Microbiologia Marina, C. Vignaroli

CICLO LISOGENICO

Una volta che il fago ha iniettato il proprio genoma nella cellula ospite, esso si integra con quello del

cromosoma batterico, diventando un profago; il batterio, riproducendosi normalmente, replica anche il

profago ad ogni divisione cellulare. Raramente (1/100mila cellule), il profago può lasciare il cromosoma

dell’ospite e tornare allo stato libero; questo fenomeno può essere indotto da variazioni di T, elevato

irraggiamento o presenza di antibiotici.

La lisogenia in mare è un fenomeno molto comune; si stima che il 60-70% del genoma batterico sia costituito

da profagi.

Si tratta di un meccanismo di sopravvivenza dei virus, perché in condizioni avverse (carenza di ospiti o di

nutrienti, bassa attività metabolica degli ospiti) la lisogenia assicura la conservazione del genoma; al

ristabilirsi delle condizioni favorevoli esso sarà pronto per essere replicato e permettere la proliferazione

della progenie.

 Allo stesso tempo, la lisogenia può indurre nei batteri un aumento della fitness:

 immunità lisogenica – resistenza a superinfezioni

 conversione lisogenica – introduzione di nuovi caratteri fenotipici

 interruzione di geni – perdita di funzioni non utili, che provocano solo un dispendio di energia

 produzione di repressori che bloccano geni e funzioni metaboliche non essenziali

 resistenza agli antibiotici

 riarrangiamento genico.

Piggyback-the-winner Model

È un nuovo modello di interazione batterio-fago, applicabile ai biofilm batterici, in particolare quelli che si

sviluppano nei tessuti dei metazoi (es. intestino dell’uomo).

I modelli tradizionali sostengono che la lisogenia sia più comune in condizioni oligotrofiche e, in genere,

quando la densità e il tasso di crescita della comunità batterica sono bassi; in situazioni di crescita della

popolazione batterica, invece, prevarrebbe il ciclo litico (alto rapporto Virus/Microbi). I meccanismi e i fattori

che determinano realmente il passaggio da un’infezione all’altra, tuttavia, sono ancora poco noti.

Studiando i biofilm che si sviluppano sulle superfici mucose, si è notata una abbondante e diversificata

comunità virale: il rapporto V/M qui sembra essere fino a 4 volte più elevato rispetto all’ambiente

circostante. I fagi possono interagire direttamente con le mucine dei metazoi, attraverso l’espressione di

proteine aventi domini compatibili sul loro capside; il legame con le mucine determina un rallentamento nella

diffusione del fago attraverso il biofilm, permettendo una infezione più efficiente dei batteri presenti (si

accresce la frequenza di incontri fago-ospite).

Analisi di metagenomica evidenziano che queste comunità mostrano forte attività lisogenica: fino al 50%

delle particelle virali nell’intestino umano sembrano essere lisogeniche.

L’organizzazione spaziale delle superfici mucose è la seguente:

1. gli strati profondi vicini all’epitelio sono più ricchi di mucine, mentre quelli più esterni sono più poveri

2. la densità e anche i tassi di crescita dei batteri sono maggiori negli strati esterni, mentre quelli interni

(più poveri di O e H O e difficili da attraversare per la concentrazione di mucina) sono quasi privi di batteri

2 2

3. la densità dei fagi è maggiore nella parte centrale, dove trovano sia ospiti che mucina a cui legarsi.

Secondo il modello Piggyback-the-winner, il ciclo lisogenico sarà favorito nello strato superiore del biofilm.

La maggior parte dei batteri commensali qui presenti avrà un profago nel proprio genoma (che tra le altre

cose lo proteggerà da superinfezioni); quando questi si muovono verso l’epitelio, i tassi di crescita e le

abbondanze diminuiscono, favorendo l’induzione profagica e la lisi cellulare: il rilascio della progenie virale

può così contribuire a mantenere elevato il rapporto V/M negli strati intermedi del biofilm.

Come conseguenza di questa struttura, un batterio invasore dovrà affrontare due diversi ostacoli:

 i batteri lisogenici dello strato esterno, avvantaggiati dalla trasduzione integrata del fago, battono

nella competizione il batterio invasore

 se il batterio invasore riesce a superare i primi strati del biofilm, nella porzione intermedia l’elevata

densità di fagi rende più probabile l’infezione virale; se il batterio non è in qualche modo immune

all’infezione, andrà incontro a lisi virale appena va più a fondo nel biofilm.

Il mantenimento del profago potrebbe rappresentare, per i batteri commensali, uno svantaggioso dispendio

energetico; in alcuni studi, però, è stato dimostrato che i costi per attuare le difese contro l’infezione

sarebbero più elevati.

Gene Transfer Agents (GTA)

Si tratta di Virus-Like Particles (VLP) generate da un’escissione errata del profago, che provoca la trasduzione

di geni in nuovi ospiti. Questi GTA sono stati recentemente trovati negli α-proteobatteri; probabilmente si

sono evoluti da fagi difettivi che hanno perso i geni per la replicazione, regolazione e lisi. Includono frammenti

casuali di genomi batterici e copie incomplete del proprio genoma. Hanno una struttura simile a piccoli

batteriofagi con coda.

RUOLO ECOLOGICO DEI VIRUS

1. Determinano cambiamenti

genetici (HGT) e fenomeni evolutivi.

2. Alcuni sono patogeni di animali

marini.

3. Viral Shunt – i virus

contribuiscono, con la loro capacità di

infettare le comunità microbiche, alla

rigenerazione del Carbonio e degli altri

nutrienti.

Con la lisi delle cellule ospite, infatti,

contribuiscono all’arricchimento del

pool di DOM e POM nell’ambiente,

interrompendo il flusso di energia e

nutrienti dalla componente batterica ai

comparti trofici superiori e stimolando

la crescita batterica.

Il sequestro del Carbonio ai livelli più bassi della catena trofica ne limita anche l’immissione in atmosfera.

4. Regolano la diversità microbica, modificando la composizione specifica delle comunità.

Biodiversità microbica: infezione virale vs. grazing

L’entità del contributo di virus, da una parte, e di protisti batteriofagi, dall’altra, alla diversità microbica varia

in base a diversi fattori. In ambiente aerobio eutrofico, per esempio, i due meccanismi hanno lo stesso peso

sulla mortalità batterica: 40% circa di mortalità giornaliera; in ambienti anaerobi e anossici, invece, il 100%

della mortalità è necessariamente da imputarsi alla lisi virale.

I virus influenzano la diversità microbica attraverso 4 meccanismi:

1. Ciclo litico, Killing the Winner – mentre i protisti selezionano le proprie prede soprattutto in base alla

taglia, i virus hanno una maggiore specificità (anche se si ipotizza un più ampio range di ospiti rispetto a

quello osservato in laboratorio); la selezione è quindi dettata dalle stesse condizioni che regolano

qualsiasi relazione preda-predatore: la

preda incontrata più spesso è quella

preferita. In assenza di meccanismi di

resistenza da parte dell’ospite, l’infezione

virale tende ad abbattere la popolazione

più abbondante.

Questo favorisce lo sviluppo delle specie

meno competitive, contribuendo

all’aumento della biodiversità.

Es. rapporto tra l’abbondanza di Emiliania

Huxleyi e quella del virus EhV.

2. Ciclo litico, rilascio dei prodotti di lisi – la

lisi virale comporta il rilascio di DOM, che

accresce il pool di materia organica

nell’ambiente; i prodotti di lisi sono in particolare macromolecole,

come proteine, carboidrati, lipidi, acidi nucleici, ecc. Esse

costituiscono sostanza organica di prima qualità (basso rapporto

C/N), che stimolano la crescita dei microrganismi, in base alla teoria

trofica del controllo della biodiversità batterica:

Quantità delle risorse – più sostanza organica disponibile

aumenta il numero di nicchie disponibili per i Procarioti eterotrofi

Quantità delle risorse – materia organica di buona qualità può

essere assimilata da più specie, a differenza della materia organica

refrattaria che richiede vie metaboliche specializzate.

La combinazione di questi due fattori può indurre cambiamenti nella struttura di comunità dei

Procarioti.

3. Ciclo lisogenico, conversione fagica – i fagi integrano il proprio genoma in quello dell’ospite, rendendolo

immune da infezione di fagi omologhi, oltre a permettergli di acquisire nuovi tratti morfologici,

metabolici o di patogenicità.

Es. Vibrio cholerae, infettato dal fago temperato CTX – il fago non dà origine a ciclo litico, tuttavia parte

del suo genoma, integrato in quello del batterio, codifica per l’enterotossina che caratterizza la specie e

agisce sull’intestino umano. Cellule non lisogenizzate non sono tossigeniche.

4. Trasduzione, trasferimento di geni – processi di trasduzione virale portano ad uno scambio di geni tra i

diversi ospiti, causando importanti conseguenze in termini di adattamento, struttura genetica ed

evoluzione dell’intera popolazione batterica marina.

Trasduzione generalizzata – durante la riproduzione, vengono incorporati nel genoma del fago

frammenti casuali di DNA dell’ospite

Trasduzione specializzata – il fago compie un ciclo lisogenico e il fago integra sempre in un punto

specifico del cromosoma batterico, di solito vicino al punto di integrazione del genoma virale.

Geni Metabolici Ausiliari – alcuni virus possono incorporare geni accessori dai propri ospiti; tramite

l’espressione di questi geni, durante l’infezione, possono indurre vie metaboliche nel batterio che favoriscono

la replicazione del virus oppure inibiscono i sistemi di difesa dell’ospite stesso.

Es. Cianofagi, virus che infettano i Cianobatteri: possono incorporare geni che codificano delle proteine

coinvolte nel sistema fotosintetico e influire positivamente sui tassi di produzione di energia del batterio. In

tal modo, l’energia prodotta può essere utilizzata per la replicazione del genoma virale e per la produzione

della progenie.

Interazioni virus-Eucarioti

Cheshire Cat Effect – è un meccanismo di difesa dall’infezione virale, basato sulla mimetizzazione, e

si è osservato in Emiliania Huxleyi. Durante la lisi virale, E. huxleyi cambia la propria struttura genetica e

morfologia per sfuggire all’infezione: diventa flagellata, priva di tasche ed aploide, in modo che il virus non la

riconosca. Lo sviluppo di questa forma cellulare può inoltre portare ad un tipo di riproduzione sessuale, per

ripristinare la condizione diploide, che accresce la variabilità genetica della popolazione.

Red Queen Effect – si tratt