Capitolo 3 - Docenti.unina

Genetica batterica
E. coli
Plasmidi
Elementi
DNA
genetici trasponibili
fagico
Cromosoma
batterico
Cromosoma batterico
La maggior parte dei geni dei batteri è codificata in
una singola molecola di DNA, a doppia elica, grande e
circolare: CROMOSOMA BATTERICO
Per poter essere contenuto nella cellula batterica esso
è superavvolto; tale superavvolgimento viene
eliminato durante la replicazione o la trascrizione ad
opera delle DNA girasi
Mancano gli istoni
Generalmente, la dimensione del cromosoma
procariote è correlata alla complessità fisiologica o
morfologica della cellula
LOCALIZZAZIONE DEI GENI SUL CROMOSOMA
In alcuni casi, i geni sono disposti singolarmente sul cromosoma:
da questi geni viene trascritta una singola specie di mRNA che è
tradotta in un singolo tipo di proteina.
Esistono piccoli gruppi di geni (“CLUSTER”) che codificano per
funzioni correlate, sono adiacenti sul cromosoma e vengono
trascritti, a partire da un singolo promotore, su una singola
molecola di mRNA, dalla cui traduzione verranno poi formate
tante proteine quanti sono i geni che fanno parte del gruppo.
Tale gruppo di geni costituisce un OPERONE
L’arrangiamento in operoni dei geni è tipico di molti batteri e
VANTAGGIOSO perché permette di economizzare sui meccanismi
di regolazione in quanto il raggruppamento in operoni di geni con
funzioni correlate, che richiedono quindi una regolazione
dell’espressione simile, riduce il numero di sistemi di regolazione
richiesti.
LE
MUTAZIONI
Qualunque cambiamento nella sequenza del DNA
Qualunque cambiamento che introduce
un’alterazione nella struttura a doppia elica
Nelle normali condizioni di coltivazione, le mutazioni
avvengono raramente (di norma una popolazione
contiene circa una cellula su 108 ), ma l’esposizione a
certi mutageni particolarmente potenti aumenta
notevolmente la frequenza di cellule che portano una
mutazione
LE MUTAZIONI CAMBIANO SIA IL GENOTIPO CHE IL
FENOTIPO CELLULARE
CLASSIFICAZIONI DELLE MUTAZIONI
IN BASE AL LORO EFFETTO SUL GENOTIPO
MACROLESIONI = cambiamento che coinvolge un certo numero di
coppie di basi o anche diversi geni
 DELEZIONI comportano l’eliminazione completa di un
segmento di DNA;
 DUPLICAZIONI ripetizione in tandem di un segmento di DNA;
 INVERSIONI rotazione di 180° di un segmento di DNA;
 INSERZIONI introduzione di un nuovo segmento di DNA
all’interno di una sequenza preesistente;
 TRASLOCAZIONI inserimento di un segmento di DNA in
un’altra posizione del genoma
MICROLESIONI = cambiamento di una singola coppia

INSERZIONE o DELEZIONE è data dalla perdita o dall’acquisto
di una singola coppia di basi

SOSTITUZIONE DI UNA COPPIA DI BASI è dovuta al
cambiamento di una coppia di basi con un’altra
Elementi genetici extracromosomici
Plasmidi
Non tutti i geni batterici sono codificati sul
cromosoma. Molti batteri, ma non tutti,
contengono una o più molecole di DNA
circolare, chiamate PLASMIDI
Stabili
Spiralizzati
Questi elementi, con dimensioni variabili da
poche a diverse centinaia di kb, funzionano
come piccoli cromosomi: SONO
AUTOREPLICANTI E CODIFICANO PER VARIE
FUNZIONI CELLULARI
Differiscono dai cromosomi in quanto:
NON INDISPENSABILI perché il tipo di
funzione da loro codificato conferisce
vantaggio alla cellula solo in alcuni ambienti;
NON SONO CONFINATI NELL’AMBITO DI UN
SINGOLO OSPITE; alcuni possono essere
trasferiti e replicati solo in piccoli gruppi di
ospiti batterici strettamente correlati; altri
hanno una vasta gamma di ospiti
Il GENOMA BATTERICO è quindi costituito
dal suo CROMOSOMA e dai PLASMIDI
eventualmente presenti
Alcuni plasmidi denominati plasmidi coniugativi
possiedono un set di geni
(geni tra = trasferimento) che sono in grado di
promuovere il loro trasferimento in cellule
diverse (trasmissione orizzontale) attraverso un
ponte citoplasmatico
Plasmide F
CONIUGAZIONE
Resistenza agli antibiotici: Plasmidi R

degradazione enzimatica (e.g.penicillina)

modificazioni enzimatiche (e.g.cloramfenicolo)

alterata permeabilità (e.g.tetracicline)

alterazione del target (e.g.streptomicine)

via metabolica alternativa (e.g.sulfamidici)
Virulenza: fattori di invasione, produzione tossine e colicine
Metabolismo e Catabolismo: produzione di siderofori
Resistenza antibiotici
Fattori di virulenza
Segmenti di DNA mobili in grado di
traslocare nell’ambito della stessa cellula
Segmenti di
DNA con
sequenze per
inserzione
oltre ai geni per la propria
traslocazione trasportano altri geni
Isole di Patogenicita’
(Pathogenicity Islands, PAI)

Gruppo di geni che codificano per peculiari
proprietà patogene riuniti in precisi segmenti di
DNA genomico (isole)

Caratterizzano la patogenicità di batteri di una
stessa specie differenziandoli da batteri non
patogeni
Caratteristiche delle isole di patogenicità:
1. contengono un solo gene (“islet”) oppure molti geni di
virulenza
2. sono assenti nei corrispondenti ceppi avirulenti
3. il contenuto in G/C è diverso dal resto del cromosoma
4. presentano alle estremità sequenze ripetute/ inserzione
5. contengono "geni mobili" ( transposoni…)
6. sono instabili
FATTORI DI VIRULENZA CODIFICATI DALLE PAI
1. sistemi di escrezione
2. interferenza con il sistema immune
3. adesività e colonizzazione
4. modulatori di funzioni della cellula ospite
5. internalizzazione
6. sopravvivenza/moltiplicazione intracellulare
7. sottrazione di nutrienti ( es: ferro)
Elementi Invertibili
Elementi genici trasponibili:
codificano per un enzima (DNA-
invertasi) che permette di invertire con
una rotazione di 180° la posizione
dell’elemento nell’ambito dello stesso
sito di inserzione
La maggior parte dei batteri patogeni possono
scambiare materiale genetico andando incontro a
fenomeni di ricombinazione genica omologa e non
omologa
TRASFORMAZIONE
CONIUGAZIONE
TRASDUZIONE
TRASFORMAZIONE:
acquisizione di nuovi
marcatori genetici
attraverso l’incorporazione
di DNA esogeno
ESPERIMENTI DI
GRIFFITH (1928)
SULLA VIRULENZA DI
Diplococcus pneumoniae
Punti chiave della
Trasformazione
Il batterio
ricevente è un
batterio
competente
A
B
CONIUGAZIONE:
scambio di materiale genetico da
un batterio donatore ad un batterio
ricevente attraverso il pilo F
TRASFERIMENTO GENETICO DEL PLASMIDE
F TRAMITE CONIUGAZIONE
OriT = origine del
trasferimento
PAROLE CHIAVI
Plasmide F
Plasmidi coniugativi
Geni tra che codificano per il pilo
Modello di replicazione del
“rolling circle”
F+
F-
F+
F-
F+
F+
F+
F+
F+
Hfr
Punti chiave della Coniugazione
1
2a
2b
TRASDUZIONE:
ricombinazione
genetica attraverso
un’infezione fagica
FAGO: virus
batterico
Capside o
Testa
Sistema
contrattile
Coda
Fibre della
coda
Piastra
basale
Due tipi di infezione:
Ciclo litico: infezione con fagi virulenti e conseguente lisi
cellulare
Ciclo lisogeno: infezione con fagi temperati ed intregrazione
del genoma virale (profago) nel genoma batterico senza lisi
cellulare
Il ciclo lisogeno puo’
trasformarsi in ciclo
litico con l’uscita del
profago dal genoma
Infezione litica
Infezione lisogena di un batterio con un fago temperato
CONVERSIONE FAGICA: batteri
che assumono nuovi caratteri
fenotipici quando vengono
lisogenati con un profago
ricombinato (contenti geni di
origine batterica)
IMMUNITA’ FAGICA: durante lo stato
lisogeno la cellula batterica e’ immune da
infezioni di altri fagi dello stesso tipo del
fago integrato
ESEMPI DI CONVERSIONE FAGICA:

La trasformazione di batteri avirulenti in batteri produttori
di tossine eg. Corynebacterium diphtheriae (fago beta con
proteina Tox)

Amplia il corredo di tossine batteriche, eg. Clostridium
botulinum ( almeno due delle sette tossine botuliniche),
Streptococcus pyogenes (alcune tossine pirogene)

Modificazioni antigeniche che si riscontrano in alcune
salmonelle, shigelle ed altri batteri
Trasduzione Generalizzata
(associata al ciclo litico)
trasduzione nella quale ogni gene batterico
puo’ essere potenzialmente trasferito
Trasduzione Specializzata
(associata al ciclo lisogeno):
trasduzione nella quale specifici
geni batterici sono trasferiti
bio
gal
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