Microbiologia generale

GENETICA MICROBICA, PLASMIDI E TRASPOSONI:

Il genoma, che cosa si intende per genoma batterico e da cosa è costituito? Il genoma detiene

l’informazione genica necessaria alla biogenesi, alla riproduzione, all’omeostasi cellulare, all’attività di tutti

gli organismi viventi. Nei batteri questa informazione può essere presente in due macromolecole o

componenti: nel cromosoma e negli elementi extracromosomici mobili.

-Il cromosoma contiene tutti i geni che vengono chiamati housekeeping, cioè sono i geni che

fondamentalmente che codificano per le funzioni essenziali della vita della cellula: riproduzione,

replicazione del Dna, trascrizione, traduzione, le vie metaboliche. Si definiscono housekeeping perchè sono

quei geni che vengono espressi sempre, sono essenziali per la sopravvivenza. Tipicamente si pensa ai

batteri come degli organismi viventi che possiedono un solo cromosoma circolare. In realtà non è sempre

così, nel senso che l’Escherichia coli è vero che possiede un solo cromosoma circolare, però vedremo che ci

sono batteri che hanno più cromosomi che possono essere circolari ma anche lineari. L’informazione è

sempre e comunque aploide (n=1), quindi se noi abbiamo più cromosomi non bisogna confondersi, ovvero

non sono delle copie, ma è l’informazione genica che è suddivisa in vari cromosomi.

-Per quanto riguarda invece gli elementi extracromosomici mobili, questi contengono i geni che vengono

definiti accessori, cioè non sono geni che codificano per le funzioni essenziali per la sopravvivenza, ma sono

delle funzioni che forniscono alla cellula delle caratteristiche che in alcune situazioni possono essere

davvero vantaggiose e necessarie.

Per esempio cosa codificano questi elementi extracromosomici? Tipicamente codificano per determinanti

di virulenza, per esempio tossine, fattori di virulenza, proteasi ecc., cioè un qualcosa che conferisce un

vantaggio parlando di organismi patogeni nel momento in cui si va ad infettare un ospite. Laddove questi

elementi extracromosomici sono mobili, cioè sono dotati di mobilità, ovvero possono essere trasferiti da

una cellula ad un’altra, questi elementi extracromosomici codificano anche dei sistemi che servono a

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questa mobilizzazione (infatti poi parleremo di plasmidi parleremo di coniugazione di pilo coniugativo. Il

pilo coniugativo è codificato dal plasmide stesso che deve essere trasferito, questo è uno degli esempi in

cui il gene responsabile del trasferimento genico orizzontale sono codificati dall’elemento mobile stesso).

Tra gli elementi extracromosomici mobili abbiamo i plasmidi, elementi trasponibili, profagi ecc. Se andiamo

a vedere come è fatto un genoma nei procarioti, nei batteri in particolare, possiamo vedere i cromosomi

che possono essere sia lineari che circolari, possiamo avere il DNA extracromosomico, che non costituisce

cromosomi, ma che costituisce elementi extracromosomici che possono essere plasmidi che a loro volta

possono essere, per esempio, circolari o lineari. Cosa codifica il cromosoma e cosa codificano gli elementi

accessori?

Il cromosoma codifica per tutto ciò che è essenziale alla sopravvivenza cellulare, per esempio i geni

ribosomiali, come quelli della traduzione, i geni che codificano, per esempio, le proteine ribosomiali o

comunque l’rRna sono codificati dal genoma. Tutto ciò che quindi costituisce la cellula: le vie biosintetiche

che generano la parete, le vie del metabolismo centrale, replicazione del DNA, quindi gli enzimi coinvolti

nella replicazione, tutte le vie sintetiche dei mattoncini che formano le macromolecole biologiche, quindi la

genesi dei nucleotidi. Sempre nel cromosoma troviamo i geni che codificano le proteine che regolano a loro

volta l’espressione di questi sistemi. Il plasmide, invece, codifica fondamentalmente per le funzioni

essenziali alla sua replicazione autonoma perché esso si replica in maniera autonoma. Il plasmide è un

elemento extracromosomico, nel senso che ha il DNA a doppia elica che però si replica in maniera

autonoma, ciò vuol dire che ha una sua origine di replicazione, però non codifica per le funzioni essenziali

per la sopravvivenza cellulare, quindi può essere presente o no nella cellula, infatti senza di esso comunque

la cellula è vitale. Dunque codifica qualcosa in più, per esempio meccanismi di resistenza agli antibiotici, per

dei fattori di virulenza, per delle funzioni definite accessorie. Il cromosoma batterico generalmente è

singolo, nel senso ce n’è uno solo, comunque si parla di microrganismi aploidi, però non è detto che ci sia

solo un cromosoma, ce ne possono essere anche più di uno, è semplicemente l’informazione che viene

suddivisa in più cromosomi, non sono copie. Tipicamente è circolare, come nell’escherichia coli, e ha delle

dimensioni variabili dalle 0,2 alle 9 megabasi (Mb). Il DNA si misura in paia di basi; una proteina batterica

media, ad esempio, è formata da 300 aminoacidi, pertanto un gene batterico medio è formato da 900-1000

nucleotidi; posso arrivarci perchè so che ogni amminoacido è codificato da una tripletta, un codone e

quindi se so da quanti aminoacidi è formata una proteina media, li moltiplico per 3 e vedo da quanti

nucleotidi è formato un gene. Bisogna tenere presente che non ci sono introni nei procarioti, quindi

sequenze non codificanti e pertanto è facile fare questo parallelismo. Quindi siamo arrivati a dire che ogni

gene possiede migliaia (K=kilo) nucleotidi. Un cromosoma, invece, è formato dalle 0,2 alle 9 megabasi,

ovvero 9 milioni di basi, o meglio ancora circa 9000 geni. Per esempio l’escherichia coli ha un genoma che è

una via di mezzo, ovvero è formato da 4,5 megabasi, cioè 4,5 milioni di nucleotidi, dunque abbiamo più o

meno 4000-4500 geni perchè sappiamo che un gene ha circa 1000 nucleotidi. Il cromosoma del DNA è

talmente grande che non riuscirebbe ad entrare in una cellula che è 2 micron per 1 micron, dato che nel

citoplasma inoltre non si trova solo il cromosoma, ma anche proteine. Quindi affinché il cromosoma possa

essere inserito a formare poi il nucleoide all’interno, deve essere compattato, ovvero superavvolto grazie

alla presenza di proteine che permettono questo avvolgimento del DNA all’interno della cellula. Il

cromosoma dell‘escherichia coli, che è circolare, tipicamente si replica in maniera bidirezionale a partire

dall’origine di replicazione, quindi le due eliche vengono separate e si forma la forca replicativa. Nei

cromosomi circolari quello che succede è che le due eliche si separano a livello di un sito specifico che si

chiama origine di replicazione e poi, una volta separate le due eliche, potrei replicare il DNA a partire da

entrambi i filamenti seguendo versi opposti, ed è per questo che si definisce bidirezionale, perché partendo

da un singolo punto la replicazione parte da tutte e due le direzioni. In questo modo si velocizza tantissimo

la replicazione del cromosoma; per questo motivo l’escherichia coli può fare una generazione molto

velocemente in 20 minuti. 109

Esistono quindi delle proteine che appartengono a due grandi famiglie che sono le proteine associate al

nucleoide e le proteine che mantengono la struttura del cromosoma che servono a svolgere questa

funzione. Nei cromosomi delle cellule eucariotiche ci sono gli istoni che servono a compattare il DNA; nei

batteri invece ci sono queste proteine simili agli istoni che svolgono queste funzioni analoghe. Quando il

DNA si replica è necessario che agiscano anche degli enzimi che si chiamano topoisomerasi, girasi che

servono a tagliare fondamentalmente il DNA per togliere il superavvolgimento, in modo tale da permettere

l’apertura della doppia elica. Lo stato topologico del DNA è regolato anche da queste girasi. introducendo

una rottura di un dominio, si ottiene il rilassamento del solo periodo danneggiato e non dell’intera

molecola, perché ci sono delle proteine che bloccano lo srotolamento in modo tale da aprire una specifica

regione in maniera sequenziale per garantire la compattezza del cromosoma. Questo schema, invece, fa

vedere degli esempi di batteri e fa vedere quanto è grande un cromosoma, quanti ce ne sono, come è fatto

e se ci sono anche degli elementi extracromosomici.

Questo perché per molto tempo si è ritenuto che tutti i batteri avessero solo un cromosoma circolare,

come magari si può vedere nell’escherichia coli (organismo modello dei gram -) con un cromosoma

circolare, 4,6 megabasi e con l’assenza di plasmidi. In realtà, attraverso alcuni studi e imparando a

conoscere altri batteri, si è scoperto che non tutti hanno un solo cromosoma circolare, anzi.

Per esempio i vibrioni, i Vibrio fischeri hanno 2 cromosomi entrambi circolari ma uno + grande e uno più

piccolo, un altro esempio sono i rizobatteri ne hanno 2, Bacillus ne hanno 1 e circolare (Bacillus

subtilis→organismo modello dei gram +). Borrellia è un'eccezione: possiede 1 cromosoma lineare di 1

megabase, 21 plasmidi di cui 12 lineari e 9 circolari, ha un'informazione genetica completamente

spezzettata. Dunque non è detto che tutti i batteri abbiano un solo cromosoma circolare. Un altro aspetto

interessante è la grandezza dei cromosomi nei vari domini della vita. L’E. Coli per esempio 4 milioni e

mezzo. Il genoma umano per esempio è molto più grande, almeno 3 o 4 ordini logaritmici di grandezza in

più; però non si può dire la stessa cosa per quanto riguarda il numero di geni, infatti ci rendiamo conto che

questa differenza non è in proporzione, ovvero per esempio nei batteri come nell’escherichia coli posso

avere un numero di geni che varia dai 500 ai 10000, mentre negli eucarioti questo numero di geni, ovvero

di sequenze codificanti varia da 2000 a 35000, ovvero 3 volte di più ma non in ordine logaritmico, pertanto

la grandezza del genoma non rispecchia un aumento proporzionale di numero di geni. Questo succede

perché nei procarioti quasi tutto il DNA è codificante, mentre negli eucarioti questo non è il caso, ci sono

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tante parti del DNA che non sono codificanti. Questa percentuale del genoma non codificante nei batteri è

molto molto bassa rispetto a quella degli eucarioti. Un altro aspetto interessante è che ci possono essere

delle differenze tra un ceppo e un altro appartenente alla stessa specie; per esempio l’escherichia coli,

(quindi genere e specie): noi conosciamo dei ceppi patogeni dell’uomo, ma anche dei ceppi che a livello

intestinale non danno alcun problema (E. Coli è il nostro simbiote). Questi ceppi condividono la maggior

parte del genoma (è uguale fondamentalmente), core genome, cioè contiene tutti i geni presenti in