Principi di genetica microbica

Principi di genetica
microbica
1
LE BASI AZOTATE
Informazioni
propedeutiche
supplementari
Nel DNA e nell’RNA le basi
azotate sono sottoforma di
NUCLEOTIDI
NUCLEOSIDE
2
Informazioni
propedeutiche
supplementari
Struttura e legami chimici tra le basi azotate
eliche antiparallele
3
Informazioni
propedeutiche
supplementari
La formazione del legame fosfo-di-estere
Affinchè il legame fosfodiestere possa
essere
formato
dall’enzima
DNA
polimerasi, sono indispensabili un ossidrile
(-OH) libero in posizione 3’ e un nucleotide
trifosfato (cioè in forma energizzata).
La polimerizzazione del DNA (cioè la
formazione di un filamento di DNA)
avviene perciò in direzione 5’ → 3’
4
I legami tra le basi azotate
5
Informazioni
propedeutiche
supplementari
La replicazione del DNA
LA Replicazione del DNA è SEMICONSERVATIVA
6
Informazioni
propedeutiche
supplementari
La replicazione del DNA
7
Informazioni
propedeutiche
supplementari
La replicazione del DNA:
il meccanismo molecolare (1)
I tetrameri della porteina
DnaA
si
legano
in
corrispondeza dell’origine di
replicazione (oriC)
I filamenti della doppia elica si
separano in corrispondenza di
una vicina regione ricca in A e T
8
Informazioni
propedeutiche
supplementari
La replicazione del DNA: il
meccanismo molecolare (2)
La proteina DnaB (elicasi), che forma un
complesso con DnaC, si lega alla
estremità dell’apertura. Questa reazione
richiede la presenza della proteina DnaT
e di ATP. DnaB contribuisce allo
svolgimento della doppia elica con
l’enzima girasi
+ girasi
Le proteine che legano il DNA a singolo
GRAM negativo
filamento
(SSB) avvolgono i filamenti e ne
impediscono il riappaiamento, completando la
formazione del complesso iniziale
La regione
legata a DnaA
si svolge
I filamenti esposti possono
ora fare da stampo per la
sintesi del DNA
Informazioni
propedeutiche
supplementari
9
La replicazione del DNA: il meccanismo molecolare (3)
L’enzima primasi e molte altre proteine
si localizzano nella forca replicativa
PRIMASI
La primasi sintetizza un innesco
(primer) ad RNA sia per il filamento
guida che per il filamento copia
Un
complesso
dimerico
costituito dalla DNA polimerasi
III si lega a ogni forca
replicativa e replica i filamenti
10
Informazioni
propedeutiche
supplementari
La replicazione del DNA:
il meccanismo molecolare (4)
11
Informazioni
propedeutiche
supplementari
LA RIPARAZIONE DEGLI ERRORI
Non sempre avviene un corretto appaiamento A:T e
C:G . La DNA polimerasi commette errori che
devono essere RIPARATI.
Il TASSO DI ERRORE in Escherichia coli
è inferiore a 10-9 per paio di basi
duplicate. Il basso tasso di errore è così
basso a causa dell’attività di riparazione
(Proofreading) della DNA polimerasi.
Gli errori non corretti dall’attività
Proofreading della DNA polimerasi
possono essere corretti da altri
sistemi enzimatici (MutS, MutH e
MutL).
12
Informazioni
propedeutiche
supplementari
LA TRASCRIZIONE
N.B.: il fattore sigma è la
subunità
della
RNApolimerasi in grado di
riconoscere il PROMOTORE
del gene che deve essere
trascritto
N.B.: l’ mRNA dei procarioti
non viene modificato dopo la
sua trascrizione
N.B.: un gene che nella
cellula è sempre espresso è
detto gene costitutivo
13
Il dogma centrale della biologia
DNA polimerasi
REPLICAZIONE
DNA → DNA
La cellula può modulare quali geni, in uno
specifico contesto, possono essere espressi
(cioè trascritti) e quali invece no. Questo
RNA polimerasi
TRASCRIZIONE
DNA → RNA
processo
si
chiama
REGOLAZIONE
GENICA
o
REGOLAZIONE
DELLA
TRASCRIZIONE
La regolazione genica permette alla cellula di
Ribosomi
TRADUZIONE
RNA → Proteina
modulare le sue capacità (variando il pool di
enzimi
disponibili),
facendo
fronte
alle
specifiche esigenze ambientali, che sono in
costante ed inevitabile mutazione
14
LA REGOLAZIONE DELLA TRASCRIZIONE
= regolazione dell'espressione genica
In una cellula è necessario che i livelli di certi enzimi siano controllati (cioè, è
necessario che un certo enzima sia presente nella giusta quantità quando serve)
Il modo principale con cui una cellula riesce a garantire questa necessità è attraverso
la regolazione della TRASCRIZIONE di un gene
Solo una piccola parte dei circa 4000 geni che compongono un tipico genoma
batterico (per es. quello di E. coli) è espressa allo stesso momento
Alcuni prodotti genici è indispensabile che siano espressi costantemente (geni
COSTITUTIVI) (per es. i geni che codificano per le proteine e l’RNA necessari alla
sintesi proteica)
Altri prodotti genici, invece, devono essere presenti in quantità molto minore e solo
quando serve alla cellula (geni INDUCIBILI) (per es. i geni di risposta allo stress o i
geni necessari per la metabolizzazione di un certo substrato)
La regolazione dell’espressione genica è ciò
che spiega il fenomeno della DIAUXIA
Di seguito sono riportati alcuni esempi che descrivono le principali tipologie di
regolazione genica nei batteri
15
LA REGOLAZIONE DELLA TRASCRIZIONE
Regolazione NEGATIVA (es. 1)
operatore
geni
Operone:
insieme di geni che vengono
regolati in modo strettamente
coordinato
Promotore genico:
regione di DNA costituita da
specifiche sequenze NON
CODIFICANTI
(dette
consenso), alla quale si lega
la RNA polimerasi per
iniziare la trascrizione di un
gene, o di più geni (operone)
Operatore:
Regione
del
DNA
(generalmente posta tra un
promotore e un gene) alla
quale si lega una proteina
repressore per impedire la
trascrizione
16
La regolazione della trascrizione
Regolazione NEGATIVA (es. 2)
Presenza di triptofano
Assenza di triptofano
il gene regolatore produce
un repressore inattivo, che
non è in grado di legare
l’operatore
Il triptofano si lega
al repressore
La RNA polimerasi trascrive i geni
dell’operone, che vengono tradotti
in enzimi della via metabolica del
triptofano.
.. che è in grado di
legarsi all’operatore
.. la sintesi dei geni
della via metabolica
della sintesi del
triptofano è bloccata
17
La regolazione della trascrizione
Regolazione POSITIVA
(es. del REGULONE MALTOSIO)
Assenza di maltosio
Presenza di maltosio
N.B.: REGULONE = insieme di operoni regolati mediante un
meccanismo comune
18
Informazioni
propedeutiche
supplementari
LA SINTESI PROTEICA
IL CODICE GENETICO è degenerato (cioè,
un singolo aminoacido è codificato da più tripplette)
19
LA SINTESI PROTEICA
Nelle cellule procariote la trascrizione e la traduzione di una specifica regione del
cromosoma avvengono contemporaneamente
20
Informazioni
propedeutiche
supplementari
Gli RNA Transfer (tRNA) ...
21
Informazioni
propedeutiche
supplementari
… sono “caricati” dall’enzima aminoacil tRNA sintasi
22
Informazioni
propedeutiche
supplementari
Il ribosoma e l’inizio della sintesi proteica
23
Informazioni
propedeutiche
supplementari
Sintesi proteica: fase di allungamento
24
Informazioni
propedeutiche
supplementari
Sintesi proteina: fase di terminazione
25
Informazioni
propedeutiche
supplementari
Sintesi proteica: direzione di sintesi
26
Destino delle proteine di neosintesi in una cellula eucariota
Nei procarioti e negli eucarioti le proteine di neosintesi possono subire
le seguenti modificazioni POST-TRADUZIONALI
27
Vita
La definizione biologica di vita è una questione che ha generato secoli di discussioni scientifiche
e diatribe filosofiche che tuttora non hanno portato a una soluzione univoca
In linea esemplificativa si possono definire vivi quegli enti fisici che dispongono di almeno le
seguenti due proprietà:
1. la capacità di contrastare l'entropia mantenendo costante nel tempo la propria struttura fisica
2. la capacità di riprodurre un’entità simile a sé stessa
Un'altra definizione può essere la seguente: "Gli esseri viventi sono caratterizzati dal seguente
ciclo: nascita, crescita, riproduzione, morte".
Oxford Dictionary
Secondo il vocabolario
Lo Zingarelli 2012
28
29
Un ulteriore problema nella definizione di VITA si è avuto alla scoperta dei virus, considerati come
l'anello di congiunzione tra gli esseri animati e quelli inanimati, in quanto sono sia in grado di
riprodursi (caratteristica principale dei viventi) che di ridursi alla forma cristallina, diventando così
non-viventi.
I virus
Un virus è definito come materiale nucleico (DNA o RNA) organizzato in una struttura di rivestimento
proteico. Il materiale nucleico del virus contiene l’informazione necessaria alla sua replicazione e
moltiplicazione ma deve usare le attività sintetiche della cellula ospite
In un virus nudo (privo di
envelope) lo strato esterno è
costituito
dal
rivestimento
proteico o capside
In un virus con envelope il
rivestimento
proteico
è
circondato da un doppio strato
lipidico. Le proteine virusspecifche si proiettano dalla
superficie dell’envelope.
Proteine
dell’envelope
virus-specifiche
Membrana
envelope
Proteina del capside
(capsomero)
Capside
Proteina
del capside
Acido
nucleico
Proteina del
rivestimento
Virus nudo
Acido
nucleico
Virus con envelope
30
Capside: involucro proteico che contiene il materiale nucleico. Un capside è
composto da monomeri proteici organizzati in strutture regolari ripetute detti
capsomeri.
Tutti i virus esistono in due stati: EXTRACELLULARE e INTRACELLULARE.
Nel primo caso si parla comunemente di virioni o particelle virali.
31
La morfologia dei Virus è molto varia, ci sono virus icosaedrici, virus
elicoidali, virus con envelope e virus complessi.
Questo è un virus
dei batteri, detto
BATTERIOFAGO
32
I batteriofagi
I virus batterici si chiamano BATTERIOFAGI, i quali hanno una struttura complessa
per permettere loro (1) di aderire alla superficie esterna della parete batterica e (2) di
perforare la spessa parete batterica
Come si possono DIFENDERE i BATTERI dall’attacco dei BATTERIOFAGI?
Ostacolando l’adsorbimento
dei FAGI sulla superficie della
cellula batterica
Degradando il materiale nucleico
del FAGO utilizzando gli Enzimi di
Restrizione
In questo caso il
batterio protegge il suo
DNA utilizzando sistemi
di MODIFICAZIONE
(metilazione delle
basi azotate)
33
34
35
Il genoma virale
Diverse tipologie di genoma virale e diversi percorsi per ottenere mRNA
dsDNA
mRNA
ssDNA
dsDNA
ssRNA(+)
funziona da mRNA
ssRNA(-)
mRNA(+)
dsRNA
filamento (-) trascritto in mRNA
mRNA
solo per retrovirus
ssRNA(+)
ssDNA(-)
dsDNA
mRNA
36
Ciclo di moltiplicazione virale
Il virus può infettare la cellula ospite, riprodursi e distruggerla, cioè attuare un ciclo LITICO
In alternativa, dopo che un virus infetta la cellula ospite, il materiale genetico virale può integrarsi nel
cromosoma batterico. In questo caso l’interazione tra batterio e virus è definita LISOGENIA e il virus che la
determina è definito TEMPERATO. Anche in una coltura lisogena può indursi un ciclo litico, ma la frequenza
con cui questo processo accade è molto bassa (una cellula su 1000).
37
38
Le mutazioni
La variazione della sequenza dei nucleotidi in un gene viene detta mutazione. Come
conseguenza, in un genoma aploide (batterico), una mutazione viene subito espressa
nelle cellule figlie. Negli organismi diploidi (per es. alcuni lieviti) l’effetto della
mutazione in una copia del gene può essere mascherato dalla presenza della seconda
copia dello stesso gene.
Tipologie di mutazioni
1
Transizioni o Sostituzioni di una singola base. Una purina viene sostituita da un’altra
purina (G o A) oppure una pirimidina viene sostituita con un’altra pirimidina (C o T).
2
Trasversione o Sostituzioni di una singola base con un’altra di classe diversa.
Una purina viene sostituita da una pirimidina.
3
Delezioni. Perdita di uno o più nucleotidi.
4
Inserzioni. Acquisto di uno o più nucleotidi.
Le mutazioni permettono l’evoluzione di una specie (concetto neodarwiniano di
evoluzione: mutazioni casuali, selezionate dall’ambiente). Tuttavia, le 4 tipologie di
mutazione appena elencate determinerebbero una mutazione MOLTO lenta.
Negli eucarioti esiste la sessualità che accelera l’evoluzione (crossing over); nei
procarioti ci sono invece altri processi (trasformazione, coniugazione e trasduzione)…
39
Il trasferimento genico e
la ricombinazione genica
I batteri possiedono anche materiale genetico extra-cromosomale
40
Che tipo di informazioni sono codificate a livello plasmidico?
- Geni codificanti per enzimi coinvolti nell’utilizzazione di mono- e polisaccardi
- Geni codificanti per enzimi coinvolti nell’utilizzazione di proteine
- Informazioni correlate alla produzione di sostanze antibatteriche (batteriocine)
- Informazioni correlate alla produzione di sostanze tossiche per altre specie
viventi (tossine)
- Geni che donano resistenza agli antibiotici
Nessuna informazione essenziale per la vita della cellula !
Si tratta di informazioni che posso fornire, a chi le possiede,
un vantaggio nella competizione ambientale con altri ceppi
o altre specie batteriche che non le possiedono
41
La ricombinazione genetica
Oltre alle mutazioni esistono altri meccanismi per fare acquisire “nuove
caratteristiche” ad un gene. Questi meccanismi consentono anche l’acquisizione di nuovi
geni o la perdita di geni preesistenti
Ricombinazione Omologa
1 le regioni di DNA interessate dalla
ricombinazione
omologa
devono
possedere zone “estese” con elevata
omologia
di
sequenza.
Questo
processo è definito anche crossingover
2 le regioni di DNA interessate alla ricombinazione
omologa possono trovarsi nella stessa molecoladi
DNA o risiedere su molecole diverse di DNA
(cromosoma e plasmide, cromosoma e DNA fagico)
3 le proteine RecA, RecB,
RecC e RecD mediano il
processo di ricombinazione e
riarrangiamento genico
4 La ricombinazione si
definisce
sito-specifica
quando richiede la presenza di
sequenze
omologhe
relativamente brevi (più piccole
di un gene) nelle regioni
coinvolte nel processo di
ricombinazione
42
La ricombinazione genetica
regioni omologhe
La ricombinazione può
avvenire tra due plasmidi
(A) o tra un plasmide e il
cromosoma (B)
Plasmide ricombinante
Quando avviene la
ricombinazione omologa tra un
plasmide e il cromosoma, il
risultato è l’integrazione del
plasmide nel cromosoma
43
La ricombinazione genetica
La ricombinazione può avvenire anche tra due
regioni omologhe presenti sulla stessa molecola
Regione che va
incontro a
ricombinazione
Regione che va
incontro a
ricombinazione
44
Negli eucarioti, la riproduzione sessuale prevede il crossing-over, cioè
l’interscambio di regioni di DNA tra due cromosomi omologhi appaiati durante la
meiosi.
Il
crossing-over
determina
il
riarrangiamento dei geni e produce
variazioni nelle caratteristiche ereditarie
della progenie
il crossing over
PRODUCE VARIABILITÀ GENETICA e,
quindi, promuove l’evoluzione.
Nei procarioti, la meiosi (e quindi il crossing-over) non avvengono, poiché
questi organismi si riproducono esclusivamente per via asessuale
(riproduzione per scissione binaria):
(mitosis)
La progenie è geneticamente identica,
ad eccezione delle mutazioni casuali
che possono avvenire durante la
replicazione del DNA
▼
DIVERSITÀ GENETICA RIDOTTA
45
Nei procarioti, la meiosi (e quindi il crossing-over) non avviene…
tuttavia, i processi di ricombinazione genetica avvengono nei procarioti,
attraverso:
il trasferimento genico orizzontale (TGO)
Trasferimento orizzontale
dell’informazione genetica (il
trasferimento è possibile
anche tra cellule batteriche
appartenenti a gruppi
tassonomici
filogeneticamente distanti)
Trasferimento verticale
dell’informazione genetica =
trasmissione alla progenie
46
I motivi per i quali il TGO nei batteri è importante
1. I meccanismi di TGO sono i principali
generatori della biodiversità nei
procarioti. In altre parole, il TGO
promuove l’evoluzione batterica. Il
TGO, infatti, partecipa alla
speciazione (il processo
evoluzionistico attraverso cui si
generano le specie biologiche)
1. .
2. Il TGO promuove la disseminazione di tratti di patogenicità e, soprattutto,
i geni di resistenza antibiotica.
Il TGO determina l’acquisizione da parte di una cellula batterica di nuovi geni, e quindi
l’acquisizione di nuovi fenotipi (per esempio, la resistenza a un antibiotico o l’abilità di
metabolizzare un carboidrato).
Se il fenotipo acquisito conferisce un vantaggio al batterio, il suo gene si diffonde
rapidamente nella popolazione batterica attraverso trasmissione verticale alla progenie: la
sottopopolazione di cellule ricombinanti (cioè, cellule che hanno acquisito il nuovo
gene/fenotipo) hanno un vantaggio rispetto alle altre cellule che gli permette di diffondersi più
efficacemente.
Ciò che determina se un gene (e il fenotipo ad esso associato) offre un vantaggio alla cellula
batterica o meno è l’ambiente: l’ambiente esercita una pressione selettiva sui geni che
conferiscono un vantaggio alla cellula batterica.
47
Il TGO può avere diverse conseguenze che dipendono
dalla pressione selettiva ambientale
Cellula batterica che ha acquisito il
gene di resistenza antibiotica
ampR (dona resistenza
all’ampicillina) attraverso TGO
L’antibiotico ampicillina non è
presente nell’ambiente
NO C’È
PRESSIONE SELETTIVA per il
mantenimento del gene
La cellula batterica che ha acquisito
orizzontalmente il gene ampR si può
riprodurre; tuttavia, in assenza di
pressione selettiva, il genotipo di
questa cellula non dona un vantaggio
rispetto alle cellule parentali non
mutate. Le cellule ricombinanti
tenderanno quindi a scomparire
Popolazione clonale di
uno specifico ceppo
batterico
L’antibiotico ampicillina è presente
nell’ambiente
C’È LA PRESSIONE
SELETTIVA per il mantenimento del
gene di resistenza antibiotica ampR
La cellula batterica che ha acquisito
orizzontalmente il gene ampR
possiede un vantaggio ecologico
rispetto alle altre; le cellule
ricombinanti possono perciò
diffondersi e diventare dominanti
nella popolazione
48
I “superbatteri” sono generati dall’accumulo progressivo di geni di
resistenza agli antibiotici in un singolo microrganismo patogeno (ciò può
avvenire con maggiore facilità in ambito ospedaliero).
Il «superbatterio» più noto e diffuso è il:
MRSA: Methicillin-resistant Staphylococcus aureus
k__Bacteria;
p__Firmicutes;
c__Bacilli;
o__Bacillales;
f__Staphylococcaceae;
g__Staphylococcus
49
L’ORIGINE DELLA BIODIVERSITÀ MICROBICA
IL CONCETTO NEODARWINIANO DI EVOLUZIONE
MUTAZIONI = modificazioni della sequenza nucleotidica del DNA,
generate da errori non corretti nel corso del processo replicativo
Gli organismi attuali hanno un progenitore evolutivo comune e derivano da esso
mediante una serie di piccoli cambiamenti (mutazioni), ognuno dei quali ha conferito un
vantaggio selettivo per alcuni organismi in nicchie ecologiche particolari. Questi
cambiamenti sono però molto piccoli e determinerebbero una evoluzione molto lenta
nei batteri. Ci sono però gli eventi di ricombinazione genetica naturale che
permette il TRASFERIMENTO GENICO ORIZZONTALE…).
Il caso e la necessità
Jacques Monod, 1970
(…l’evoluzione si basa sul reciproco gioco di
forze stocastiche e deterministiche…)
Il gene egoista – Richard Dawkins, 1976
(…la teoria del gene egoista… invece di concentrarsi
sul singolo organismo, guarda la natura dal punto di
vista del gene. È un diverso modo di vedere, non
una teoria diversa…)
50
I meccanismi naturali di TGO nei batteri
Il trasferimento genico orizzontale comprende processi naturali ricombinazione
genetica nei quali il batterio acquisisce DNA ETEROLOGO, cioè proveniente da un
altro orgasmo.
Nei batteri l’acquisizione di DNA eterologo avviene attraverso TRE
MECCANISMI distinti (conosciuti come processi di PARASESESSUALITÀ):
11) Trasformazione acquisizione di
DNA libero dall’ambiente
3)
2
Coniugazione processo di
..trasferimento di DNA da una
cellula
all’altra
mediato
da
plasmidi
2)
3
Trasduzione,
in
cui
il
trasferimento di DNA è mediato da
un virus (batteriofago)
51
1 TRASFORMAZIONE
Nel 1928 il medico inglese Frederick Griffith stava studiando il batterio Streptococcus
pneumoniae (pneumococco), uno degli agenti patogeni della polmonite umana. Griffith
stava lavorando con due diversi ceppi di pneumococco (si veda la FIGURA nella slide
successiva):
(1) il ceppo S (smooth, in inglese «liscio») era costituito da cellule che producevano
colonie a superficie liscia. Essendo ricoperte da una capsula polisaccaridica, queste
cellule erano protette dagli attacchi del sistema immunitario dell’ospite. Se iniettate in
topi di laboratorio, esse si riproducevano e provocavano la polmonite (il ceppo quindi era
virulento -> il topo moriva).
(2) il ceppo R (rough, in inglese «ruvido») era costituito da cellule che producevano
colonie con superficie irregolare. Queste cellule erano prive di una capsula protettiva e
non erano virulente.
Griffith inoculò in alcuni topi degli pneumococchi S uccisi dal calore e osservò che i
batteri erano disattivati, cioè incapaci di produrre l’infezione. Quando però Griffith
somministrò a un altro gruppo di topi una miscela di batteri R vivi e batteri S uccisi dal
calore notò che gli animali contraevano la polmonite e morivano. Esaminando il sangue
di questi animali, Griffith lo trovò pieno di batteri vivi, molti dei quali dotati delle
caratteristiche del ceppo virulento S; egli concluse che in presenza degli pneumococchi
S uccisi, alcuni degli pneumococchi R vivi si erano trasformati in organismi del ceppo
virulento S.
52
La trasformazione non dipendeva da qualcosa che avveniva nel corpo del topo, perché
fu dimostrato che la semplice incubazione in una provetta di batteri R vivi insieme a
batteri S uccisi dal calore produceva la stessa trasformazione. Questo dimostrava che
una qualche sostanza, all’epoca chiamata fattore di trasformazione, estratta da
pneumococchi S morti poteva agire sulle cellule R provocando un cambiamento
ereditario. A quel punto rimaneva solo da individuare la natura chimica di questa
sostanza. Si scoprì poi che il fattore di trasformazione era il DNA!
53
1
LA TRASFORMAZIONE A LIVELLO MOLECOLARE
Alla base del fenomeno osservato da Griffith vi
è la TRASFORMAZIONE, cioè il processo di
acquisizione di DNA dall’ambiente da parte di
una cellula batterica
La
trasformazione
batterica
(o
semplicemente, trasformazione) è un
fenomeno parasessuale tramite il quale i
batteri possono scambiarsi materiale
genetico tra individui diversi
- Il DNA eterologo può essere lineare o
circolare (plasmidico)
- La cellula ricevente deve essere
COMPETENTE per acquisire DNA esogeno
- Questo processo avviene con grande rarità
nella maggior parte dei batteri in natura
- Questo processo può essere indotto
artificialmente (ad es. per elettroporazione)
https://www.youtube.com/
watch?v=MRBdbKFisgI
54
2 CONIUGAZIONE
Nel 1946 Joshua Lederberg e
Edward Tatum studiarono due
ceppi di Escherichia coli auxotrofi:
-
E. coli A (met - bio - thr+ leu+
thi+), auxotrofo per metionina e
biotina.
-
E. coli B (met+ bio+ thr - leu- thi), auxotrofo per treonina, leucina
e tiamina.
Si osservò che i ceppi A e B, posti
a contatto, potevano scambiarsi
materiale genetico e creare dei
batteri prototrofi.
Terreno di coltura chimicamente
definito, privo di metionina, biotina,
treonina, leucina e tiamina
55
2 CONIUGAZIONE
Alla fine degli anni ‘40 Bernard
Davis scopre che se i due
ceppi sono separati da un filtro
attraverso
cui
possono
passare sostanze (ma non
batteri) non si ha la formazione
di prototrofi: il contatto fisico
tra le dellule dei due ceppi
è quindi indispensabile!
Il contatto fisico tra cellule è necessario
affinché avvenga la ricombinazione. In
questo
esperimento
le
cellule
non
possono passare attraverso il filtro e
quindi non avviene la ricombinazione.
56
2 CONIUGAZIONE
Nel 1953 William Hayes scoprì che il trasferimento genico avviene in una sola
direzione: da una cellula donatrice a una cellula ricevente.
Hayes ipotizzo che la capacità di fungere da donatore fosse una condizione ereditaria
determinata da un fattore di fertilità, definito fattore F. I ceppi che portano F sono
donatori (F+), quelli senza F sono riceventi (F-).
Successivamente fu dimostrato che il fattore F è un plasmide.
Il processo osservato venne definito CONIUGAZIONE BATTERICA.
La coniugazione batterica è un processo con il quale una cellula batterica trasferisce
porzioni di DNA ad un'altra tramite un contatto cellula-cellula
57
https://www.youtube.com/watch?v=KLIo3wYVKiE
58
2 CONIUGAZIONE
- Il processo di coniugazione è mediato da
plasmidi coniugativi (plasmide F in E. coli).
L’informazione per il trasferimento dei plasmidi
coniugativi si trova sui plasmidi stessi
- La coniugazione può avvenire tra ceppi della
stessa specie o tra ceppi di specie e generi
diversi (anche se con una frequenza minore)
- Plasmidi coniugativi possono mediare il
trasferimento di plasmidi non coniugativi o di
plasmidi coniugativi che hanno perso “le
informazioni necessarie al loro trasferimento”.
In questo caso un plasmide Helper medierà il
trasferimento di un plasmide non coniugativo
- Il DNA viene trasferito con un meccanismo
noto come rolling circle, che prevede la
formazione di un intermedio a singolo filamento
59
2 CONIUGAZIONE
Se il plasmide coniugativo è
integrato nel cromosoma
(nelle cellule ad alta frequenza
di ricombinazione Hfr) anche
geni del cromosoma possono
essere trasferiti
da una cellula donatrice ad
una ricevente
https://www.youtube.com/
watch?v=FjRX3Geovhk
60
3
TRASDUZIONE
Il processo di trasduzione permette il
3
trasferimento di geni da batterio a
batterio ad opera di batteriofagi
2
4
5
1
6
7
A seconda del meccanismo con cui
avviene il trasferimento dei geni del
batterio si parla di Trasduzione
Generalizzata (rappresentata nella
figura a fianco) o Trasduzione
Specializzata (descritta nella prossima
slide)
Nella Trasduzione Generalizzata i
diversi geni batterici vengono
trasferiti con la stessa efficienza, che
solitamente non è elevata
8
61
All’interno della cellula di E. coli
il DNA Fagico è in forma circolare
3
TRASDUZIONE
Il DNA circolare di
integra nel
cromosoma batterico
tra i geni bio e gal
Questo Fago può
portare il gene gal
nella prossima
cellula ospite
La Trasduzione
Specializzata richiede
l’integrazione del genoma
virale nel cromosoma
batterico e viene quindi
effettuata solo da virus
LISOGENI
La Trasduzione
Specializzata determina
quindi il trasferimento, con
elevata efficienza, di geni
batterici posti vicino al sito
di integrazione del profago
lisogeno
L’excisione imprecisa del profago porta alla
formazione di un genoma fagico contenente il gene gal
62
3
TRASDUZIONE
TRASDUZIONE
SPECIALIZZATA
63
3
RIASSUMENDO,
i processi di ricombinazione
genetica nei batteri sono tre:
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