Batteriologia e virologia 2

TIPI DI MUTAZIONI

Le mutazioni possono essere:

• Spontanee: la loro frequenza è molto bassa e in particolare sono dovute ad errori durante la trascrizione e replicazione del materiale genetico. La probabilità che una mutazione avvenga spontaneamente in un singolo gene batterico è di 1:1.000.000.
• Indotte: le mutazioni sono più comuni e causate da agenti mutageni che possono essere di natura fisica (raggi ultravioletti, radiazioni ionizzanti) o chimica (analoghi delle basi, sostanze intercalanti il DNA, modificatori delle basi).

Per quanto riguarda l'estensione, le mutazioni possono essere:

• Puntiformi: si riferiscono a un solo nucleotide.
• Estese: riguardano sequenze anche discretamente lunghe.

In merito all'esito si distinguono mutazioni:

• Negative: sfavorevoli e possono essere anche letali.
• Positive: se il nuovo carattere porta un vantaggio.
• Nulle: back mutation.

Alcune mutazioni

Riguardo al cambiamento del si distinguono:

• Mutazioni se viene sostituito un amminoacido e la sequenza della proteina cambia. In genere primoriguardano il nucleotide della tripletta se la mutazione è puntiforme.
• Mutazioni se la tripletta per la sintesi di un amminoacido viene sostituita da una triplettacorrispondente a un segnale di stop. Ne deriva una proteina corta, soprattutto se la mutazione è all'iniziodell'mRNA, con parziale attività biologica.
• Mutazione silente se la mutazione non cambia l'amminoacido nella sequenza polipeptidica. Se lal'ultimomutazione è puntiforme, riguardano nucleotide della tripletta.
• Mutazioni neutre sinonime, quando un amminoacido viene sostituito da un amminoacido simile che non apporta sostanziali modifiche alla struttura e di conseguenza alla funzione della proteina.

Agenti mutageni raggi UV sono...

Agenti mutageni e sono nocivi poiché possono causare mutazioni anche nelle cellule eucariote. Anche nei microrganismi possono causare mutazioni, in particolare la dimerizzazione della timidina = due basi di timina vicine tendono a staccarsi dalla base corrispondente sull'altra elica per formare un dimero. Questo altera la struttura della doppia elica e impedisce il normale accoppiamento dei due filamenti complementari. Se questa mutazione non viene 'riparata' velocemente, può portare a morte o a trasformazione neoplastica le cellule coinvolte.

Ci sono dei meccanismi di riparazione soprattutto nelle cellule eucariote che tendono a riparare le dimerizzazioni. Nei microrganismi questi possono essere attivati in presenza di luce che permette l'azione di enzimi in grado di scindere il dimero e permettere alle timidine di legarsi con il nucleotide corrispondente presente sull'altra elica. In alcuni batteri la riparazione può avvenire anche al buio.

Utilizzo di lampade UV per sterilizzare gli ambienti

Tra gli agenti chimici troviamo il un analogo della timidina, che si può sostituire allacitosina causando un cambio nell'appaiamento da T-A a C-G. Altera quindi la sequenza del genoma causando delle mutazioni.

Le mutazioni possono essere:

• ininfluenti - un nuovo carattere che non apporta alcun beneficio al batterio (ad es. cambiamento di colore)
• vantaggiose - un carattere che permette al mutante di replicarsi anche in condizioni sfavorevoli per il ceppo wild type

Tra gli esempi di acquisizione di caratteristiche vantaggiose:

• Ceppo antibiotico - resistente che cresce anche in presenza di antibiotico
• Mutante auxotrofo che sintetizza un metabolita, che il ceppo wild type non sa produrre e che quindi cresce su terreno minimo, privo del metabolita.

MECCANISMI DI RICOMBINAZIONE GENETICA

Meccanismi in cui delle sequenze di DNA vengono trasferite in modo unidirezionale da un donatore a un ricevente.

Tra i meccanismi di ricombinazione omologa (in cui lo scambio avviene solo se il materiale trasferito trova nel DNA ricevente delle sequenze omologhe con cui appaiarsi):

• Trasformazione
• Trasduzione
• Coniugazione

Ricombinazione non omologa (avviene grazie a enzimi specifici come trasposasi, integrasi e ricombinasi):

• Trasposoni
• Integroni
• Ricombinasi

Trasformazione è stato il primo meccanismo di ricombinazione genetica dei batteri ad essere scoperto. Inizialmente sembrava un fenomeno "improbabile". Non richiede contatto diretto cellula-cellula, ma il DNA è libero all'esterno. La cellula batterica donatrice va incontro a lisi e il suo DNA è libero nell'ambiente sotto forma di frammenti (poiché viene degradato), che possono essere anche molto grandi (parecchi milioni di dalton). Alcuni batteri riescono a captare i frammenti nell'ambiente circostante e per diffusione li internalizzano nel proprio corpo batterico.

Una volta internalizzato, la sequenza di DNA esogena trova nel genoma della cellula ricevente una sequenza molto simile (omologa) e si sostituisce. La cellula risultante si dice trasformata. Il batterio ricevente deve essere dotato di particolari recettori in grado di captare i frammenti di DNA. Sono dei frammenti a doppio filamento e quando il recettore sulla superficie li lega e li internalizza facendoli diventare a singolo filamento. La trasformazione fu scoperta grazie agli esperimenti di Griffith. Egli osservò che le colonie R e S (le colonie S sono lisce perché dotate di capsula) di un ceppo di pneumococchi avevano una letalità diversa nei topi, infatti solo le colonie S causavano la morte del topo. Provò quindi a uccidere i batteri con capsula attraverso l'applicazione di una fonte di calore e a inocularli, osservando che in questo modo il topo non moriva. Quindi mise dei batteri R con batteri S morti prima di somministrare lasoluzione e vide che il topo moriva. Quello che era successo è che i batteri S lisati trasferivano il loro materiale genetico ai batteri R vivi, i quali acquisivano la capacità di infettare in modo letale il topo. La trasformazione, quindi, è un evento naturale che può avvenire solo in certi batteri detti Bacillus, Campylobacter, Clostridium, Haemophilus, Micrococcus, Mycobacterium, appartenenti ai generi Neisseria, Pseudomonas, Streptococcus, Streptomyces. La competenza è definita come l'abilità naturale del batterio a legare e internalizzare del DNA esogeno libero tramite i suoi recettori; è uno stato transiente che si verifica esclusivamente durante la fase di crescita esponenziale del batterio (fase 2 di crescita). La competenza è uno stato fisiologico inducibile anche mediante shock termico o elettrico. In biotecnologia si sottopongono batteri di E. Coli a shock termico in modo da aprire pori per il passaggio di DNA esogeno.molecole di DNA. Le fasi della trasformazione sono:

1. lisi di un batterio che libera nell'ambiente il suo materiale genetico (a doppio filamento)
2. legame del DNA (di qualsiasi origine, purché sia con un recettore sulla membrana non più di 15 kb)
3. frammentazione del DNA (tagliato da un'endonucleasi in frammenti random di degradazione dsDNA a ssDNA)
4. del frammento di DNA da doppio filamento a singolo (da ricombinazione omologa)
5. internalizzazione del ssDNA
6. con il cromosoma batterico
7. acquisizione del nuovo carattere

Quando la cellula trasformata si replicherà, le due cellule figlie saranno diverse dal punto di vista genetico perché il carattere acquisito era presente su uno solo dei due filamenti della cellula madre quando il genoma della cellula madre viene replicato.

Un cromosoma utilizza come stampo il filamento con integrato il filamento esogeno e genererà quindi una doppia elica omologa al frammento inserito. L'altro cromosoma viene generato solo stampo dell'elica originaria del ricevente e darà origine al genoma che non porterà con sé il gene integrato.

Trasduzione è il trasferimento di DNA (cromosomico o plasmidico) da un batterio donatore ad un altro ricevente, batteriofago mediato da un virus che è capace di infettare batteri. La trasduzione può avvenire in due modalità in base al tipo di fago che media la trasduzione:

• Trasduzione generalizzata ciclo litico: quando il batteriofago compie il ciclo litico.
• Trasduzione restritta ciclo lisogeno: quando il batteriofago compie il ciclo lisogeno.

I batteriofagi si legano alla superficie del batterio e iniettano al suo interno il proprio genoma. A questo punto il batteriofago può compiere o un ciclo litico o un ciclo lisogeno. In entrambi i casi il fago trasducente è il risultato.

di un "errore". La quantità di DNA che può essere trasferito con la trasduzione è variabile e al massimo corrisponde alla quantità di DNA che può essere presente in un batteriofago (talvolta si raggiungono le 200 kb in lunghezza). Trasduzione generalizzata • ciclo litico Il ciclo più comune compiuto dai fagi è il - il materiale genetico del virus viene incluso nel DNA batterico per poi essere trascritto e tradotto assieme ad esso. Si avrà così la produzione delle proteine del capside e la proliferazione di nuovi elementi virali, i quali raggiungeranno un numero talmente elevano da causare lo scoppio (lisi) e quindi la morte della cellula infettata. Può succedere che, quando i nuovi batteriofaghi si assemblano all'interno della cellula infetta, per errore un batteriofago al posto di integrare nell'involucro il proprio genoma, integra un frammento del genoma del batterio ospite. Questo batteriofago, cheper errore ha incorporato un frammento del genoma batterico, andrà ad infettare un nuovo batterio (batterio ricevente) dopo aver causato la lisi della prima cellula ospite (batterio donatore). Questi batteriofagi vengono definiti fagi difettivi. Trasduzione ristretta/specializzata: ciclo lisogeno. Alcuni fagi temperati invece compiono un inserimento stabile del materiale genetico del profago, il virus viene incluso nel DNA batterico, sotto forma di provirus, ma non viene né trascritto né tradotto. Questo meccanismo permette di replicare il materiale genetico assieme a quello della cellula infetta per poi trascriverlo e tradurlo secondariamente in risposta a determinati stimoli attivanti. In questo caso l'errore viene compiuto quando il profago si 'stacca' dal genoma batterico portando con sé alcune sequenze.