genetica dei microrganismi

Importanza della genetica dei
microrganismi
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1.I microrganismi rappresentano un mezzo
essenziale per comprendere la genetica di tutti gli
organismi.
2.Vengono usati per isolare e duplicare specifici
geni con la clonazione molecolare.
3. L’uso su larga scala di microrganismi
geneticamente modificati è uno dei principali
aspetti delle biotecnologie.
4.Alcuni tipi di trasferimento di materiale genetico
proprio dei batteri può aiutarci a capire come
possano essere trasferiti da un organismo all’altro
e da una specie all’altra i geni.
Ricombinazione genetica nei
procarioti
I batteri possono trasferire o scambiare
DNA con altri batteri in 3 modi differenti
la coniugazione
la trasformazione
la trasduzione
Materiale genetico procariota
Caratteristiche del materiale
ereditario
1.
2.
3.
Replicazione e trasmissione alla progenie
dell’informazione genetica
Trascrizione e traduzione dell’informazione
genetica
Ricombinazione e mutazioni
Processi genetici fondamentali
Replicazione
 Trascrizione
 Traduzione

DNA
DNA
mRNA
DNA
mRNA
PROTEINE
Il DNA batterico
i batteri contengono, in genere un solo cromosoma
che ha forma circolare e che si trova in una zona
della cellula detta nucleoide.
Oltre al DNA cromosominco tutti i batteri
contengono DNA non cromosomico:
i plasmidi
PLASMIDI
Dimensioni dei Plasmidi: tra 160 a 400
volte più piccoli del DNA genomico
PLASMIDI
Elementi genetici accessori: materiale genetico
extracromosomico
 DNA a doppia elica, forma circolare
 Possono essere presenti in centinaia di copie o
assenti
 Capaci di replicazione indipendente
 Alcuni plasmidi F sono coniugativi(consentono ai
batteri di scambiare materiale genetico)


Non sono indispensabili, ma conferiscono
alla cellula batterica ospite importanti
vantaggi selettivi (i plasmidi R portano geni
per la resistenza ad antibiotici.).
Plasmide R
GENI PER LA
RESISTENZA
BATTERICA
AGLI
ANTIBIOTICI
Geni per il
trasferimento
Plasmide F
Geni per il
trasferimento
Punto di
origine del
trasferimento
È costituito da circa 22 geni.
La formazione del pilo F è
sotto il controllo di 12 geni
FUNZIONI CONFERITE AI MICRORGANISMI
DAI PLASMIDI
1.
Resistenza
(antibiotici, sostanze tossiche come il mercurio, il
rame).
2.
3.
Trasferimento geni plasmidi F
Metabolismo (utilizzare un inconsueto substrato, come
idrocarburi lattosio, saccarosio)
4.
5.
Antagonismo (produrre proteine che uccidono altri batteri)
Interazioni tra organismi (fissazione dell’azoto nelle
piante)
6.
Virulenza (trasformano batteri ospiti in patogeni)
Coniugazione
1. Richiede uno stretto contatto cellula –
cellula
2. Nella cellula donatrice sono presenti
plasmidi coniugativi
3. I plasmidi coniugativi presentano geni per il
trasferimento e per la sintesi del pilo F
CONIUGAZIONE BATTERICA
Coniugazione
Hfr (high frequency of ricombination).
Ceppi batterici in grado di trasferie una grande quantità
di DNA cromosomiale durante il processo della
coniugazione sono detti Hfr (high frequency of
ricombination ).

I plasmidi F possono integrarsi nel cromosoma di
una cellula batterica e durante la coniugazione
trasferire una porzione di DNA batterico da una
cellula all’altra. Ricombinazione con il DNA del
ricevente.
CONIUGAZIONE
Ceppo donatore
F+
Ceppo HFR
Alta frequenza di
ricombinazione
Ceppo F-
Ceppo F-
TRASFORMAZIONE
1. Non richiede uno stretto contatto cellulacellula
2. Utilizza DNA libero
3. Tipica dei batteri del suolo
4. Le cellule in grado di captare il Dna libero
vengono definite competenti
5. Processo di ricombinazione
TRASFORMAZIONE
TRASFERIMENTO
GENETICO
ORIZZONTALE
Donatore
Ricevente
TRASFORMAZIONE
TRASFORMAZIONE
ARTIFICIALE
TRASFORMAZIONE
NATURALE
CELLULE
COMPETENTI
Esperimento
di Griffith
Trasduzione

Il vettore che trasporta i geni è un virus
Generalizzata (associata al ciclo litico): trasduzione
nella quale ogni gene batterico puo’ essere
potenzialmente trasferito
Specializzata (associata al ciclo lisogeno) Le
particelle fagiche portano il gene batterico che si
trova vicino al sito di inserzione:
Trasduzione specializzata
ciclo lisogeno
TRASDUZIONE generalizzata
ciclo litico
Elementi genetici mobili
trasferimento gentico orizzontale
I geni sono unità mobili!
Possono cambiare posizione o spostarsi da una
cellula all’altra mediante i seguenti processi:
Coniugazione
Trasformazione
Trasduzione
Trasposoni
Infezione virale
TRASFERIMENTO GENETICO
ORIZZONTALE
CONIUGAZIONE
TRASFORMAZIONE
TRASDUZIONE
trasformazione
trasduzione
coniugazione
I trasposoni

trasposoni (transposons) sono segmenti di DNA
genomico, di varia lunghezza, che si staccano molto
facilmente dal punto in cui si trovano per andare ad
inserirsi in un altro punto. Essi costituiscono una grande
percentuale del nostro DNA genomico (ed anche di tutte
le specie, animali, vegetali, batteriche); fanno parte del
cosiddetto "DNA ripetitivo" (non codificante). La loro
funzione (o i loro effetti) sono pero’ molto importanti,
rappresentano uno dei meccanismi molecolari principali
alla base dell’evoluzione; a seconda di dove si
inseriscono possono infatti provocare inattivazione genica
(alcuni tumori umani originano da trasposoni) o anche
attivazione genica; possono modificare lo splicing (cioe’ il
processo che dal RNA porta al mRNA, mediante
eliminazione degli introni), possono modificare l’attivita’ di
promoters ed enhancers…A tutt’oggi non e’ noto con
precisione quale tipo di “pressione evolutiva” abbia
portato alla diffusione dei trasposoni.
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I trasposoni possono provocare
riarrangiamenti nel genoma
• direttamente
– delezioni, inversioni, spostamento di
sequenze
– escissione imperfetta
• indirettamente
– ricombinazione fra sequenze omologhe

I trasposoni sono elementi mobili che si
trovano nel genoma di tutti gli
organismi. Sono in grado, con
meccanismi diversi, di saltare da un
punto all’altro del genoma. Questi salti
possono determinare drastici
cambiamenti nella struttura e nelle
modalità di espressione dei geni. Sotto
certi aspetti possono essere considerati
come elementi parassitari, e in effetti
alcuni di essi sono imparentati con
particolari famiglie di virus. Tuttavia
rappresentano un formidabile fattore
positivo per i processi evolutivi. Non a
caso circa il 45% del genoma umano è
costituito da residui di trasposoni
TRASPOSONI
Elementi genetici mobili
IS
SEQUENZE DI
INSERZIONE
Tn
Trasposone