ESAME 12.5.06
Microrganismi e piante:
fatti gli uni per le altre
La “rizosfera” rappresenta uno degli
ambienti naturali più favorevoli alla
colonizzazione ed allo sviluppo dei
microrganismi.
• Possibile iscriversi (sino al 10/5) sul SIFA
• Aula G22 ore 14.30
• Prova scritta durata 1h
• Possibilità di utilizzare materiale di lezione
Colonizzazione della rizosfera da parte di
Pseudomonas fluorescens (espr. GFP e DsRedFP)
Effetto protettivo di P. fluorescens
Interazione prevalentemente
simbiontica:
-Flusso di sostanze organiche dalla
pianta nel terreno (“essudato”) e da
prodotti di degradazione di sostanze
organiche complesse (o tossiche) dai
batteri alla pianta.
- Protezione da parte dei
microrganismi dall’attacco di funghi
patogeni
Meccanismi di protezione da funghi
patogeni
Meccanismi di protezione “diretta”:
phlACBDE: biosintesi di 2,4-diacetilfloroglucinolo
hcnABC produzione di HCN
Stimolazione di sistemi di difesa nelle piante:
SAR (Systemic Aquired Resistance); indotta da microrganismi
non patogeni (modalità sconosciute) e mediata da salicilato
Controllo
+Ps.fl.
+P. capsici
(fungo pat.)
+P. capsici
Ps.fluorescens
ISR (induced systemic resistance); indotta da siderofori o LPS?
1
La produzione di tossine antifungine e di HCN è
regolata dal sistema a due componenti GacS/GacA
Interazioni Pseudomonas/lieviti:
un modello “evolutivo” per meccanismi di virulenza
(?)
Cellule di P. aeruginosa adese
ad una ifa di C. albicans
Microrganismi fitopatogeni:
l’Agrobacterium tumefaciens
Esempio di “tumori” causate
da A. tumefaciens
Bastoncello Gram negativo; infetta piante con grande importanza
alimentare ed economica (patata, pomodoro, mais, cotone)
Tassonomicamente molto simile a Rhizobium (simbionte!)
Geni per la virulenza (così come geni importanti per la simbiosi in
Rhizobium) sono extracromosomici
Plasmide Ti (tumor-inducing): la sua perdita risulta nell’assenza
completa di patogenesi
Utilizzato come strumento per la creazione di piante transgeniche
“Killing” di C. albicans
da P. aeruginosa
Infezione da Agrobacterium
Colonizzazione della pianta mediata da
stimoli chemiotattici verso la rizosfera e
specifici per l’acetosiringone (prodotto
dalla pianta)
L’acetosiringone funge anche da induttore
specifico dei geni plasmdici di virulenza
(vir locus)
L’attivazione dei geni di virulenza
consente il trasferimento del T-DNA
all’interno delle cellule ospiti
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Il plasmide Ti “dirotta” il programma di
espressione genica delle cellule della
pianta
Una volta integrato nel genoma della pianta, i geni del T-DNA
determinano:
Produzione di citokinine
Produzione di acido indoloacetico
Sintesi e rilascio di metaboliti:
opine (derivati di aa)
agrocinopine (derivati di zuccheri)
Normalmente NON sintetizzati dalla pianta
Plasmide Ti
Il processo di trasferimento richiede la produzione di transzeatina
(gene tzs), una citokinina identica a quella prodotta dalle piante
Il trasferimento si limita al T-DNA, che viene integrato nel
cromosoma della cellula ricevente tramite ricombinazione
Un paradosso: simbiosi e
patogenesi usano gli stessi
meccanismi!
Batteri del genere Rhizobium colonizzano
le radici di leguminose con un processo
simile ad Agrobacterium.
Il plasmide Sym (simile a Ti) favorisce la
formazione di noduli fissanti l’azoto.
Formazione di noduli di
Rhizobium su una leguminosa
Il plasmide Ti “dirotta” il programma di
espressione genica delle cellule della pianta
I geni trasferibili di Sym codificano per
enzimi catalizzanti la fissazione
dell’azoto
NADH (donatore di idrogeno) +N2
La nopalina, un tipo di opina
A tumefaciens può utilizzare questi composti come fonti di carbonio
grazie ai geni di degradazione presenti sul plasmide Ti
(loci acc e noc)
Referenze
Hogan et al., Science 296, 2229-2232 (2002)
(Pseudomonas-Candida interactions)
Espinosa et al., Microbiology, 148:341-343 (2002)
(root colonization)
http://helios.bto.ed.ac.uk/bto/microbes/crown.htm
(A. tumefaciens)
http://www.unil.ch/dmf/page14869.html
(D. Haas lab)
NH3 (+H2)
3
Eucarioti-procarioti:
guerra senza esclusione di colpi
• La presenza di microrganismi eucarioti è evolutivamente
antica (lieviti, alghe) e pone ai batteri un problema di
competizione per la colonizzazione dell’ambiente e per
lo sfruttamento delle sue (scarse) risorse
• L’apparizione di protisti (amebe, parameci etc.) e di
nematodi (C. elegans) pone un ulteriore problema: la
predazione
• Alcune “armi di difesa” batteriche (evasione dalla
fagocitosi, formazione del biofilm) sono sostanzialmente
una forma di difesa dalla predazione
• I meccanismi di patogenesi si sono poi evoluti in maniera
“fine” e mirata in patogeni opportunisti ed obbligati
(tossine con bersagli specifici, molecole segnale, ecc.)
I “primi casi” (?) di patogenesi per eucarioti superiori;
B. thuringensis, un insetticida naturale
Endospora
Le endospore di B. thuringensis
producono una pro-tossina (solubile a pH
superiori ai 9.5). Questo alto pH si ritrova
nelle larve di insetto.
Bacillus thuringensis
La delta-endotossina viene ottenuta
mediante digestione proteasica dalla
pro-tossina; introduce dei pori nella
membrana delle cellule della larva,
provocando la perdita del suo
materiale citoplasmatico
I “primi casi” (?) di patogenesi per eucarioti
superiori; “mangia piano, che ti ingozzi….”
Il nematode C. elegans, un noto modello di biologia dello
sviluppo, si nutre di batteri
Batteri che producono larghe quantità
di EPS (es. Pseudomonas aeruginosa,
foto) possono bloccare il tratto
faringeo di C. elegans e crescervi
Un caso emblematico di “nuovo patogeno”:
la Legionella pneumophila
• Causa polmoniti con esito fatale in pazienti “a
rischio” (bambini, anziani, immunocompromessi)
• Generalmente associata a episodi “epidemici”
limitati nel tempo e nello spazio
• “Riserve” ideali per la Legionella sono sistemi di
condizionamento e di condutture di acqua
• L’infezione avviene tramite areosol ed è
scarsamente contagiosa
• La Legionella è un batterio ambientale in grado
di sopravvivere nei fagosomi delle amebe
Delta-endotossina attiva (60 Kda)
4
La fagocitosi nell’ameba
Ingestione del microrganismo
Un momento topico dell’infezione:
il blocco della fagocitosi
Lisosoma
Lisosoma
Acidificazione del fagosoma (pH 4.5-5)
Fagosoma
Fusione con il lisosoma (enzimi litici attivi a basso
pH)
Lisi del batterio ed assorbimento delle sue sostanze
organiche
Il ciclo vitale della Legionella
Fase intracellulare (nell’ameba o nel macrofago)
Fagosoma
Legionella secerne proteine extracellulari in grado di danneggiare la parete
del fagosoma, rendendolo inattivo e permeabile ad amminoacidi e ad altre
sostanze nutritive
Crescita e induzione della virulenza appartengono a
due fasi distinte della fase intracellulare di Legionella
Blocco dell’acidificazione del fagosoma
e della sua fusione con il lisosoma
Fase extracellulare (ambiente)
* MIF= MATURE INTRACELLULAR FORM
5
I geni di virulenza vengono attivati da un segnale di
starvation molto conservato: il ppGpp
Flagellina
La tossina colerica
• Una delle tossine più potenti in
natura: si calcola che 1 µg
iniettato peritonealmente sia in
grado di stimolare l’espulsione
di circa 40 L di liquidi organici
• Struttura e meccanismo
d’azione comune ad altre
tossine di Gram negativi (es.
Shiga-toxin)
Rapporto CtxA:CtxB 1:5
Il complesso CtxA/5CtxB
viene secreto, ma solo CtxA
entra nelle cellule epiteliali
AMP ciclico: una molecola segnale
estremamente conservata
La tossina CtxA viene processata ed
attivata nella cellula eucariotica
Eucarioti:
Segnale di “fame” nel fegato
Secondo messagero: sintesi stimolata da
ormoni (es. adrenalina)
Il suo ruolo è innescare l’attività delle kinasi
dando il via a processi di trasduzione del
segnale
Adenilato
ciclasi
Le adenilato ciclasi sono bersagli di
numerose tossine batteriche
(tossina colerica)
6
L’inizio della fine: la catena di eventi verso la tossicità cellulare
Segnali per l’espressione di tossine e fattori
di virulenza: risposta alla temperatura
• Uno dei principali segnali per “sentire” l’ospite e
per la produzione di fattori di virulenza è il
passaggio da temperature “basse” a 37°C.
Cl-
H2O
• Quale può essere il “termometro” della cellula
batterica?
L’ADP-ribosilazione delle G-protein associate all’AMPciclico
sintetasi ne blocca l’attività modulatoria: la [cAMP] aumenta
velocemente, portando ad una perturbazione del ruolo della
membrana e del trasporto attivo di ioni
Segnali per l’espressione di tossine e fattori
di virulenza: risposta alla temperatura
virF
virB
virG
bp
500
virF
virB
TemperatureTemperature-dependent virF expression
Basic model
virG
400
60°C
gel
4°C
gel
300
200
Computer-generated models
37°C
30°C
H-NS
virF
virB
RNA polymerase
virG
7
