens (human) 3200 30 000–40 000 Venter et al . (2001)

Saccharomyces cerevisiae (yeast)

12.1

5800

Goffeau et al . (1996)

Bacteria

Escherichia coli K12 4.64 4400 Blattner et al . (1997)

Mycobacterium tuberculosis H37Rv

4.41

4000

Cole et al . (1998)

Mycoplasma genitalium 0.58 500 Fraser et al . (1995)

Pseudomonas aeruginosa PA01

6.26

5700

Stover et al . (2000)

Streptococcus pneumoniae 2.16 2300 Tettelin et al . (2001)

Vibrio cholerae El Tor N16961

4.03

4000

Heidelberg et al . (2000)

Yersinia pestis 4.65 4100 Parkhill et al . (2001)

Archaea

Archaeoglobus fulgidus

2.18

2500

Klenk et al . (1997)

Methanococcus jannaschii

1.66

1750

Bult et al . (1996)

COMPARACION DE GENOMAS CUYA SECUENCIA INICIAL SE HA COMPLETADO

DIAP 2

Relación entre el número de genes y el tamaño del genoma en Bacterias.

circular genome

linear genome

3.27 Mb

DIAP 3

Carsonella ruddii es una gamma-proteobacteria

con el genoma más pequeño que hasta el momento

se ha caracterizado.

Tamaño del genoma = 159,662 bp

182 ORFs (97% densidad de genes)

3 genes específicos para rRNA

28 genes específicos para tRNA

Bacterial symbiont on psyliid on hackberry

DIAP 4

Buchnera sp. Genoma pequeño

• Buchnera es un simbionte endocelular presente en muchos áfidos

• La bacteria se encuentra en adipocitos especializados llamados bacteriocitoslocalizados en el intestino

• La simbiosis se estableció hace 200-250 millones de años• Ambos organismos dependen uno del otro para la sobrevivencia

(mutualismo absoluto)

• Genoma de Buchnera:

Buchnera sp. APS = 650 Kb

Buchnera sp. CCE = 450 kb

• Posee genes para la síntesis de aminoácidos esenciales

• Carece de genes de reparación de daños al DNA por UV,de proteínasreguladoras que le permiten adaptarse a cambios en el ambiente

Buchnera sp (!-protobacteria) Bacteriocito Afido (Cinara cedri )

DIAP 5


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Bacillus megaterium

La mayoría de los genomas procarioticos tienen un tamaño menor de 5 Mb. Una excepción es B.megaterium cuyo tamaño es de 30 Mb. Esta bacteria suele ser 100 veces mas grande que E. coli.Hoy día la bacteria se utiliza mucho en la industria como un sistema para la expresión de proteínas.

DIAP 6 DIAP 7

VISION TRADICIONAL DEL CROMOSOMA BACTERIANO

E. coli1.6 mm (cromosoma)1.0 x 2.0 µ" (célula)Relación 1 a 1600

1:400

Loops superenrrollado(40-50 [aprox. 100 Kb])

Loops no superenrrollado

Nucleoid associate proteins(NAPs)

• H-NS• HU• IHF• Fis

DIAP 8

1.VISION TRADICIONAL DEL CROMOSOMA BACTERIANO: E.coli

E. coli •UNICO•CIRCULAR

B. burgdorferi

Streptomyces coelicolor (Se utililiza para producir la mayoría de losantibióticos que se usan con el hombre y con animales, antiparasíticos y herbicidas).Unico en las bacterias por presentar una fase esporulante micelial.

LINEALES

Borrelia burgdorferi (Lyme disease)

DIAP 9


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Los Procariotas no poseen

grandes cantidades de DNA

no codificante.

La gran mayoría de las

bacterias, poseen un alta

densidad de genes ~ 90% delgenoma codifica para

proteínas.

DIAP 10

COMPARACION DE GENOMAS

1. Más genes/región (26)2. Poco DNA repetitivo largo (5)3. Genes continuos (no intrones)

DIAP 11

Cromosoma III S. cerevisiae

Excepciones: Parásitos

intracelulares

Rickettsia prowazekii

(tifus)

(24% noncoding DNA)

Mycobacterium leprae

(Hansen's disease, a.k.a. lepra)

(51% noncoding DNA)

DIAP 12

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