medicina geni batterici 2 2015

Assenza di introni
Assenza di esporto nucleare
Trascrizione e traduzione
accoppiate
aploidia
Geni cromosomici, geni plasmidici
1 o più cromosomi
1 o più tipi di plasmidi
Promoter
ATG
TGA
ATG
Polycistronic mRNA
Polycistronic mRNA
TAA
• Alcuni geni sono sempre espressi
• Altri sono regolati (accesi, spenti)
• OPERONI Geni funzionalmente
correlati sono spesso fisicamente
associati e sono coregolati a livello
trascrizionale (accesi o spenti)
The lac Operon
 3 genes involved in processing the sugar
lactose
z
y
 β-galactosidase
lac operon
 lactose permease
 galactoside O-acetyltransferase
a
E. coli can use glucose or lactose
E. coli prefers glucose (monosaccharide)
because lactose (disaccharide)
needs to be hydrolysed
Growth medium containing
both glucose and lactose
Lactose is absent
A repressor sits on a sequence of DNA in front
of the lac operon (Operator site) and inhibits
access of the RNA polymerase at the Promoter
Repressor
protein
DNA
I
O
Regulator
gene
Operator
site
RNA
polymerase
Blocked
z
y
lac operon
a
Lactose is present
A small amount of lactose enters the cell and is
transformed in allolactose which binds the
repressor inducing a conformational change.
Repressor can no longer sit on the operator site.
DNA
I
O
z
y
Promotor site
a
Both glucose and lactose present
RNA polymerase can sit on the promoter
but it is unstable and it keeps falling off
Repressor protein
removed
RNA polymerase
DNA
I
O
z
y
Promotor site
a
• An activator protein which stabilises the RNA
polymerase is needed.
• The activator only works when glucose is
absent
Activator
protein
Transcription
DNA
I
O
z
y
Promotor site
a
Summary
Carbohydrates Activator
protein
Repressor
protein
RNA
polymerase
lac Operon
+ GLUCOSE
+ LACTOSE
Not bound
to DNA
Lifted off
operator site
Keeps falling
off promoter
site
No
transcription
+ GLUCOSE
- LACTOSE
Not bound
to DNA
Bound to
operator site
Blocked by
the repressor
No
transcription
- GLUCOSE
- LACTOSE
Bound to
DNA
Bound to
operator site
Blocked by
the repressor
No
transcription
- GLUCOSE
+ LACTOSE
Bound to
DNA
Lifted off
Sits on the
operator site promoter site
Transcription
Sigma factors
sigma 70 promoters
multiple sigma factors
some are regulated, and used
only at certain times.
Each binds a different promoter sequence
Two component system
1. Signal
2. Histidine (H) phosphorilation
3. Aspartate (D) P trasfer
4. Response
Vir activated genes (vag) up
Vir repressed genes (vrg) off
BvgAS phosphorelay in Bordetella.
Bvg+
Bvgi
Bvg-
Activation of alternate σ factors
Yakir Nataf et al. PNAS 2010;107:18646-18651
antisense RNA
a) mRNA degradation
b) mRNA translation inhibition
Post-transcriptional control
Strand slippage mispairing
Phase or contingency genes
Genes ON/OFF
Gene 234 on
Gene 234 off
differente specie
stessa specie
DNA
coniugazione, trasformazione, trasduzione
DNA
ricombinazione, transposizione
LGT lateral gene transfer
Vertical evolution Horizontal evolution
cromosoma
plasmide
DNA
Plasmidi di fertilità
Plasmidi di resistenza
Plasmidi di patogenicità
cromosoma
plasmide
Plasmidi vettori
Geni di interesse inseriti in E. coli
artificialmente
coniugazione
F may insert at different sites
(many IS3 reside in the chromosome)
F may transfer chromosomal genes
Hfr1
clockwise
counterclockwise
F factors insert clockwise or
counterclockwise
Mediante coniugazione un batterio
può ricevere geni intatti che
sostituiscono geni mutati, non
funzionali
Uso di mutanti auxotrofi
(incapaci di crescere senza aggiunta
di particolari sostanze)
met -, bio-
met +, bio+
IS3
F
F’
Diploidia parziale
Plasmidi di fertilità
Plasmidi di resistenza
Plasmidi di patogenicità
penicillina
tetraciclina
RTF geni del
trasferimento
cloramfenicolo
geni di resistenza
Plasmidi R
Geni di resistenza sono spesso segmenti
di DNA mobili
Non tutte le specie batteriche
sono trasformabili
Trasformazione naturale
Streptococcus pneumoniae
Pneumoniae
Bacillus subtilis
Neisseria meningitidis
Neisseria gonorrhoeae
Haemophilus influenzae
Pasteurella multocida
Trasformazione plasmidica
E. Coli (processo artificiale)
Permeabilizzazione membrana
Mediante 1) ioni calcio
2) Shock elettrico
Antibiotico resistenza
DNA “clonato”
cromosoma
plasmide
Plasmidi vettori
Geni di interesse inseriti in E. coli
artificialmente
Plasmidi di clonaggio
Lytic life cycle
LISOGENIA
TRASDUZIONE SPECIALIZZATA (˜10-6)
TRASDUZIONE GENERALIZZATA (˜10-6)
Batterio auxotrofo
(his-)
Batterio autotrofo
(his+)
109 fagi infettano
1010 batteri
auxotrofi his-
autotrofi his+
plasmide F
100 kb
Plasmidi R
10-100kb
Plasmidi clonaggio 3-4 Kb
Fago lambda 48kb
Fago P1
89 Kb
1 fago infetta 1 batterio
102 fagi sono prodotti da un ciclo litico
Se ogni fago infetta un batterio, dopo 30’
saranno prodotti 104 fagi, che infettando
104 batteri produrrano 106 fagi in 30’
1031 phages worldwide
(1021 stars in the universe)
Approximately half of all bacteria are
killed daily by phages.
Phages can carry virulence and antibiotic
resistance genes, and can be used
therapeutically against pathogenic
diseases.
Conversione lisogenica
Geni fagici determinano o accrescono
la virulenza del batterio
Lysogenic Conversion
Examples of Virulence Factors Carried by Phage
Batterio
fago
Prodotto
genico
fenotipo
Vibrio cholerae
CTX phage
cholerae
toxin
cholera
Escherichia coli
lambda
phage
shigalike
toxin
hemorrhagic
diarrhea
Clostridium
botulinum
clostridial
phages
botulinum
toxin
botulism
Corynebacterium
diphtheriae
corynephage
beta
diphtheria
toxin
diphtheria
Streptococcus
pyogenes
T12
erythrogenic
toxins
scarlet fever