1 INF OST lun 10 nov.. - Dispense dei corsi

Biologia
βίος λόγος
scienza a forte componente storica,
non formula leggi assolute ma
elabora teorie valide oggi, forse
confutabili domani
βίος = Vita = proprietà che un sistema chimico
manifesta quando raggiunge/supera un
determinato elevato livello di organizzazione
Un vivente è formato da atomi organizzati in
molecole … un insieme di molecole non è vivo
La vita scaturisce dalle modalità di interazione
delle molecole tra loro
I viventi condividono le stesse caratteristiche:
nascita, crescita, riproduzione, (e morte) sono
le più evidenti manifestazioni della vita
• L’evoluzione modifica gli organismi viventi
• Nuove specie discendono da specie più antiche
• La diversità dei viventi è enorme … quasi due milioni di specie
popolano la Terra
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NOVEMBRE 2014
Lunedì 10
Virus e Procarioti
Lunedì 17
Nucleo e meccanismi di segnalazione cellulare
(cap. 3, 10 e 13)
Lunedì 24
Membrane biologiche (cap. 6 e 7)
DICEMBRE 2014
Lunedì 1
Mitocondri e metabolismo (cap. 8)
Lunedì 15 Ciclo cellulare e mitosi (cap. 12)
GENNAIO 2015
Lunedì 12 Meiosi e riproduzione (cap. 12)
Lunedì 19
Trasmissione dei caratteri ereditari (cap. 14)
Lunedì 26
Mutazioni e variabilità del genoma (cap. 15)
informazione
RNA
DNA
metabolismo
DH = DG - TDS
FUNZIONI DELLE PROTEINE:
• catalisi (enzimi)
• regolazione
• strutturale (es. citoscheletro)
• contrattile (movimento)
• trasferimento (pompe e canali)
• comunicazione (ormoni e recettori)
• difesa (anticorpi e tossine)
• deposito (proteine del “vitello”)
• trasporto (es. trasporto di lipidi)
I virus sono i più numerosi e diversificati soggetti genetici
presenti dappertutto sulla Terra, possono infettare organismi
di tutti e tre i domini della vita e … persino altri virus
Come e dove si può incontrare un virus?
- nell’aria che respiriamo (raffreddore, influenza,
vaiolo, …)
- mediante scambi di liquidi organici (HIV)
- mediante animali, ad esempio insetti
(febbre gialla)
- alimentazione (epatite A)
- nel genoma degli eucarioti sono presenti miriadi di
sequenze virali temporaneamente integrate, molte
sono diventate endogene nel corso di milioni di anni
VIRUS
- un complesso
macromolecolare
formato da DNA o RNA
(≥2000 nt) rinchiuso in
un involucro proteico.
Qualche volta è
presente una membrana
lipidica di rivestimento
- non è un vero e proprio
organismo vivente, ma
piuttosto è un parassita
genetico in quanto
manca di metabolismo
Virus dell’influenza
Virus Ebola
Batteriofago
Virus del mosaico del tabacco
SIMMETRIA DEI CAPSIDI
strutture chiuse composte da subunità identiche che interagiscono
attraverso interazioni specifiche possono avere 3 tipi di simmetria:
tetraedrica
cubica
icosaedrica
4 facce triangolari
(12 subunità)
6 facce quadrate
(24 subunità)
20 facce triangolari
(60 subunità)
La simmetria icoasedrica è la più efficiente.
Anche se prevede un numero maggiore di subunità,
le subunità possono essere di piccole dimensioni
necessità di minore informazione genetica
I virus sono parassiti genetici obbligati, caratterizzati dalla presenza di un solo acido nucleico,
DNA o RNA e dalla mancanza di metabolismo
L’infezione virale dipende dall’interazione
tra le proteine del virus e quelle dell’ospite
I virus sono altamente specializzati e
selettivi per gli ospiti
Al di fuori dell’ospite il virus
è estremamente labile
Se il virus uccide tutti gli ospiti,
elimina sé stesso per sempre
ciclo litico
ciclo lisogenico
profago
induzione
I virus sono parassiti
intracellulari obbligati che
si possono riprodurre
solo dentro una cellula
ospite
I virus non hanno enzimi
per il metabolismo, non
hanno ribosomi, non
possono sintetizzare nè
DNA, nè RNA, nè
proteine
Infezione acuta: comparsa
rapida e breve durata
Presenza di anticorpi.
Es. Virus dell’epatite B,
virus di Epstein-Barr
herpes simplex ed herpes zoster
Il Fago X174
genoma costituito da un piccolo
DNA circolare a singolo
filamento (poco più di
5000 nucleotidi), troppo
poco per codificare le
proteine che può
esprimere.
La soluzione è origini
multiple di trascrizione
e di traduzione che
permettono di identificare
ed esprimere in modo
corretto ed al momento
opportuno i geni sovrapposti
A attivazione sintesi del DNA virale
A* inibizione della sintesi del DNA dell’ospite
E lisi della cellula ospite
Schema di Retrovirus
I virus ad RNA sono detti retrovirus in quanto necessitano di
essere retrotrascritti in DNA all’interno dell’ospite
Virus
Ebola
infezione
VIRUS
Nuovi
VIRUS
trasfezione
RNA(+)
o
DNA(+)
Nuovi
VIRUS
protozoi, funghi,
piante, animali
I Procarioti (Eubatteri ed Archea), i più antichi esseri viventi,
presentano la maggiore diversità genetica e metabolica.
Possono essere sia aerobi che anaerobi, autotrofi o eterotrofi,
fotoautotrofi o fotoeterotrofi o chemiolitotrofi; possono ricavare
energia dalla ossidazione anaerobica del metano oppure dalla
ossidazione anaerobica dell’ammoniaca, …
GLI ARCHEA SI SONO ADATTATI
A VIVERE IN AMBIENTI ESTREMI
CHE SONO SEMPRE MENO
FREQUENTI
IL LORO ADATTAMENTO CHIAMA
IN CAUSA MODIFICAZIONI DEL
DNA E QUINDI DEI GENI
Gran Lago Salato
(Utah)
Octopus Spring
(Yellowstone)
Gli Archea sono perfettamente adattati ad ambienti
estremi che oggi sono sempre meno frequenti
Genoma dell’Archea
Methanococcus
Adattamento stabile da modificazione del DNA
Gli Archea hanno introni nel loro DNA circolare organizzato in
cromatina, nelle loro membrane sono presenti anche eteri ed
isoprenoidi e la loro parete cellulare è priva di peptidoglicani
Le loro proteine sono perfettamente specializzate a funzionare
in condizioni ambientali estreme, mantenendosi stabili ed attive
Eubatteri: hanno invece sviluppato meccanismi che consentono
di adattarsi a tutti gli ambienti, adattabili ma non adattati
Protein Adaptations in Archaeal Extremophiles – Archaea, 2013;2013:373275. Epub 2013
Sep 16 - Reed CJ, Lewis H, Trejo E, Winston V, Evilia C.
EUBATTERI
Sono aploidi
Si dividono con grande rapidità
originando cloni identici
Possono essere suddivisi in
oltre 10 diversi phyla
Hanno un alto tasso di
mutazioni
Hanno una elevata velocità di
crescita
RIPRODUZIONE ASESSUATA
BASTONCELLO
FILAMENTI
BATTERI
Si conoscono tipi caratteristici
di aggregazione batterica:
diplococchi, batteri sferici
associati a due a due,
streptococchi, se sono disposti
a formare una catena,
stafilococchi, se formano
un grappolo.
SPIRILLI
SFERICA
VIBRIONI
Alcuni Batteri sono rivestiti da una struttura detta «capsula»
formata da polisaccaridi, che spesso è associata a
patogenicità in quanto ostacola la fagocitosi da parte dei
macrofagi e dei neutrofili)
I ceppi di streptococcus pneumoniae che formano la
capsula sono patogeni, mentre quelli senza capsula
sono praticamente innocui (ceppi S ed R usati
nell’esperimento di Griffith)
I flagelli sono efficaci mezzi di locomozione, mossi da un
motore molecolare a protoni (H+).
Il movimento dei flagelli consente al Battere di spostarsi
alla velocità di 0,00017 km/h
(circa 60 lunghezze cellulari/sec);
una velocità davvero notevole se si pensa che un
ghepardo corre a 110km/h
(circa a 25 lunghezze del corpo/sec)
I batteri possono essere:
• Saprofiti (es. “decompositori”)
• Fotoautotrofi(es. alghe blu-verdi)
• Anaerobi obbligati (es. “tetano”)
• Anaerobi facoltativi (es. Escherichia coli)
• Aerobi obbligati (es. “tubercolosi)
• Termofili (tra loro anche batteri
che entrano in simbiosi e
nutrono animali che non
potrebbero alimentarsi, nelle
profondità degli oceani, vicino
ad emissioni vulcaniche)
Alcuni Batteri sono in grado
di produrre ossigeno e
glucosio mediante la
fotosintesi (cianobatteri)
Altri Batteri che si localizzano sulle radici di
alcune piante sono in grado di trasformare
l’azoto atmosferico in composti organici azotati
(fissazione dell’azoto)
Fortunatamente per noi abbiamo poche interazioni con i Batteri.
Tra quelli che abbiamo modo di incontrare, molti ci sono addirittura «utili» e solo
pochi sono patogeni…
Ad esempio:
- nei processi di fermentazione alcoolica (alcoolica: birra, vino, liquori; acida: aceto,
alcuni tipi di yoghurt)
- nella fornitura di vitamine (da parte della «flora batterica» intestinale
- nella digestione della cellulosa (ad esempio nei ruminanti)
- nelle varie applicazioni per migliorare la qualità dell’ambiente (biodegradabilità)
Per spora si possono intendere due diversi prodotti dei viventi:
- nei vegetali e nei funghi sono cellule riproduttrici che germinando
producono un nuovo individuo;
- nei batteri è una risorsa estrema per la sopravvivenza;
- tutte le spore sono forme di vita latente, si disperdono nell'ambiente,
sono programmate per resistere a condizioni avverse per ritornare a
vivere non appena le condizioni dell’ambiente ritornano ottimali.
Nei batteri le spore non sono un
metodo di riproduzione, ma
semplicemente una forma di vita
sospesa e protetta per
sopravvivere fino a condizioni
ambientali più favorevoli:
• possono resistere alla totale
mancanza di acqua;
• possono resistere a temperature
estremamente basse;
• le spore del tetano e l’antrace possono sopravvivere nel terreno per
molti anni, possono sopravvivere per alcuni minuti alla bollitura.
Biofilm Matrix and Its Regulation in Pseudomonas aeruginosa - Int J Mol Sci. 2013 Oct 18;14(10):209831005. doi: 10.3390/ijms141020983 - Wei Q, Ma LZ
I biofilm sono comunità di microrganismi incorporati in una matrice di sostanze
polimeriche extracellulari. La formazione di biofilm rappresenta una modalità di
protezione della crescita che consente ai microrganismi di sopravvivere in ambienti
ostili e di seminare cellule per colonizzare nuove nicchie in condizioni migliori.
I biofilm si possono formare su una varietà di superfici e sono prevalenti in nicchie
naturali, industriali e ospedaliere. Clinicamente, i biofilm sono responsabili di molte
infezioni persistenti e croniche a causa della loro intrinseca resistenza agli agenti
antimicrobici e alla selezione di varianti fenotipiche.
I batteri nel biofilm mostrano caratteristiche distinte dalle loro controparti a vita libera,
come diversa fisiologia ed elevata resistenza al sistema immunitario e agli
antibiotici che rendono i biofilm una fonte di infezioni croniche e persistenti.
I biofilm di Pseudomonas aeruginosa sono causa di infezioni croniche a causa del suo
alto livello di resistenza ai farmaci.
La matrice extracellulare dei biofilm è una miscela di polisaccaridi, DNA extracellulare
(eDNA), e proteine ​che fungono da matrice o collante che tiene insieme le cellule
microbiche. La matrice del biofilm contribuisce alla architettura complessiva ed al
fenotipo di resistenza dei biofilm.
Nel battere, il
cromosoma circolare è
organizzato
in domini superavvolti:
• alcuni accessibili
per la trascrizione,
altri
• momentaneamente
inaccessibili
Circa il 98% del genoma circolare dei batteri è
codificante
I geni sono organizzati in sequenze lineari dette
operon, ogni operon è sotto il controllo di un singolo
promotore
I geni che codificano per piccoli RNA si trovano
insieme ad altri geni organizzati in operon
Le dimensioni dei vari operon non sono molto
diverse, per questo è sufficiente un unico tipo di
RNA polimerasi per la trascrizione di qualsiasi operon
La regolazione trascrizionale degli operon è affidata a
poche proteine
L’aumento di variabilità è affidato:
-nei Procarioti a scambi “orizzontali” di DNA
che aumentano le probabilità che convergano
in una stessa cellula più mutazioni favorevoli e
di disporre di nuove sequenze di DNA
- negli Eucarioti a scambi “verticali” di DNA che
viene rimescolato nel
corso della meiosi e
della riproduzione
sessuale con i gameti
Fattore di fertilità F
Alcuni batteri saranno F+, altri F-
Batteriofago
(virus specifico
per i batteri)
Tra noi e loro c’è un abissale differenza nella
velocità di evoluzione:
Circa 350 generazioni ci separano da un uomo
vissuto all’epoca delle Piramidi
Per un battere 350 generazioni si hanno in una
sola settimana
Gut microbiota: Intestinal bacteria influence brain activity in healthy humans - Nature Reviews Gastroenterology &
Hepatology – News & Views - Volume 10 Issue 6 - Published online: 07 May 2013 - p326 - doi:10.1038/nrgastro.2013.76 Stephen M. Collins and Premsyl Bercik
Ci sono prove emergenti che indicano che il microbioma
intestinale può influenzare la chimica e lo sviluppo del
cervello ed il comportamento degli animali.
Nel nostro organismo, le cellule
batteriche sono più numerose
delle cellule del nostro corpo con
un rapporto di circa dieci a uno.
Sorprendentemente, si scopre che
dobbiamo gran parte della
nostra biologia e della nostra
individualità ai microbi che
vivono sul e nel nostro corpo
Il Consorzio Progetto
Microbioma Umano ha
pubblicato un ampio catalogo di
geni ed organismi che
costituiscono il nostro microbioma.
Learning about who we are - David A. Relman Nature 486, 194–195 (14 June 2012)
doi:10.1038/486194a
numero di specie microbiche (rosso)
e numero di geni microbici (blu)
Nel nostro organismo, le cellule batteriche sono più
numerose delle cellule del nostro corpo (rapporto circa dieci
a uno). Questi ospiti residenti sono adesso diventati oggetto di
un'intensa attività di ricerca, che sta cominciando a chiarire il loro
ruolo nella salute e nella malattia.
Sorprendentemente, si scopre che dobbiamo gran parte della
nostra biologia e della nostra individualità ai microbi che vivono
sul e nel nostro corpo - una informazione che promette di
modificare radicalmente i principi e la pratica della medicina,
della salute pubblica e delle scienze di base. Il Consorzio
Progetto Microbioma Umano studia i costituenti del microbioma.
Si dovrebbero indagare anche i virus del microbioma per trovare
risposte alle domande sulle funzioni del microbioma. Ignoriamo
quasi completamente molti dei servizi che i nostri ecosistemi
microbici ci forniscono e dai quali dipende la nostra salute.
Learning about who we are - David A. Relman - Nature 486, 194–195 (14 June 2012) doi:10.1038/486194a
Ci sono prove emergenti che indicano che il
microbiota intestinale può influenzare la chimica e
lo sviluppo del cervello ed il comportamento degli
animali.
Alcuni autori mostrano che l'ingestione di probiotici
selezionati può modificare la connettività cerebrale e
le risposte alle sfide emotive in soggetti sani, aprendo
la strada per lo sfruttamento terapeutico dell'asse
microbioma-cervello sia per le funzionalità
gastrointestinali che per disturbi primari del
comportamento.
Gut microbiota: Intestinal bacteria influence brain activity in healthy humans - Nature Reviews Gastroenterology &
Hepatology – News & Views - Volume 10 Issue 6 - Published online: 07 May 2013 - p326 - doi:10.1038/nrgastro.2013.76 Stephen M. Collins and Premsyl Bercik
14
Gen 2014
Una dieta alimentare a lungo termine influenza la
struttura e l'attività delle migliaia di miliardi di
microrganismi che risiedono nell'intestino umano,
ma non è ancora chiaro quanto rapidamente e in
modo riproducibile il microbioma intestinale umano
risponde al cambiamento macronutrienti breve
termine.
Qui mostriamo che il consumo a breve termine di
diete composte interamente da prodotti animali o
vegetali altera la struttura della comunità microbica.
La dieta a base animale ha aumentato l'abbondanza
di microrganismi bile-tolleranti (Alistipes, Bilophila e
Bacteroides) ed ha fatto diminuire i livelli dei
Firmicutes che metabolizzano polisaccaridi vegetali
alimentari (Roseburia, Eubacterium rectale e
Ruminococcus bromii).
I microbi presenti riflettono le differenze tra
mammiferi erbivori e carnivori.
In concerto, questi risultati dimostrano che il
microbioma intestinale può rispondere rapidamente
alle modificazioni della dieta, favorendo
potenzialmente la diversità degli stili di vita
alimentari umani.
With a little help from my phage friends - Nature Reviews Microbiology, published online 24 June 2013;
doi:10.1038/nrmicro3070
Prove crescenti suggeriscono che il microbioma intestinale ha un notevole
impatto sulla fisiologia dell’ospite, ma non è ancora chiaro come la
capacità funzionale del microbioma si mantenga dopo l'esposizione a
stress ambientali.
Recentemente è stato trovato che la popolazione residente di fagi fornisce
al microbioma una riserva di geni vantaggiosi preservando la robustezza
funzionale della microflora nel corso dell’esposizione a stress ambientale.
Nel complesso ecosistema dell'intestino, i fagi sembrano contribuire con
geni benefici per consentire l’adattamento dei loro ospiti batterici a
condizioni di stress.
Dopo trattamento con antibiotico, i genomi dei fagici si erano arricchiti di
geni di resistenza farmaco-specifica e di geni di resistenza multipla ai
farmaci, indicando che il metagenoma fagico contribuisce all’insorgenza
della multidrug resistance.
Oltre ai geni della resistenza, sono risultati arricchiti anche altri geni che
codificano per geni della riparazione del DNA.
The last resort – Nature, 499, 394-395, 25 July 2013 – Maryn McKenna
L‘ultima risorsa: gli operatori della sanità stanno guardando con orrore come
i batteri diventano resistenti ai potenti nuovissimi antibiotici carbapenemici .
Vaginal microbe yields novel antibiotic
Sett 2014
Drug is one of thousands that may be produced by the
human microbiome.
Erika Check Hayden, 11 September 2014
I batteri che vivono dentro e su di noi
possono sintetizzare un vasto numero
di molecole con azione farmacologica,
tra cui nuovi antibiotici
Sorprende che ci siano migliaia di geni
che consentono la sintesi di piccole
molecole
Lo studio del microbioma potrebbe portare
all’identificazione di nuovi tipi di molecole il cui studio
potrebbe aiutare i ricercatori a capire come il microbioma
influenza la nostra suscettibilità alle malattie.
Bacteria found in healthy placentas
Katia Moskvitch, NEWS in Nature del 21 maggio 2014 - doi : 10.1038/nature.2014.15274
Mag 2014
Una flora microbica analoga a quella della bocca può svolgere un ruolo nella
prevenzione delle nascite premature.
Il sacco amniotico in cui il feto cresce è un
ambiente sterile, ma la placenta - un organo
che il feto ha in comune con la madre – ospita
una comunità batterica.
Oggi alcuni ricercatori riferiscono che la
placenta, a lungo considerata sterile, è sede
di una comunità batterica simile a quella
presente nella bocca. I microbi sono
generalmente non patogeni, ma secondo gli
autori dello studio, variazioni nella loro
composizione potrebbero essere alla base dei comuni ma poco conosciuti disturbi della
gravidanza come la nascita pretermine, che si verifica in una gravidanza su dieci.
Nel 2012, Kjersti Aagaard, un ostetrico presso il Baylor College of Medicine di Houston, in
Texas, ed i suoi collaboratori hanno scoperto che i microbi più abbondanti nella vagina di una
donna incinta erano diversi da quelli di una donna non incinta, e che non erano generalmente
rappresentativi di quelli che erano più comuni nelle feci del bambino nella sua prima settimana
di vita. Per studiare dove venissero questi microbi, il team ha deciso di esaminare la placenta.
In un nuovo studio su campioni di placenta da 320 donne appena dopo il
parto, è stato trovato hanno estratto il DNA dal tessuto e lo hanno
sequenziato. Hanno trovato che la comunità batterica "era diversa tra le
donne che avevano avuto un parto pretermine o che avevano avuto
un'infezione molto prima, come ad esempio un’infezione delle vie
urinarie - anche se che quella infezione era stata curata e guarita molti
mesi o settimane prima".
I ricercatori hanno anche confrontato i microbiomi placentari con quelli che si
trovano nella vagina, nell’intestino, nella bocca e sulla pelle delle donne non
gravide. Essi hanno scoperto che il microbioma placentare era più simile a
quello della bocca. Gli autori ipotizzano che i microbi viaggiano dalla bocca
alla placenta attraverso il sangue. I risultati rafforzano i dati che suggeriscono
un legame tra la malattia parodontale nella madre ed il rischio di parto
pretermine, dice Aagaard.
Il team sta ora studiando come le comunità microbiche delle donne cambiano
durante la gravidanza. L'obiettivo è identificare le donne a rischio di parto
pretermine, e sviluppare modi per prevenire o trattare le sue complicanze nei
neonati - eventualmente tramite cambiamenti nella dieta per aumentare i
microbi sani nella placenta, nella vagina o nella bocca e nell’intestino.
Il battere Deinococcus radiodurans resiste all'esposizione
a 6000 Gy * di radiazioni ionizzanti, a 15000 Gy mantiene
ancora un 40% di vitalità
La sua estrema radioresistenza deriva dalla sua
fenomenale abilità di riparazione del DNA
Oltre che ai raggi g (gamma), Deinococcus radiodurans è tollerante anche
ad altre condizioni che danneggiano il DNA come alte dosi di radiazioni UV,
cicli di disidratazione/reidratazione e la mitomicina C **. Il suo genoma è di
3,28 Mb, composto da due cromosomi circolari (2.64 Mb e 0.41 Mb) e due
plasmidi.
Cellule geneticamente modificate di Deinococcus radiodurans presentano
una elevatissima capacità di bioremediation, biorisanamento di rifiuti ad
alto livello di tossicità.
___________________________________
* Gy = Gray, unità di radiazione assorbita. La dose letale per l’uomo è 4-6 Gy
** La mitomicina è un antibiotico ad ampio spettro che agisce su batteri Gram + e Gram -, sulle rickettsie e persino su alcuni
virus. In clinica è impiegata come agente alchilante che inibisce la divisione delle cellule tumorali, legandone il DNA e
provocandone la frammentazione.
The PprA protein is required for accurate cell division of γ-irradiated Deinococcus radiodurans bacteria - DNA Repair
(Amst). 2013 Apr 1;12(4):265-72. doi: 10.1016/j.dnarep.2013.01.004 - Devigne et al.
Recombinant D. radiodurans cells for bioremediation of heavy metals from acidic/neutral aqueous wastes - Bioeng
Bugs. 2012 Jan 1;3(1):44-8. doi: 10.4161/bbug.3.1.18878 - Misra CS, Appukuttan D, Kantamreddi VS, Rao AS, Apte SK.
Ancora più resistente ma meno studiato è l’Archaea
Thermococcus gammatolerans, isolato in un camino
di sfiato idrotermale nelle profondità oceaniche del
Golfo di California, che è il più resistente in assoluto
in quanto sopravvive all’esposizione a 30000 Gy di
irradiazione con raggi g (gamma).
Il suo genoma è costituito da un solo cromosoma circolare di
appena 2 Mb.
Thermococcus gammatolerans sp. nov., a hyperthermophilic archaeon from a deep-sea hydrothermal vent that resists ionizing radiation - Int
J Syst Evol Microbiol. 2003 May;53(Pt 3):847-51 - Jolivet et al.
Complete genome sequence of Thermococcus sp. strain 4557, a hyperthermophilic archaeon isolated from a deep-sea hydrothermal vent
area - J Bacteriol. 2011 Oct;193(19):5544-5. doi: 10.1128/JB.05851-11 - Wang X, Gao Z, Xu X, Ruan L.
Solo raramente c’è
trasferimento di geni tra
batteri patogeno per l’uomo
e batteri del suolo
Mag 2014
I geni della resistenza non
sono fiancheggiati da
elementi per mobilizzazione