Microbiologia

TRASFERIMENTO GENICO ORIZZONTALE

Praticamente tutti gli organismi possono diffondere materiale genetico attraverso il trasferimento genico

verticale, in cui l’informazione genetica viene trasferita dai genitori ai figli (è ciò che avviene nella

riproduzione cellulare: divisione binaria e mitosi, ma anche nella meiosi). Al contrario, il processo di

trasferimento genico orizzontale, o trasferimento genico laterale, non è comune a tutte le specie. In

questo tipo di trasferimento genico, del materiale genetico viene trasmesso in modo unidirezionale (da un

TRASFERIMENTO GENICO ORIZZONTALE

batterio donatore ad uno ricevente) tra organismi che non sono genitore e prole. È molto più comune per

quanto riguarda gli organismi unicellulari, in particolare i batteri, per acquisire nuovo materiale genetico. È

interessante il fatto che il TGO non è ristretto all’interno della specie: infatti, il DNA di una specie donatrice

può essere trasferito anche a specie molto diverse, incluse piante o animali.

Il risultato di un trasferimento genico orizzontale, è un

genoma parzialmente diploide, che si definisce

merozigote, mentre il DNA trasferito si dice esogenote,

e il genoma del ricevente è l’endogenote. Si tratta di una

condizione transiente. Se il trasferimento va a buon

termine, l’esogenote può sostituire una porzione del

genoma del ricevente oppure inserirsi nel genoma

espandendolo.

Gli scambi genetici e la ricombinazione sono una capacità quasi universale degli esseri viventi. Nei procarioti

la ricombinazione coinvolge sempre porzioni piccole del genoma e questo scambio non è mai obbligato per

completare il ciclo vitale. È un evento occasionale che si svolge mediante 3 meccanismi:

1. Trasformazione Acquisizione da parte di una cellula di DNA presente nell’ambiente.

→

2. Coniugazione Materiale genetico viene trasferito da parte di una cellula ad un’altra.

→

3. Trasduzione Processo attraverso il quale un batteriofago, nel corso dell’infezione di una cellula

→

batterica, può occasionalmente trasferirle geni provenienti dal batterio in cui si è precedentemente

sviluppato.

Caratteristiche comuni ai 3 meccanismi di trasferimento genico sono:

1. Solo una porzione del cromosoma è trasferita.

2. Il trasferimento è sempre polarizzato: donatore ricevente.

→

3. Il prodotto del trasferimento non è un vero zigote: per questo viene chiamato merozigote.

4. Il DNA trasferito (esogenote) può essere trasmesso alla progenie solo se viene incorporato nel genoma

della cellula ricevente (endogenote). Un caso particolare è il trasferimento di un replicone (plasmide)!

A prescindere dal meccanismo di trasferimento genico orizzontale con cui il DNA entra nella cellula ospite,

può seguire 3 destini:

1. Degradazione da parte di enzimi di restrizione

2. Replicazione autonoma, nel caso contenga una sequenza adeguata

3. Ricombinazione con genoma dell’ospite 87

Trasformazione TRASFORMAZIONE

La trasformazione è il primo

meccanismo di scambio genico

tra batteri scoperto (intorno al

1930). Una o più molecole di

DNA nudo (no vettori) possono

essere trasferite da una cellula

donatrice a una ricevente, senza

bisogno di un vettore. Il DNA

presente nell’ambiente esterno

a un batterio è catturato da una

cellula, trasferito al suo interno

e acquisito stabilmente nel

patrimonio genetico della cellula

stessa. Il DNA trasformante,

una volta acquisito in modo

stabile (o per ricombinazione

con una regione omologa del

cromosoma o come replicone

autonomo), diventa parte

integrante dell’informazione

genetica del batterio ricevente

che può così acquisire nuove caratteristiche fenotipiche. Non è necessario che le cellule vengano a contatto,

ma è necessario che ci sia una predisposizione da parte della cellula ricevente. È il metodo che

maggiormente utilizzano i Gram+, ma è stato osservato anche in Gram- e Archea.

Perché avviene? Il DNA (cromosomi batterici), una volta che si trova in una condizione non protetta, viene

liberato e tende a frammentarsi facilmente: con frammenti di circa 10 kbp circa 10 geni. Questa è la

→

grandezza media e la quantità media di informazione che viene trasferita (e poi potenzialmente espressa)

per ogni singolo evento di trasformazione. L’efficienza di trasformazione comunque è molto bassa.

Come avviene? La cellula donatrice (viva o morta) dona il materiale genico, ma la ricevente deve essere in

uno stato di competenza (cioè in fase ricettiva per accogliere DNA esogeno), che riflette la capacità di

acquisire il DNA esogeno. La trasformazione richiede quindi un apparato specifico per traslocare il DNA, che

è detto appunto apparato di competenza, ed è costituito da proteine che sono sintetizzate nelle condizioni

fisiologiche di competenza, che variano da specie a specie. La competenza naturale può essere più o meno

estesa nella popolazione (può coinvolgere una percentuale diversa di individui, a seconda della specie), e

può durare più o meno tempo (diverse ore o brevi momenti, anche in questo caso a seconda della specie).

La trasformazione tra i batteri che convivono con l’uomo e gli animali è poco comune, ma è rilevante il fatto

che i ceppi che sono naturalmente competenti spesso sono quelli patogeni (questo fatto però al momento

non ha ancora spiegazioni certe), ad esempio:

Per quanto riguarda i Gram-:

• Neisseria gonorrhoeae La competenza è costitutiva. Quasi tutte le cellule di una coltura sono

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competenti e non c’è nessuna relazione con la fase di crescita.

Haemophilus influenzae La competenza è indotta da condizioni che inibiscono la crescita. La

- →

competenza si sviluppa durante la fase stazionaria, e come conseguenza di crescita su terreno ricco;

non ancora isolato fattore solubile. Può essere trasformato solo DNA omologo, che rimane a doppia elica

fino all’integrazione nel genoma. La competenza si configura come l’espressione sulla membrana esterna

di strutture, che sono delle piccole invaginazioni sul fondo delle quali ci sono dei punti di discontinuità

della membrana che portano delle proteine leganti il DNA che legano una sequenza di 11 bp che è molto

H. influenzae.

frequente nel genoma di Dopo il legame si osserva un’invaginazione delle vescicole con il

DNA: queste vescicole di membrana sono chiamate trasformasomi (unico esempio di endocitosi in

batteri). Una volta che il DNA entra, si appaia per omologia di sequenza e avvengono ricombinazione e

integrazione.

Per quanto riguarda i Gram+:

• 88

Streptococcus pneumoniae La competenza è controllata da un fattore extracellulare (ferormone) di 17

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aa. Quasi tutte le cellule di una coltura in fase esponenziale diventano competenti quando il ferormone

raggiunge una concentrazione critica (quorum sensing). Il 100% delle cellule possono diventare

competenti (per pochi minuti). Viene assorbito DNA sia omologo sia eterologo, ma solo il primo

ricombina e si integra, il secondo viene praticamente sempre perso. La competenza si sviluppa durante

la fase esponenziale. 1) Viene prodotto un fattore solubile (di circa 10 KDa) detto fattore di

competenza, che viene secreto nel mezzo. 2) La vera competenza si sviluppa però solo quando la

densità di popolazione, e quindi la concentrazione del fattore, superano un certo valore critico

(quorum sensing). 3) Viene sintetizzato un gruppo di circa 12 proteine grazie alle quali le cellule possono

adsorbire DNA e, grazie all’azione di nucleasi, interiorizzarlo in frammenti più corti. 4) Una elica del

TRASFORMAZIONE in batteri Gram+: S. pneumoniae TRASFORMAZIONE in batteri Gram+: S. pneumoniae

frammento viene degradata e solo l’altra continua il suo cammino nel citoplasma (DNA eteroduplex).

Bacillus subtilis La concentrazione critica di almeno due ferormoni attiva la competenza. Si manifesta

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in tarda fase esponenziale o all’inizio di una fase stazionaria. Solo il 10% dei batteri diventano

competenti.

Distinguiamo la trasformazione naturale dalla trasformazione artificiale, in cui la competenza viene

indotta con metodi chimico-fisici spesso per manipolare organismi che non mostrano competenza naturale,

E.coli

come .

Le fasi del processo di trasformazione sono:

1. Adsorbimento Il DNA si lega a recettori specifici (fase di breve durata). Le cellule competenti hanno

→

la capacità di adsorbire sulla superficie il DNA esogeno.

2. Incorporazione Il DNA entra nella cellula. È il momento in cui il DNA non è più sensibile alla DNasi

→

3. Eclisse Fase in cui il DNA trasformante è a singola elica (perde capacità trasformante per questo

→

lasso di tempo).

4. Integrazione Il DNA entra nel genoma dell’ospite. L’integrazione spesso a carico di una sola delle

→

due eliche (fase ibrida, detta a DNA eteroduplex).

5. Espressione fenotipica Perché questa sia osservabile, il DNA integrato deve avere una visibile

→

influenza sul fenotipo del batterio trasformato.

Trasformazione naturale mediata da plasmidi:

H. influenzae assorbe il plasmide se questo possiede un’appropriata sequenza di 11 bp che viene

- riconosciuta da proteine (trasformasoma).

B. subtilis taglia plasmidi, li linearizza e li riduce a singola elica. Se non ricircolarizzano, o non si

- integrano nel genoma, verranno persi. CONIUGAZIONE

Coniugazione

La coniugazione è un processo attraverso il quale una molecola di

DNA, o parte di essa, è trasferita da una cellula donatrice ad una cellula

ricevente mediante l’attività di un complesso multiproteico specializzato

presente nel donatore: l’apparato di coniugazione. 89

La capacità di coniugare è conferita al batterio da elementi genetici (plasmidi o trasposoni) di tipo

autotrasferibile. Infatti, la coniugaziobe è primariamente un meccanismo di tipo infettivo con cui questi

elementi si trasferiscono da un batterio ad un altro, assimilabile all’infezione virale. In particolari circostanze,

la coniugazione comporta anche il trasferimento di geni cromosomali.

Il contatto tra le cellule è un presupposto necessario al trasferimento di DNA, ma questo può avvenire anche

in presenza di DNasi. Si tratta di un processo polarizzato (direzionale), che e va dai ceppi F+ (ceppi che

possiedono il plasmide F o di fertilità), che sono sempre donatori, ai ceppi F-, che sono sempre accettori. La

coniugazione è il metodo più diffuso tra i Gram-. Avviene sia nella stessa specie, ma permette anche scambi

tra cellule di generi differenti.

Come avviene? I ceppi F+ contengono tutti il plasmide F (= fe