Microbiologia 2

GENETICA BATTERICA

La variabilità genetica nei batteri viene generata attraverso due processi distinti:

1. La mutazione
2. La ricombinazione genetica

La capacità di adattamento dei batteri dipende dall'elevato livello di variabilità genetica che essi sono in grado di produrre.

Il genoma batterico consta di due componenti:

1. Cromosoma
2. Elementi extracromosomici 'mobili' (contengono 3 geni non essenziali ma accessori: determinanti di virulenza, geni responsabili del trasferimento genetico orizzontale o verticale):
   • Plasmidi
   • Elementi trasponibili
   • Sequenze di inserzione
   • Trasposoni
   • Elementi invertibili

Il cromosoma batterico è:

• Singolo
• DNA bicatenario e circolare
• Privo di istoni
• Mosaico in natura: contiene geni di diversa provenienza, a seguito di fenomeni di trasferimento genetico orizzontale
• Dimensioni variabili, proporzionali al livello di interazione del microrganismo con l'ambiente:
  1. Intracellulari obbligati
  2. Ambientali

Per poter essere contenuto.

nella cellula batterica, il cromosoma è superavvolto. La replicazione è bidirezionale, da una singola origine e richiede despiralizzazione. I plasmidi sono elementi genetici extracromosomici di piccole dimensioni, composti da DNA bicatenario e circolare. Possono trovarsi liberi nel citoplasma oppure essere "integrati" nel cromosoma batterico. Non sono confinati nel singolo ospite e possono essere trasferiti e replicati in diversi ospiti, anche se non correlati. La numerosità e la tipologia dei plasmidi variano in base alla specie batterica. Esistono gruppi di compatibilità che determinano le dimensioni e la qualità dell'informazione genetica dei plasmidi. Alcuni plasmidi hanno scarsa omologia con il cromosoma e raramente sono indispensabili per la sopravvivenza/moltiplicazione batterica in condizioni "ottimali". Altri plasmidi codificano per fattori di virulenza batterica, come la produzione di pili, tossine, adenosine, siderofori e batteriocine. I plasmidi R sono determinanti dell'antibiotico resistenza e i plasmidi F sono integrati nel cromosoma. È possibile che un batterio perda un plasmide.

1. Elementi trasportabilità:
• Sequenze di Inserzione - piccole dimensioni, integrazione sito-specifica mediante sequenze invertite e ripetute, 'core' codificante solo per trasposizione
• Trasposoni - rilevanti dimensioni, integrazione sito-specifica mediante IS, 'core' contenente uno o più geni. Trasposoni coniugativi. Possibile fusione di diversi trasposoni
2. Caratteristica traslocazione tra elementi diversi Generalmente, la traslocazione avviene all'interno della STESSA cellula eccezione: trasposoni coniugativi
3. Meccanismi di trasposizione:
• Conservativa
• Replicativa
4. La trasposizione Posizione induce un effetto 'mutageno' mutazione letale mutazione non letale

“core” codificante solo per trasposizione.

● Trasposoni - rilevanti dimensioni, integrazione sito specifica mediante IS, “core” contenente uno o più geni.

I TRASPOSONI

Rappresentano fino al 50% del DNA dell’uomo

Alle estremità di molti - ma non tutti- i trasposoni, sono presenti le ripetizioni terminali invertite

Su entrambi i lati portano Ripetizioni fiancheggianti dirette: non fanno parte del trasposone e non si sposano con esso ma vengono generate dal processo di trasposizione in corrispondenza del sito di inserzione. Sequenze variabili ma lunghezza costante. Queste ripetizioni indicano che il TE si inserisce dopo aver effettuato dei tagli a scalino.

b. I trasposoni nei batteri

I trasposoni batterici contengono soprattutto gli elementi necessari per la trasposizione.

La trasposizione avviene solo con un meccanismo Di ricombinazione del trasposone con quello del sito in cui esso traspone, che viene detto di ‘ricombinazione sito-specifica’.

Il trasposone si può inserire soltanto in regioni di DNA in cui si trovano brevi sequenze nucleotidiche che fanno da bersaglio per l'inserzione. La sequenza nucleotidica di tali siti sembra irrilevante e non omologa ad alcuna specifica sequenza del trasposone. Non occorre quindi affinità tra sequenze del trasposone e sito di inserzione come invece nella ricombinazione omologa, che avviene tra geni aventi le stesse sequenze nucleotidiche. I trasposoni batterici appartengono a due classi: - Classe I: i più semplici perché sono costituiti da trasposasi e da due sequenze simili tra loro disposte in senso inverso alle due estremità. Lungo generalmente 900. Ha una trasposizione replicativa. Possiede in pratica solo ripetizioni fiancheggianti, le ripetizioni terminali invertite e il gene per la trasposasi, ma può anche contenere geni importanti. - Classe II: trasposoni composti. Sono costituiti da due IS nella stessa direzione o in direzione opposta.che si trovano vicine o trasformano come una sola unità, trasportando con sé la parte di DNA compresa fra loro. Fra le due IS si trovano ingenere per la trasposasi e frequentemente almeno un gene per la Resistenza un antibiotico punto. Il Tn3, che è il più studiato Tra i trasposoni di classe seconda codifica anche per una proteina regolatrice, la quale mediante repressione, contro la lasintesi della trasposasi, evitando in tal modo una produzione eccessiva, che non sarebbe utile per un evento quale la trasposizione che avviene con bassa frequenza. Elementi invertibili: Oltre a geni codificanti per la trasposizione, presenza di DNA invertasi capace di invertire l'elemento di 180° nella sua locazione cromosomica. Isole genomiche: integrate nel cromosoma mediante fago, veicolano geni per la patogenicità dei batteri di una stessa specie differenziandoli da batteri non patogeni. Meccanismi di variabilità genetica: La variabilità genetica

Consente al batterio una maggiore fitness, ossia la capacità di adattarsi a diversi ambienti. I cambiamenti a carico del genoma avvengono mediante:

1. Mutazione = modificazione, più o meno estesa, della sequenza nucleotidica, con possibili effetti sulle caratteristiche macroscopiche.
   1. Considerato il tempo di generazione medio di una cellula, l'effetto di una mutazione sul fenotipo si esprime in tempi brevissimi.
   2. Ceppo mutante vs ceppo selvaggio.
   3. Una mutazione viene selezionata se conferisce un vantaggio selettivo.
   4. Possono essere talvolta letali per la cellula.
   5. Mutazioni spontanee insorte durante la duplicazione-riparazione del DNA, a seguito di integrazione-perdita di elementi mobili, per azione e fagica.
   6. Mutazioni indotte da agenti mutageni chimici, fisici o biologici.
   7. Reversione della mutazione: può venire nel sito mutato originario o in un sito differente. Annulla la mutazione ristabilendo il fenotipo originario (ceppo revertante).
2. Mutazioni microlesioni:

effetti sul fenotipo

Puntiformi, interessano 1 sola base

● Inserzione-aggiunta di una base

● Delezione: perdita di una base

● Sostituzione- transizione : Sostituzione tra basi puriniche e pirimidiniche

● transversione : Sostituzione base pur-pirim con base pirim-pur

Effetti sul fenotipo:

- sequenza invariata per degenerazione del codice genetico

- proteina funzionale( mutazioni SILENTI)

- sequenza aa mutata - proteina incompleta, probabilmente non funzionale (mutazioni MISSENSE)

- produzione di un codone di STOP: arresto sintesi proteina, non funzionale (mutazioni NONSENSE)

- Trasferimento genico orizzontale = coniugazione, trasformazione,trasduzione

- Ricombinazione genetica = conversione lisogenica, fusione del protoplasto

MUTAZIONI

Una mutazione è un cambiamento ereditario nella sequenza delle basi dell'acido nucleico nel genoma di un organismo. Un ceppo che porta a tale cambiamento è detto MUTANTE.

fenotipoAuxotrofo è un mutante con necessità nutrizionali per crescere mentre il progenitore da cui deriva è chiamato prototrofo. Lo scambio di DNA tra le cellule consente lo scambio di geni e di caratteri fenotipici, dando origine a nuovi ceppi batterici. Lo scambio di materiale genetico tra organismi e/o cellule diverse si realizza attraverso la RICOMBINAZIONE GENETICA. Questo meccanismo genera elevata variabilità genetica non solo all'interno di popolazioni cellulari della stessa specie ma anche di specie differenti e lontane da un punto di vista evolutivo in un processo che viene definito "lateral gene transfer". Meccanismi di trasferimento genetico orizzontale: I meccanismi di trasferimento genetico consentono la mobilizzazione di sequenze di DNA (plasmidi, parte del cromosoma, trasposoni coniugativi) tra cellule differenti, appartenenti alla stessa specie o a specie differenti: - Trasformazione - Coniugazione - Trasduzione La sequenza di DNA

trasferita potrà integrarsi nel cromosoma della cellula accettrice a seguito di ricombinazione genetica.

meccanismo di trasferimento genetico 'evoluto' da una primitiva esigenza nutrizionale- assunzione di frammenti di DNA solubile dall'ambiente circostante da parte di due cellule batteriche 'competenti'

Osservato sia nei Gram+ che nei Gram - Influenzato da:

1. dimensioni DNA
2. sensibilità DNA a nucleasi
3. 'competenza' della cellula accettrice

TRASFORMAZIONE: La scoperta di Griffith del principio trasformante impiegando Streptococcus pneumoniae

La cellula accettrice deve per poter essere trasformata, trovarsi in una particolare condizione che prende il nome di competenza.

competenza: capacità cellulare di 'catturare' il DNA

Il raggiungimento di un livello soglia nella densità cellulare attiva la sintesi ed il rilascio di un fattore di competenza Che, agendo a livello della membrana, induce:

Modificazioni di parete cellulare autolisina- sintesi-attivazione di proteine- La competenza può essere:

• Naturale
• indotta artificialmente, mediante trattamento a freddo con CaCl oppure elettroporazione

La cellula donatrice è una cellula morta

1. morte e degradazione del batterio donatore
2. Un frammento di DNA bicatenario interagisce con specifiche proteine alla superficie della cellula 'competente'. Il DNA è reso monocatenario da una nucleasi
3. La proteina Rec A promuove la ricombinazione omologa tra il DNA ss donatore e quello ss recipiente.
4. Il trasferimento è completato.

La trasformazione si realizza solo se la cellula ricevente si trova in uno stato di competenza ed esprime sulla superficie:

DNA