Genoma bacteriano – por uma visão menos simplista…

Ah… Bactérias e seus desenhos esquemáticos. Muito úteis, é bem verdade, mas agora, cursando a disciplina de “Citologia e Fisiologia de Microrganismos” estou tendo a oportunidade de ver como esses desenhos (na verdade, a nossa visão) sobre a estrutura de uma bactéria são extremamente simplistas.

Uma grande surpresa, veio junto com o primeiro seminário da disciplina (que inclusive foi do meu grupo) sobre a organização do genoma bacteriano. Antes de verticalizarmos sobre esse tema, dê uma olhadinha nas duas figuras abaixo (bem clássicas por sinal) [clique para ampliar] :

ResearchBlogging.org O primeiro ponto: o cromossomo bacteriano não é como uma linha toda embolada, jogada de qualquer jeito no meio da célula. Muito pelo contrário, é uma estrutura altamente organizada, com regiões de maior ou menor enovelamento – veja abaixo:

Outro ponto muito curioso é sobre a replicação do cromossomo bacteriano – que é circular. Como podemos ver na figura, ele tem um ponto de ORIGEM de replicação, e um de TÉRMINO; e, assim, a partir da origem, as forquilhas de replicação seguem em ambos os sentidos (bactéria de crescimento lento, na figura). Até, não tem muita novidade. A questão é que em algumas bactérias esse tempo de replicação do cromossomo é *maior* do que o tempo de duplicação da própria bacteria. Como isso é possível? As  bactérias iniciam várias forquilhas simultâneas de replicação (bactéria de crescimento rápido, na figura) e, assim, quando o primeiro ciclo de replicação termina, cada célula-filha recebe um cromossomo que já está em divisão!

Vamos simplificar um pouquinho, linearizando e observando somente uma das forquilhas de replicação as forquilhas de replicação de uma metade do cromossomo bacteriano, para conseguirmos chegar ao próximo ponto. Em *A* observamos a replicação de bactérias de crescimento lento, e em *B* de crescimento rápido. As linhas pontilhadas, representam a posição de 3 genes: A, B e C. Considerando assim, vemos que a quantidade de cópias de genes, diferenciam-se em cada tipo de bactéria. Por exemplo:

— o *gene A* na bactéria de crecimento lento encontra-se com 2 cópias, e na de crescimento rápido com 4 cópias.

— o *gene B* apresenta-se com 1 cópia na bactéria A, e com 2 cópias na bactéria B

— o *gene C* apresenta-se com 1 cópia em ambas as bactérias

E qual a implicação disso? A presença de mais cópias de um gene, implica uma maior expressão desses. Ou seja, na bactéria de crescimento rápido, o gene A é mais expresso que o gene B, que é mais expresso que o gene C. Então, no decorrer do tempo, a evolução selecionou alguns genes (principalmente aqueles relacionados à replicação como: DNAribossomal, proteínas ribossomais e polimerases) para ficarem mais próximo ao ponto de origem de replicação – afinal, são genes que precisam ser muito expressos para garantir a duplicação rápida da bactéria. Isso implica, ainda, que alterações que modifiquem o genoma de forma com que esses genes desloquem-se para longe da origem, diminua o fitness da bactéria pois há alteração nas taxas de expressão gênica e do crescimento bacteriano.

O último ponto diz respeito à disposição dos genes em cada uma das fitas do DNA. Para isso é importante sabermos que a replicação do DNA (feita pela DNApolimerase) ocorre numa velocidade de cerca de 600 a 1.000 nucleotídios/segundo. Por sua vez a velocidade de transcrição do DNA em RNAm (feita pela DNApolimerase RNApolimerase) é bem mais lenta: 30 a 80 nucleotídios/segundo. Em procariotos esses processos ocorrem simultâneamente. Podemos imaginar isso como dois trens (as polimerases) andando num único trilho (DNA). Como eles possuem diferentes velocidades é claro que em algum momento eles irão se chocar. Esse choque pode ocorrer frontalmente ou de forma co-orientada. E é esse o grande ponto que vai definir a posição dos genes nas fitas de DNA.

Quando a colisão é frontal, todos os mRNA que estão sendo formados são abortados – em outras palavras: não é formado nenhum RNAm funcional e, portanto o gene não é expresso. Quando a colisão é coorientada, alguns mRNA conseguem ser finalizados, e assim, esses genes tem uma ligeira oportunidade de serem mais expressos. A colisão frontal ocorre quando a RNApolimerase está sintetizando RNAm a partir da fita descontínua; enquanto a colisão co-orientada ocorre quando a síntese ocorre a partir da fita líder. Assim, genes essenciais à sobrevivência da bactéria tendem a estarem localizados a fita líder do cromossomo.

RESUMO DO POST

  • O cromossomo bacteriano é altamente organizado
  • Bactérias de crescimento rápido originam várias forquilhas simultâneas de replicação – o que permite uma maior taxa de duplicação celular, em um menor tempo
  • Genes que tendem a ser mais expressos estão localizados mais próximos à região da origem de replicação cromossômica
  • Genes essenciais, por sua vez, estão localizados na fita líder do DNA cromossômico.
BIBLIOGRAFIA

Rocha, E. (2008). The Organization of the Bacterial Genome Annual Review of Genetics, 42 (1), 211-233 DOI: 10.1146/annurev.genet.42.110807.091653

Figuras

  • estrutura bacteriana (2 figuras):  já estão linkadas.
  • organização do genoma: roubei da aula da professora, não sei a fonte.
  • forquilhas de replicação (2 figuras): Schaechter et al (2010). Micróbio. Ed Artmed.
  • choque das polimerases: deste site, que é do autor do artigo
*Atualização 05/10/11: sétimo parágrafo: DNApolimerase –> RNApolimerase. Agradecimento ao Vinicius Penteado que notou o equívoco!

4 thoughts on “Genoma bacteriano – por uma visão menos simplista…

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