Variación de fase

En biología , la variación de fase es un método para lidiar con entornos que varían rápidamente sin requerir una mutación aleatoria. Implica la variación de la expresión de proteínas, frecuentemente de manera intermitente, dentro de diferentes partes de una población bacteriana. Como tal, el fenotipo puede cambiar a frecuencias que son mucho más altas (a veces >1%) que las tasas de mutación clásicas. La variación de fase contribuye a la virulencia al generar heterogeneidad. Aunque se ha estudiado más comúnmente en el contexto de la evasión inmunológica , también se observa en muchas otras áreas y es empleada por varios tipos de bacterias, incluidas las especies de Salmonella .

La Salmonella utiliza esta técnica para cambiar entre distintos tipos de la proteína flagelina . Como resultado, se forman flagelos con diferentes estructuras. Una vez que se ha generado una respuesta adaptativa contra un tipo de flagelina, o si un encuentro previo ha dejado al sistema inmunitario adaptativo preparado para lidiar con un tipo de flagelina, el cambio de tipo hace que los anticuerpos, TCR y BCR de alta afinidad que antes eran ineficaces contra los flagelos.

Las recombinaciones específicas de sitio suelen ser breves y se producen en un único sitio diana dentro de la secuencia recombinante. Para que esto ocurra, normalmente hay uno o más cofactores (por nombrar algunos: proteínas de unión al ADN y la presencia o ausencia de sitios de unión al ADN) y una recombinasa específica de sitio . ^[1] Hay un cambio en la orientación del ADN que afectará la expresión génica o la estructura del producto génico. ^[2] Esto se hace cambiando la disposición espacial del promotor o de los elementos reguladores. ^[1]

Mediante la utilización de recombinasas específicas, se invierte una secuencia particular de ADN, lo que da como resultado un interruptor de encendido a apagado y viceversa del gen ubicado dentro o al lado de este interruptor. Muchas especies bacterianas pueden utilizar la inversión para cambiar la expresión de ciertos genes en beneficio de la bacteria durante la infección. ^[1] El evento de inversión puede ser simple al involucrar la alternancia en la expresión de un gen, como la expresión de pilina de E. coli , o más complicado al involucrar múltiples genes en la expresión de múltiples tipos de flagelina por S. typhimurium . ^[3] La adhesión fimbrial por las fimbrias de tipo I en E. coli sufre una inversión específica del sitio para regular la expresión de fimA , la subunidad principal de los pili, dependiendo de la etapa de la infección. El elemento invertible tiene un promotor dentro de él que, dependiendo de la orientación, activará o desactivará la transcripción de fimA . La inversión está mediada por dos recombinasas, FimB y FimE, y las proteínas reguladoras H-NS, Integration Host Factor (IHF) y Leucine responsive protein (LRP). La recombinasa FimE tiene la capacidad de invertir únicamente el elemento y de activar a desactivar la expresión, mientras que FimB puede mediar la inversión en ambas direcciones. ^[4]

Si la escisión es precisa y se restaura la secuencia original de ADN, la variación de fase reversible puede ser mediada por la transposición . La variación de fase mediada por la transposición se dirige a secuencias de ADN específicas. ^[5] P. atlantica contiene un locus eps que codifica un polisacárido extracelular y la expresión ON u OFF de este locus está controlada por la presencia o ausencia de IS492. Dos recombinasas codificadas por MooV y Piv median la escisión e inserción precisas, respectivamente, del elemento de inserción IS492 en el locus eps . Cuando se escinde IS492, se convierte en un elemento extracromosómico circular que da como resultado la expresión restaurada de eps . ^{[5] [6]}

Otro ejemplo más complejo de reordenamiento de ADN específico de un sitio se utiliza en los flagelos de Salmonella typhimurium . En la fase habitual, una secuencia promotora promueve la expresión del gen del flagelo H2 junto con un represor del gen del flagelo H1. Una vez que esta secuencia promotora es invertida por el gen hin, el represor se desactiva, al igual que H2, lo que permite que se exprese H1.

La conversión génica es otro ejemplo de un tipo de variación de fase. Los pili de tipo IV de Neisseria gonorrhoeae se controlan de esta manera. Hay varias copias del gen que codifica estos pili (el gen Pil), pero solo uno se expresa en un momento dado. Este se conoce como el gen PilE. Las versiones silenciosas de este gen, PilS, pueden utilizar la recombinación homóloga para combinarse con partes del gen PilE y así crear un fenotipo diferente. Esto permite hasta 10.000.000 de fenotipos diferentes de los pili ^{[ cita requerida ]} .

A diferencia de otros mecanismos de variación de fase, las modificaciones epigenéticas no alteran la secuencia de ADN y, por lo tanto, es el fenotipo el que se altera, no el genotipo. La integridad del genoma está intacta y el cambio producido por la metilación altera la unión de los factores de transcripción. El resultado es la regulación de la transcripción que resulta en cambios en la expresión génica. ^{[2] [5]} Una proteína de membrana externa, el antígeno 43 (Ag43), en E. coli está controlada por la variación de fase mediada por dos proteínas, la enzima metiladora de ADN desoxiadenosina metiltransferasa (Dam) y el regulador de estrés oxidativo OxyR. Ag43, ubicado en la superficie celular, está codificado por el gen Agn43 (anteriormente designado como flu ) y es importante para las biopelículas y la infección. La expresión de Agn43 depende de la unión de la proteína reguladora OxyR. Cuando OxyR se une a la región reguladora de Agn43 , que se superpone con el promotor, inhibe la transcripción. La fase ON de la transcripción depende de que Dam metile las secuencias GATC en el comienzo del gen Agn43 (que se superpone con el sitio de unión de OxyR). Cuando Dam metila los sitios GATC, inhibe la unión de OxyR, lo que permite la transcripción de Ag43. ^[7]

En esta forma de variación de fase, la región promotora del genoma puede moverse de una copia de un gen a otra mediante recombinación homóloga . Esto ocurre con las proteínas de superficie de Campylobacter fetus . Las distintas proteínas de superficie antigénicas son todas silenciosas, excepto una, y todas comparten una región conservada en el extremo 5'. La secuencia promotora puede entonces moverse entre estas regiones conservadas y permitir la expresión de un gen diferente ^{[ cita requerida ]} .

El apareamiento erróneo de la cadena deslizada (SSM, por sus siglas en inglés) es un proceso que produce un apareamiento erróneo de secuencias repetidas cortas entre la cadena madre y la cadena hija durante la síntesis de ADN . ^[1] Este mecanismo independiente de RecA puede ocurrir durante la replicación o la reparación del ADN y puede ocurrir en la cadena líder o en la cadena rezagada. El SSM puede resultar en un aumento o una disminución en el número de secuencias repetidas cortas. Las secuencias repetidas cortas tienen de 1 a 7 nucleótidos y pueden ser secuencias de ADN repetitivas homogéneas o heterogéneas. ^[3]

La expresión genética alterada es un resultado del SSM y, dependiendo de dónde se produzca el aumento o la disminución de las secuencias de repetición corta en relación con el promotor, se regulará a nivel de transcripción o traducción. ^[8] El resultado es una fase ON o OFF de un gen o genes.

La regulación transcripcional (parte inferior de la figura) ocurre de varias maneras. Una forma posible es si las repeticiones están ubicadas en la región promotora en el sitio de unión de la ARN polimerasa , -10 y -35 aguas arriba del gen o los genes. El patógeno oportunista H. influenzae tiene dos promotores orientados de manera divergente y genes de fimbrias hifA y hifB . Las regiones promotoras superpuestas tienen repeticiones del dinucleótido TA en las secuencias -10 y -35. A través de SSM, la región de repetición TA puede experimentar la adición o sustracción de dinucleótidos TA, lo que da como resultado la fase ON o la fase OFF reversibles de la transcripción de hifA y hifB . ^{[3] [9]} La segunda forma en que SSM induce la regulación transcripcional es cambiando las secuencias de repetición cortas ubicadas fuera del promotor. Si hay un cambio en la secuencia de repetición corta, puede afectar la unión de una proteína reguladora, como un activador o represor. También puede conducir a diferencias en la estabilidad postranscripcional del ARNm. ^[5]

La traducción de una proteína puede ser regulada por SSM si las secuencias de repetición cortas están en la región codificante del gen (parte superior de la figura). Cambiar el número de repeticiones en el marco de lectura abierto puede afectar la secuencia de codones al agregar un codón de terminación prematuro o al cambiar la secuencia de la proteína. Esto a menudo da como resultado una proteína truncada (en el caso de un codón de terminación prematuro) y/o no funcional.