Mutación . Los genomas de células

En 1946, el microbiologistJoshua Lederberg hizo unas innovadoras ts y animales del plan de descubrimiento similar, las bacterias también pueden intercambiar genes! El trabajo de Lederberg mostrando la recombinación genética en bacterias no sólo le valió un Premio Nobel, sino también ayudó a lanzar el campo de la biología molecular y el uso de bacterias para estudiar cómo funcionan los genes en organismos superiores, tales como animales.

La comprensión de los diversos mecanismos por los cuales las bacterias y los genes de cambio Archaea ha ayudado a abordar el   dilema de cómo estos microbios pueden exhibir tanta diversidad,  mientras que reproduce asexualmente, intercambio de genes, junto con las innovaciones genéticas que surgen de cambios aleatorios  en  el mapa genético de una célula, conferir ventajas seleccionables que en última instancia conducir la diversidad genética. En este capítulo se discuten los mecanismos de intercambio genético en bacterias y  arqueas. En primer lugar describir cómo surgen cambios en el genoma,   y luego consideramos cómo transferencia horizontal de genes puede mover genes de una célula a otra. Mientras que los cambios en el genoma subyacen a la diversidad microbiana y la adaptación hábitat, los microorganismos también poseen mecanismos para mantener la estabilidad genómica, y que terminan este capítulo considerando estos. Tomados en conjunto,

I • Mutación

Il organismos contienen una secuencia específica de bases de nucleótidos en su genoma, su mapa genético, una mutación es un cambio heredable en la secuencia de bases de dicho genoma, es decir, una

el cambio que se pasa de la célula madre a las células descendientes. Las mutaciones pueden conducir a cambios en las propiedades de un organismo; algunas mutaciones son beneficiosas, algunos son perjudiciales, pero la mayoría son neutros y no tienen efecto. Aunque la tasa de mutación espontánea es baja (Sección

11.3), la velocidad a la que muchas células procariotas se dividen y su crecimiento exponencial característica asegurar que las mutaciones se acumulan en una población sorprendentemente rápido, Además, mientras que un solo tación mu típicamente produce sólo un pequeño cambio en una célula, el intercambio genético a menudo genera mucho más grande cambio. En su conjunto, la mutación y el intercambio genético alimentar el proceso evolutivo. Comenzamos considerando el mecanismo molecular de la mutación y las propiedades de los microorganismos mutantes.

11,1 Mutaciones y mutantes

Los genomas de células consisten en ADN de doble cadena, En los virus, por el contrario, el genoma puede consistir en ADN de doble o de cadena sencilla (o ARN) (capítulos 8 y 10), por convención, una cepa de un organismo o una virus aislados de la naturaleza se conoce como la cepa de tipo salvaje y por lo tanto contiene el genoma de tipo salvaje. Una célula o virus derivado de tipo salvaje que transporta un cambio en la secuencia de nucleótidos se denomina mutante. Un mutante por definición difiere de la cepa de tipo salvaje en su genotipo, la secuencia de nucleótidos de su genoma.

Además, las propiedades observables de la mutante-su fenotipo-también puede ser alterado con respecto a su padre (Figura il, 1). Este fenotipo alterado se llama un mutantphenotype,

El término "de tipo silvestre" se puede usar para referirse a un organismo entero o sólo para el estado de un gen particular que está bajo investigación,

Figura 11.1 de tipo salvaje frente a fenotipo mutante. El crecimiento de WIID • Tipo de Escherichia coli y los mutantes de utilización de maltosa en una placa de agar MacConkey, un medio diferencial. El medio contiene maltosa como fuente de carbono y un pH indicador que se vuelve rojo si se fermenta la maltosa. Los mutantes I y 2 no son capaces de fermentar la maltosa debido a una deleción del gen malB y una mutación puntual en el gen malQ, respectivamente.[pic 1]

derivados mutantes se pueden obtener bien directamente de una cepa de tipo salvaje o de otra cepa-referido como un cepa- parental previamente derivada de la de tipo salvaje; por ejemplo, otro mutante. La figura 11.1 muestra una placa de agar MacConkey (un medio de cultivo que contiene un indicador de pH que se vuelve rojo si el azúcar se fermenta) que muestra la diferencia fenotípica entre los de tipo salvaje de Escherichia coli y derivados mutantes en la ruta de utilización de azúcar,

En función de la mutación, una cepa mutante puede o no diferir en el fenotipo de su matriz. Por convención en la genética bacteriana, el genotipo de un organismo es designado por tres letras minúsculas seguido de una letra mayúscula (todo en cursiva) que indica un gen particular. Por ejemplo, el gen hisC de E. coli codifica una proteína llamada -HisC que funciona en la biosíntesis del aminoácido histidina. Las mutaciones en el gen hisC serían designados como hisC1, hisC2, y así sucesivamente, los números de referencia a la orden de aislamiento de las cepas mutantes. Cada mutación hisC sería diferente, y cada mutación hisC podría afectar a la proteína -HisC de diferentes maneras.

Thephenotype de un organismo se designa por una letra mayúscula seguida de dos letras minúsculas, ya sea con un más o menos superíndice para indicar la presencia o ausencia de esa propiedad. Por ejemplo, un His + cepa de E. coli es uno que es capaz de hacer su propia histidina, mientras que una cepa no es His. Por lo tanto, la cepa His requeriría un suplemento de histidina para el crecimiento. Una mutación en el gen hisC dará lugar a un fenotipo His si se elimina la función de la proteína -HisC.

Aislamiento de mutantes: Screening frente Selección

Prácticamente cualquier característica de un organismo puede ser cambiado por mutación. Algunas mutaciones son seleccionables, que confiere algún tipo de ventaja sobre los organismos disponen de los mismos, mientras que otros son no seleccionable, a pesar de que pueden llevar a un cambio muy claro en el fenotipo de un organismo. Una mutación de selección confiere una

344        UNIT 3 . GENOMICS AND GENETICS

[pic 2]

(a)

[pic 3]

Figure 11.2 Selectable and nonselectable mutations. (a) Development of antibiotic-resistant mutants, e type of easily selectable mutation, within the Inhibition zone of an antibiot c assay disc. (b) Nonselectable mutations. UV-radiation-induced nonpigmented mutants of Serratia

marcescens. The wi d type has a dark red pigment The white or colorless mutants make no p gment. (c) Colonies of mutants of a species of Ha/obacterium, a member of the Archaea. The wild-type colonies are white. The orangish-brown colones are mutants that lack gas vesicles (de Section 2.9). The gas vesicles scatter light and mask the color of the colony.

clear advantage on the mutant strain under certain environmental conditions, so the progeny of the mutant cell are able to outgrow and replace the parent. A good example of a selectable mutation is drug resistance: An antibiotic-resistant mutant can grow in the presence of an antibiotic that inhibits or kills the parent (Figure 11.2a) and is thus selected under these conditions. It is relatively easy to detect and isolate selectable mutants by choosing the appropriate environmental conditions.

Selection is therefore an extremely powerful genetic tool, allowing the isola tion of a single mutant from a population containing millions or even billions of parental cells. An example of a nonselectable mutation is color loss in a pigmented organism (Figure 11.2b, c). Nonpigmented cells usually have neither an advantage nor a disadvantage over the pigmented parent cells when grown in the laboratory, although pigmented organisms may have a selective advantage in nature. We can detect nonselectable mutations only by examining large numbers of colonies and looking for the "different" ones, a process called screening, In microbial genetics, screening is typically a much more laborious and time-consuming process than is selection, Thus in a genetic experiment if selection is possible, it is almost always the preferred strategy.[pic 4]

Isolation of Nutritional Auxotrophs

Although screening is more tedious than selection, useful methods have been developed for screening large numbers of colonies for certain types of mutations. For instance, nutritionally defective mutants can be detected by the technique of replica plating (Figure 11.3). A colony from a master plate can be transferred onto an agar plate lacking the nutrient by using a sterile loop, toothpick, or even a robotic arm. Parental colonies

will grow normally, whereas those of the mutant will not. Thus, the inability of a colony to grow on medium lacking the nutrient signals that it is a mutant. 'lhe colony on the master plate corresponding to the vacant spot on the replica plate can then be picked, purified, and characterized. A mutant strain with an additional nutritional requirement for growth is called an auxotroph, and the parental strain from which it was derived is called a prototroph. For instance, mutants of E. coli with a His phenotype are histidine auxotrophs, while the parental His* strain from which the auxotroph was derived is the prototroph of such strains, As described earlier, many different mutations can lead to a strain showing a His phenotype, and thus an initial step in characterizing the genetics of a metabolic pathway (such as histidine biosynthesis) would be the isolation of several His strains followed by their comparative genetic analyses (Section

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