Conjugación bacteriana

La conjugación bacteriana es la transferencia de material genético entre células bacterianas por contacto directo célula a célula o por una conexión tipo puente entre dos células. ^{[ 1 ]} Esto generalmente ocurre a través de un sistema de secreción de tipo IV , un tipo de pilus . ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]} Es un modo de reproducción parasexual en bacterias.

Es un mecanismo de transferencia horizontal de genes, al igual que la transformación y la transducción, aunque estos otros dos mecanismos no implican contacto célula a célula. ^{[ 6 ]}

La conjugación bacteriana clásica de E. coli se considera a menudo el equivalente bacteriano de la reproducción sexual o apareamiento , ya que implica el intercambio de material genético. Sin embargo, no es reproducción sexual, puesto que no se produce intercambio de gametos, ni generación de un nuevo organismo : en su lugar, se transforma un organismo existente. Durante la conjugación clásica de E. coli , la célula donante proporciona un elemento genético conjugativo o movilizable que suele ser un plásmido o un transposón . ^{[ 7 ]} La mayoría de los plásmidos conjugativos poseen sistemas que aseguran que la célula receptora no contenga ya un elemento similar.

La información genética transferida suele ser beneficiosa para el receptor. Entre los beneficios se incluyen la resistencia a los antibióticos , la tolerancia a los xenobióticos o la capacidad de utilizar nuevos metabolitos . ^{[ 1 ]} Otros elementos pueden ser perjudiciales y pueden considerarse parásitos bacterianos .

La conjugación en Escherichia coli por zigogénesis espontánea ^{[ 8 ]} y en Mycobacterium smegmatis por transferencia conjugativa distributiva ^{[ 9 ] [ 10 ]} difieren de la conjugación clásica de E. coli mejor estudiada en que estos casos implican una mezcla sustancial de los genomas parentales .

El proceso fue descubierto por Joshua Lederberg y Edward Tatum ^{[ 11 ]} en 1946.

Diagrama de conjugación

1. La célula donante produce el pilus (normalmente un sistema de secreción de tipo IV ); los genes necesarios se expresan a partir del plásmido conjugativo.
2. El pilus se adhiere a la célula receptora y une ambas células.
3. El plásmido móvil sufre una muesca y, a continuación, se transfiere una única hebra de ADN a la célula receptora.
4. Ambas células sintetizan una cadena complementaria para producir un plásmido circular de doble cadena y también reproducen pili; ambas células son ahora donantes viables para el plásmido conjugativo. ^{[ 1 ]}

El factor F es un episoma (un plásmido que puede integrarse en el cromosoma bacteriano por recombinación homóloga ) con una longitud de aproximadamente 100 kb . Es un ejemplo clásico de plásmido conjugativo. Contiene su propio origen de replicación , el oriV , y un origen de transferencia, u oriT . ^{[ 7 ]} Solo puede haber una copia del plásmido F en una bacteria determinada, ya sea libre o integrada, y las bacterias que poseen una copia se denominan F-positivas o F-plus (denotadas como F ⁺ ). Las células que carecen de plásmidos F se denominan F-negativas o F-minus (F− ⁾ y, como tales, pueden funcionar como células receptoras.

Entre otra información genética, el plásmido F porta un locus tra y trb , que juntos tienen aproximadamente 33 kb de longitud y constan de unos 40 genes . El locus tra incluye el gen de la pilina y genes reguladores, que juntos forman pili en la superficie celular. El locus también incluye los genes de las proteínas que se adhieren a la superficie de las bacterias F− ^e inician la conjugación. Aunque existe cierto debate sobre el mecanismo exacto de la conjugación, parece que los pili son las estructuras a través de las cuales se produce el intercambio de ADN. Los pili F son extremadamente resistentes al estrés mecánico y termoquímico, lo que garantiza una conjugación exitosa en una variedad de entornos. ^{[ 12 ]} Varias proteínas codificadas en el locus tra o trb parecen abrir un canal entre las bacterias y se cree que la enzima TraD, ubicada en la base del pilus, inicia la fusión de la membrana.

Cuando la conjugación se inicia mediante una señal, la enzima relaxasa crea una muesca en una de las hebras del plásmido conjugativo en el oriT . La relaxasa puede funcionar sola o en un complejo de más de una docena de proteínas conocido colectivamente como relaxosoma . En el sistema del plásmido F, la enzima relaxasa se llama TraI y el relaxosoma consta de TraI, TraY, TraM y el factor del huésped integrado IHF. La hebra con la muesca, o hebra T , se desenrolla de la hebra intacta y se transfiere a la célula receptora en dirección del extremo 5' al extremo 3'. Se cree que la hebra se transfiere a través del pilus a la célula receptora. ^{[ 13 ]} La hebra restante se replica ya sea independientemente de la acción conjugativa (replicación vegetativa que comienza en el oriV ) o en conjunto con la conjugación (replicación conjugativa similar a la replicación en círculo rodante del fago lambda ). La replicación conjugativa puede requerir una segunda muesca antes de que se produzca la transferencia exitosa. Un informe reciente afirma haber inhibido la conjugación con sustancias químicas que imitan un paso intermedio de este segundo evento de muesca. ^{[ 14 ]}

Si el plásmido F que se transfiere se ha integrado previamente en el genoma del donante (produciendo una cepa Hfr ["Alta Frecuencia de Recombinación"]), parte del ADN cromosómico del donante también puede transferirse con el ADN del plásmido. ^{[ 6 ]} La cantidad de ADN cromosómico que se transfiere depende del tiempo que las dos bacterias conjugantes permanecen en contacto. En cepas comunes de laboratorio de E. coli, la transferencia del cromosoma bacteriano completo tarda aproximadamente 100 minutos. El ADN transferido puede luego integrarse en el genoma del receptor mediante recombinación homóloga .

Un cultivo celular que contiene células con plásmidos F no integrados generalmente también contiene algunas células que han integrado sus plásmidos. Son estas células las responsables de las transferencias de genes cromosómicos de baja frecuencia que ocurren en dichos cultivos. Algunas cepas de bacterias con un plásmido F integrado pueden aislarse y cultivarse en cultivo puro. Debido a que estas cepas transfieren genes cromosómicos de manera muy eficiente, se las denomina Hfr ( alta frecuencia de recombinación ) . El genoma de E. coli se mapeó originalmente mediante experimentos de apareamiento interrumpido en los que varias células Hfr en proceso de conjugación se separaron de los receptores después de menos de 100 minutos (inicialmente usando una licuadora Waring). Luego se investigaron los genes que se transfirieron. ^{[ 16 ]}

Dado que la integración del plásmido F en el cromosoma de E. coli es un evento espontáneo poco frecuente, y dado que los numerosos genes que promueven la transferencia de ADN se encuentran en el genoma del plásmido en lugar de en el genoma bacteriano, se ha argumentado que la transferencia génica bacteriana conjugativa, tal como ocurre en el sistema Hfr de E. coli , no es una adaptación evolutiva del huésped bacteriano, ni es probable que sea ancestral a la reproducción sexual eucariota. ^{[ 17 ]}

Zigogénesis espontánea en E. coli

Además de la conjugación bacteriana clásica descrita anteriormente para E. coli , en ciertas cepas de E. coli se observa una forma de conjugación denominada zigogénesis espontánea (apareamiento Z para abreviar) . ^{[ 8 ]} En el apareamiento Z hay una mezcla genética completa y se forman diploides inestables que generan células fenotípicamente haploides, algunas de las cuales muestran un fenotipo parental y otras son verdaderos recombinantes .

La conjugación en Mycobacteria smegmatis , al igual que la conjugación en E. coli , requiere un contacto estable y prolongado entre una cepa donante y una receptora, es resistente a la DNasa y el ADN transferido se incorpora al cromosoma receptor por recombinación homóloga. Sin embargo, a diferencia de la conjugación Hfr de E. coli , la conjugación micobacteriana se basa en el cromosoma en lugar de en plásmidos. ^{[ 9 ] [ 10 ]} Además, en contraste con la conjugación Hfr de E. coli , en M. smegmatis todas las regiones del cromosoma se transfieren con eficiencias comparables. Las longitudes de los segmentos donantes varían ampliamente, pero tienen una longitud promedio de 44,2 kb. Dado que se transfiere un promedio de 13 tractos, el total promedio de ADN transferido por genoma es de 575 kb. ^{[ 10 ]} Este proceso se denomina "transferencia conjugativa distributiva". ^{[ 9 ] [ 10 ]} Gray et al. ^{[ 9 ]} encontraron una mezcla sustancial de los genomas parentales como resultado de la conjugación y consideraron que esta mezcla recordaba a la observada en los productos meióticos de la reproducción sexual.

Las arqueas hipertermófilas codifican pili estructuralmente similares a los pili conjugativos bacterianos. ^{[ 18 ]} Sin embargo, a diferencia de las bacterias, donde el aparato de conjugación normalmente media la transferencia de elementos genéticos móviles, como plásmidos o transposones, la maquinaria conjugativa de las arqueas hipertermófilas, denominada Ced (sistema Crenarchaeal para el intercambio de ADN) ^{[ 19 ]} y Ted (sistema Thermoproteales para el intercambio de ADN), ^{[ 18 ]} parece ser responsable de la transferencia de ADN celular entre miembros de la misma especie. Se ha sugerido que en estas arqueas la maquinaria de conjugación se ha domesticado completamente para promover la reparación del ADN mediante recombinación homóloga en lugar de la propagación de elementos genéticos móviles. ^{[ 18 ]} Además del pilus conjugativo similar a VirB2, los sistemas Ced y Ted incluyen componentes para el poro de apareamiento transmembrana similar a VirB6 y la ATPasa similar a VirB4. ^{[ 18 ]}

Las bacterias relacionadas con las rizobias fijadoras de nitrógeno constituyen un caso interesante de conjugación entre reinos . ^{[ 20 ]} Por ejemplo, el plásmido inductor de tumores (Ti) de Agrobacterium y el plásmido inductor de tumores radiculares (Ri) de A. rhizogenes contienen genes capaces de transferirse a las células vegetales. La expresión de estos genes transforma eficazmente las células vegetales en fábricas productoras de opinas . Las bacterias utilizan las opinas como fuente de nitrógeno y energía. Las células infectadas forman agallas o tumores radiculares . Los plásmidos Ti y Ri son, por lo tanto, endosimbiontes de las bacterias, que a su vez son endosimbiontes (o parásitos) de la planta infectada. ^{[ 21 ]}

Los plásmidos Ti y Ri también pueden transferirse entre bacterias mediante un sistema (el operón tra , o de transferencia ) que es diferente e independiente del sistema utilizado para la transferencia entre reinos (el operón vir , o de virulencia ). Dichas transferencias crean cepas virulentas a partir de cepas previamente avirulentas. ^{[ 22 ]}

La conjugación es un medio conveniente para transferir material genético a una variedad de objetivos. En laboratorios, se han reportado transferencias exitosas de bacterias a levaduras, ^{[ 23 ]} plantas, células de mamíferos, ^{[ 24 ] [ 25 ]} diatomeas ^{[ 26 ]} y mitocondrias de mamíferos aisladas . ^{[ 27 ]} La ​​conjugación tiene ventajas sobre otras formas de transferencia genética, incluyendo una mínima alteración de la envoltura celular del objetivo y la capacidad de transferir materiales genéticos relativamente grandes (ver la discusión anterior sobre la transferencia de cromosomas de E. coli ). En ingeniería vegetal, la conjugación tipo Agrobacterium complementa otros vehículos estándar como el virus del mosaico del tabaco (TMV). Si bien el TMV es capaz de infectar a muchas familias de plantas, estas son principalmente dicotiledóneas herbáceas . La conjugación tipo Agrobacterium también se usa principalmente para dicotiledóneas, pero los receptores monocotiledóneos no son infrecuentes. ^{[ 28 ]}

• Transformación
• Transducción
• Conjugación sexual en algas y ciliados
• Transfección
• Apareamiento triparental
• Inducción cigótica

• Conjugación bacteriana (una animación Flash)