Lez26 HGT, diversità genetica

07/01/2015
Basi della diversità genetica
nei microrganismi
Fluidità dell’informazione genica:
Mutazioni e trasferimento
orizzontale
Mutazioni
• Le mutazioni possono avvenire spontaneamente in
seguito ad errori di incorporazione di nucleotidi nel DNA
• Tipi di mutazione (in base ai loro effetti):
Mutazioni spontanee
• Frequenza estremamente bassa (<10-7) per
presenza di sistemi di riparazione del DNA
• Quindi: <1 evento per replicazione di un genoma
batterico “medio”
• Può essere aumentata anche di 100-1000 volte
da mutagenesi ambientale (raggi UV, stress
ossidativo)
• Può avvenire ad elevate frequenze a siti
particolari detti “hot spots”
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Mutazioni causate da
“polymerase slippage”
…AGGTCTCGCAACGTGTTCGACA…
Sequenze di questo tipo non
presentano “insidie” particolari per la
DNA polimerasi
…AGGTCTCGAAAAAAAAAAGACA…
Sequenze con ripetizioni dello stesso
nucleotide sono più “problematiche”
per la DNA polimerasi batterica.
Ad esempio, con frequenza elevata le
10 “A” verranno replicate
erroneamente (es. 9-11 “T”)
causando mutazioni frameshift
Le mutazioni da “polymerase
slippage” rappresentano un
meccanismo di
“mimetizzazione molecolare”
• Alcune strutture caratteristiche della superficie
cellulare sono altamente “immunogeniche” (cioè
facilmente riconoscibili dagli anticorpi):
mutazioni che ne bloccano l’espressione
rendono le cellule batteriche “meno visibili” al
sistema immunitario dell’ospite.
Eterogeneità della produzione della
capsula in B. fragilis
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Trasferimento genico orizzontale
(HGT)
• Una fonte principale di diversità genica all’interno di una
popolazione batterica è l’acquisizione di elementi di DNA
“mobili” (plasmidi, trasposoni)
• Queste molecole possono “portare in dote” informazioni
genetiche vantaggiose per la cellula batterica ricevente
(es. geni di resistenza agli antibiotici)
• Tutti questi processi sembrano avvenire con più elevata
frequenza in cellule batteriche facenti parte di biofilm
Elementi di DNA mobile
• Virus (lisogenia, profagi)
• Plasmidi
• Trasposoni
• … e anche, in alcune circostanze, frammenti più
o meno estesi di DNA genomico
I PLASMIDI
• Molti batteri oltre al cromosoma contengono molecole di
DNA più piccole (da 2,000 a 100-500,000 pdb), dette
plasmidi.
• Queste molecole non sono indispensabili per le funzioni
fondamentali del batterio (ceppi della stessa specie
possono esserne privi).
• I plasmidi sono generalmente molecole di DNA circolare
e superavvolto, presenti in copia multipla nel batterio.
• I plasmidi replicano indipendentemente dal cromosoma
del batterio, anche se necessitano del medesimo
“macchinario enzimatico” del cromosoma perché
avvenga la loro replicazione.
• I plasmidi possono “trasferirsi” da un ceppo batterico
ad un altro (meccanismi di trasformazione e di
coniugazione batterica)
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La coniugazione batterica
Ceppo F+ di
E. coli
Ceppo F- di
E. coli
Pilus: fattore di adesione
Sistemi di secrezione “di tipo IV”: canali di trasferimento del DNA
Geni dei plasmidi coniugativi
• I plasmidi coniugativi portano i geni
necessari al loro trasferimento (es. pilus
coniugativo)
• Spesso portano geni vantaggiosi per la
cellula ricevente (antibiotico-resistenza,
utilizzo di nuove vie metaboliche)
Plasmide coniugativo R100
Resistenze
Mer= Hg++
Sul= Sulfonamide
Str= Streptomicina
Tet= Tetraciclina
Cat= Cloramfenicolo
Geni per il trasferimento
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Trasformazione batterica
Frammenti di DNA “libero” possono
essere riconosciuti da proteine di
membrana e trasportati all’interno
della cellula batterica, dove possono
incontrare due destini diversi:
Degradazione/ Integrazione (in
maniera dipendente da sequenza,
condizioni ambientali, etc.)
I plasmidi possono mantenere le
loro caratteristiche di unità di DNA
dotate di replicazione autonoma
(in aggiunta alle altre possibilità)
In che occasione possiamo avere DNA
libero in un ambiente naturale?
L’esperimento di Griffith su Streptococcus pneumoniae è
un “semplice” esperimento di trasformazione
La capacità di un batterio di assumere DNA esogeno è detta competenza
Concetti dell’esperimento di Griffith
• Il ceppo virulento (Streptococcus pneumoniae di
tipo S=smooth) possiede la capacità di produrre
la capsula
• Può “passare” questa capacità ad un ceppo
non-capsulato (tipo R=rough). Questo
“passaggio di informazione” non richiede una
partecipazione attiva da parte del ceppo S.
• Una componente cellulare del ceppo S è la sede
di questa informazione.
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Schema semplificato della
trasformazione batterica
I batteri devono essere in uno stato di
“competenza” per essere trasformabili
Il meccanismo di uptake del DNA è mediato da proteine specifiche (fattori di competenza)
che vengono espresse in risposta a precise condizioni ambientali e fisiologiche.
I trasposoni: “vagabondi” a
livello molecolare
IS
GCATGGTGCCGATATAC
CGTACCACGGCTATATG
IS
GTATATCGGCACCATGC
CATATAGCCGTGGTACG
Gene codificante l’enzima trasposasi
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Trasposoni complessi
La trasposizione risulta in una
“migrazione” dell’elemento trasponibile
Taglio “sfasato” del sito di inserzione
Inserzione del trasposone
Reazione di “filling” delle
regioni di DNA a singola elica
La trasposasi induce l’escissione
del trasposone
In maniera dipendente da
segnali ambientali o dalla
replicazione della cellula
batterica, l’espressione
della trasposasi può
essere attivata e portare al
distacco (escissione) del
trasposone.
La rottura a doppia elica
nel cromosoma può essere
risaldata dalla trasposasi
stessa
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Importanza dei trasposoni come
fonte di diversità genetica
• I trasposoni possono portare geni
codificanti per fattori di virulenza,
resistenza ad antibiotici, vie metaboliche
• La loro capacità di “saltare” da un
elemento genetico all’altro (es.
cromosoma>plasmide) ne permette un
frequente trasferimento intercellulare e
interspecie
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