CENNI DI GENETICA BATTERICA

CENNI DI GENETICA BATTERICA
DNA
La maggior parte del DNA batterico
è raccolto in un singolo cromosoma.
Dott. Esin SNT2/4 2009
Struttura dei singoli filamenti della
doppia elica di DNA
Replicazione semiconservativa del DNA
Ogni nuova molecola di DNA è formata
da un filamento parentale e da uno
complementare di nuova sintesi
REPLICAZIONE DEL DNA
La
replicazione
del cromosoma
batterico ha inizio in un punto
prefissato (oriC), dal quale procede
in direzioni opposte fino all’incontro
delle due forche replicative e alla
formazione di due distinte molecole
a doppio filamento.
oriC
TRASCRIZIONE
Sequenze degli eventi che portano all’inizio della sintesi e all’allungamento
dell’RNA messaggero durante la trascrizione.
SINTESI PROTEICA
Fasi principali della sintesi proteica
Ogni ribosoma presenta tre siti di
interazione con i tRNA:
il sito accettore (A),
il sito peptidico (P),
il sito di uscita (E).
Durante la sintesi proteica, il sito P è
occupato dal tRNA che porta il
polipeptide nascente, mentre il sito A
contiene il tRNA che porta l’aminoacido
successivo.
Dopo
il
legame
di
quest’ultimo, il ribosoma si sposta di una
tripletta lungo il messaggero e il tRNA
scarico viene rilasciato dal sito E.
GENETICA
BATTERICA
1) L'organizzazione del genoma batterico
La maggior parte del DNA batterico è raccolto in un
singolo cromosoma.
Una piccola % di DNA (1-2%) ha localizzazione
extracromosomica e va a costituire, nel citoplasma,
piccole unità circolari di DNA chiamate PLASMIDI.
PLASMIDI
I plasmidi possono moltiplicarsi indipendentemente dalla
normale divisione della cellula ospite e trasportano
informazione genetiche non indispensabili alla vita del
batterio, ma che possono essere importanti per la sua
patogenicità.
Tra i caratteri legati a geni plasmidici sono da ricordare:
u LA RESISTENZA AGLI ANTIBIOTICI
u LA PRODUZIONE DI ALCUNE TOSSINE
2) Origine della variabilità genetica nei batteri
I batteri possono variare la loro informazione genetica con due principali
meccanismi:
a) Mutazione genica (bassa frequenza)
b) Ricombinazione: processo mediante il quale due molecole di DNA (DNA
della cellula donatrice e DNA della cellula
ricevente) si
“rimescolano” o ricombinano per creare delle nuove varianti geniche.
RICOMBINAZIONE
+
DNA del
donatore
DNA del
ricevente
3) Meccanismi di scambio di frammenti di DNA tra batteri
DNA
TRASFORMAZIONE
Piccoli frammenti di DNA rilasciati nell'ambiente da cellule batteriche
che vanno incontro a lisi possono essere assunti da un'altra cellula
batterica ed incorporati nel cromosoma. La cellula ricevente assume
nuove proprietà.
Questo fenomeno può essere provocato artificialmente in laboratorio
ed utilizzato nei processi della tecnologia del DNA ricombinante.
CONIUGAZIONE
Fattore F
donatrice
(F+)
Virus
batterico
ricevente
(F-)
Processo mediante il quale un pilo sessuale posto a formare un
ponte o tunnel tra due cellule batteriche permette il
trasferimento di plasmidi o di geni cromosomici da una cellula
donatrice ad una cellula ricevente.
La cellula donatrice per essere tale deve possedere i geni che
consentano la formazione del pilo ed il processo coniugativo.
Tali geni sono localizzati su un plasmide detto fattore F (F sta
per fertilità)
Questo tipo di trasferimento genetico seguito da ricombinazione
può essere considerato una forma primitiva di sessualità.
TRASDUZIONE
La trasduzione si verifica quando plasmidi o frammenti di DNA
cromosomico vengono trasportati da un batterio all'altro tramite un virus
parassita delle cellule batteriche (detto batteriofago o fago). Può quindi
seguire ricombinazione genica con acquisizione di nuove proprietà.
PRINCIPI DI IMMUNITÀ
ANTINFETTIVA
Dr. Semih ESIN SNT2/4 2009
SISTEMA IMMUNITARIO
IMMUNITARIO
SISTEMA
Insieme dei
dei complessi
complessi meccanismi
meccanismi con
con cui
cui l’ospite
l’ospite sisi
Insieme
difende dall’aggressione
dall’aggressione di
di agenti
agenti estranei
estranei
difende
Meccanismi di difesa:
IMMUNITA’
IMMUNITA’
INNATA OO
INNATA
ASPECIFICA
ASPECIFICA
• Sempre attiva (immediata)
• Limita la replicazione dei
microrganismi invasori con
meccanismi analoghi per tutti gli
agenti infettivi
• L’efficienza di tali meccanismi non
cambia dopo una seconda
esposizione
IMMUNITA’
IMMUNITA’
ACQUISITA OO
ACQUISITA
SPECIFICA
SPECIFICA
• Si attiva solo in seguito al contatto con
un agente infettivo (richiede più tempo
per attivarsi)
• Elimina gli invasori per mezzo di
meccanismi altamente patogenospecifici
• L’efficienza di tali meccanismi aumenta
ad una seconda esposizione allo stesso
patogeno
IMMUNITA’
IMMUNITA’
INNATA OO
INNATA
ASPECIFICA
ASPECIFICA
Barriere cutanee,
cutanee, mucose
mucose ee
Barriere
microbiologiche;
microbiologiche;
Fattori cellulari
cellulari (cellule
(cellule
Fattori
fagocitiche, cellule
cellule NK)
NK)
fagocitiche,
Fattori solubili
solubili presenti
presenti nei
nei
Fattori
fluidi organici;
organici;
fluidi
IMMUNITA’
IMMUNITA’
ACQUISITA OO
ACQUISITA
SPECIFICA
SPECIFICA
Fattori cellulari
cellulari (linfociti
(linfociti
Fattori
B);
TT ee B);
Fattori umorali
umorali
Fattori
(citochine, anticorpi)
anticorpi)
(citochine,
L’IMMUNITA’INNATA
INNATAED
EDACQUISITA
ACQUISITAINTERVENGONO
INTERVENGONOIN
INMANIERA
MANIERASEQUENZIALE
SEQUENZIALEIN
IN
L’IMMUNITA’
RISPOSTAAD
ADUN
UNAGENTE
AGENTEPATOGENO
PATOGENO
RISPOSTA
INFEZIONE
ELIMINAZIONE
DELL’AGENTE
INFETTIVO; NO
MALATTIA
IMMUNITA’
INNATA
NON SUFFICIENTE;
SI MALATTIA
IMMUNITA’
ACQUISITA
GUARIGIONE
MEMORIA IMMUNOLOGICA
SPECIFICA
REINFEZIONE
NO MALATTIA
IMMUNITA’ INNATA
INNATA O
O
IMMUNITA’
ASPECIFICA
ASPECIFICA
1) BARRIERE CUTANEE, MUCOSE, MICROBIOLOGICHE
Barriera fisica (cute integra)
CUTE
Barriera meccanica (la
desquamazione allontana i microbi)
Barriera chimica (sudore, sebo)
Muco (invischia i microrganismi)
MUCOSE
FLORA
INDIGENA
Movimento ciliare (dirige verso
l’esterno i materiali estranei)
Microrganismi residenti in un
certo distretto che, di solito,
non causano malattia e che per
competizione impediscono la
colonizzazione da parte di
germi più patogeni
2) FATTORI SOLUBILI PRESENTI NEI FLUIDI
BIOLOGICI
Alcuni esempi:
LISOZIMA:
LISOZIMA può scompaginare la parete cellulare dei batteri;
PROTEINE CHELANTI DEL SIERO (lattoferrina, transferrina):
transferrina)
legano il ferro, elemento indispensabile del metabolismo
batterico, rendendolo indisponibile;
COMPLEMENTO:
COMPLEMENTO insieme di proteine del siero che, una volta
attivate, possono portare alla lisi di cellule batteriche o
favorire la loro fagocitosi;
PEPTIDI CATIONICI:
CATIONICI peptidi prodotti da una varietà di cellule
e tessuti con spiccata attività antibatterica, antifungina e/o
antivirale es DEFENSINE, ISTATINE, CATELICIDINE ecc..
3) FATTORI CELLULARI
CELLULE AD ATTIVITÀ FAGOCITARIA:
FAGOCITARIA
diversi tipi cellulari, appartenenti alla
categoria dei globuli bianchi, sono in
grado
di
inglobare
e
distruggere
microrganismi e sostanze estranee:
° Granulociti
° Monociti/macrofagi
° Cellule dendritiche
CELLULE
NATURAL
KILLER
(NK):
(NK)
particolare classe di globuli bianchi in
grado di lisare cellule infettate dai virus
o di produrre fattori solubili (citochine)
che aiutano le cellule ad attività
fagocitaria ad eliminare i microrganismi.
DC
LE PRINCIPALI CELLULE AD ATTIVITÀ FAGOCITARIA
1) I MACROFAGI
Derivano dai monociti del sangue
Abbondanti nei tessuti
Vita relativamente lunga
Traggono energia dai mitocondri
Tre principali funzioni:
1) Fagocitano e distruggono i m.o.
2) Producono citochine
(IL-1; IL-8; TNFα; IL-12 ecc.)
3) Presentano gli antigeni ai
linfociti T (immunità acquisita)
2) NEUTROFILI O POLIMORFONUCLEATI
Abbondanti nel circolo sanguigno
Non hanno mitocondri, ma
ricavano energia dalle abbondanti
riserve di glicogeno del loro
citoplasma (tramite la glicolisi
producono energia anche nelle
condizioni di anaerobiosi che si
stabiliscono nel focolaio
infiammatorio)
Non si dividono
Vita breve (6.5h nel sangue; c.a.
24h nei tessuti)
Nomi dei macrofagi
Monocita
Tessuto od organo
dove si ritrovano
Sangue
Cellula di Kupffer
Fegato
Cellula della
microglia
Cervello
Macrofagi alveolari
Polmone
Istiociti
Tessuto connettivo
ecc..
LE CELLULE FAGOCITARIE SI CONCENTRANO NEL SITO DI INFEZIONE PER
CHEMIOTASSI
Fattori chemiotattici:
- alcuni componenti del
complemento (es: C5a)
- monochine
- leucotrieni (prodotti lipidici
del metabolismo delle
membrane)
- componenti batterici
I fagociti (neutrofili e macrofagi) sono
attratti nel sito dell’infiammazione,
dove essi possono incontrare ed
uccidere i microrganismi. La risposta
infiammatoria porta ad una aumentata
espressione nei vasi sanguigni locali di
molecole di adesione (ELAM-1, ICAM-1)
che legano i fagociti, permettendo a
queste cellule di passare nel tessuto
circostante
secondo
il
processo
conosciuto come DIAPEDESI.
IL PROCESSO DI FAGOCITOSI
IMMUNITÀ
IMMUNITÀ
ACQUISITA O
O
ACQUISITA
SPECIFICA
SPECIFICA
Presenta alcune importanti proprietà:
SPECIFICITÀ: una infezione causata da un particolare microrganismo
provoca una risposta immunitaria diretta unicamente verso quel
microrganismo o contro un microrganismo molto simile
MEMORIA: Particolare proprietà che fa sì che ad una seconda infezione
con lo stesso microrganismo anche dopo anni dalla prima infezione, la
risposta immunitaria sia più rapida ed efficace.
CAPACITÀ DI RICONOSCERE IL “NON SELF”:
ANTIGENE (Ag): Sostanza riconosciuta come estranea dal sistema
immunitario (non-self) e, per questo, capace di indurre una risposta
immunitaria.
I microrganismi (batteri, virus,
funghi, protozoi) portano sulla loro
superficie molti tipi di molecole,
ciascuna
può
comportarsi
da
antigene. SONO MOSAICI DI
ANTIGENI.
Le cellule responsabili dell’immunità specifica, capaci di
riconoscere gli Ag, sono speciali globuli bianchi noti
come LINFOCITI
Esistono due principali classi di linfociti
LINFOCITI B
IMMUNITA’
IMMUNITA’
UMORALE
UMORALE
LINFOCITI T
IMMUNITA’
IMMUNITA’
CELLULOCELLULOMEDIATA
MEDIATA
LINFOCITI BB EE L’IMMUNITÀ
L’IMMUNITÀ UMORALE
UMORALE
II LINFOCITI
LINFOCITA B
LINFOCITI B
DI MEMORIA
Antigene microbico (Tindipendente) es: LPS o
polisaccaridi capsulari
I linfociti B, una volta
differenziati in
PLASMACELLULE,
PLASMACELLULE producono
anticorpi;
Il loro RECETTORE PER
L’ANTIGENE è rappresentato
da Ac fissati alla membrana
cellulare
PLASMACELLULA
CHE PRODUCE
ANTICORPI
STRUTTURA DI UN TIPICO ANTICORPO
ANTIGENE
porzione variabile
catena H
Fab
Catena L
(Light)
Catena H
(Heavy)
porzione variabile
catena L
Fab (frammento di
“antigen binding”)
porzione costante
catena L
Fc (frammento cristallizzabile)
porzione costante
catena H
ESISTONO DIVERSE CLASSI DI ANTICORPI O IMMUNOGLOBULINE che differiscono
per struttura, frequenza relativa nel circolo sanguigno, attività biologiche
IgM
IgM
(6%delle
delleIg
Igtotali);
totali);
(6%
IgG
IgG
Lepiù
piùabbondanti
abbondantinel
nel
Le
sangueeenei
neiliquidi
liquidi
sangue
tissutali(80%
(80%delle
delleIg
Ig
tissutali
totali);
totali);
passanoattraverso
attraversolala
passano
placenta
placenta
IgD
IgD
Rarenel
nelsangue
sangueeenei
neitessuti
tessuti
Rare
(1%delle
delleIg
Igtotali);
totali);
(1%
sonoi irecettori
recettorididimembrana
membrana
sono
deilinfociti
linfocitiBB
dei
IgA
IgA
(13%delle
delleIg
Igtotali);
totali);
(13%
Abbondantinel
nelmuco
muco
Abbondanti
dell’apparatodigerente
digerenteee
dell’apparato
respiratorio,nel
nelcolostro,
colostro,
respiratorio,
nellatte,
latte,nelle
nellelacrime
lacrime(in
(in
nel
formadimerica);
dimerica);nel
nelsangue
sangue
forma
trovanoininforma
forma
sisitrovano
monomerica.
monomerica.
Sonoformate
formateda
da55
Sono
monomeri
monomeri
Sonoleleprime
primead
ad
Sono
essereprodotte
prodottenel
nel
essere
sangueininrisposta
rispostaad
ad
sangue
unAg
Ag
un
IgE
IgE
Presentinel
nelsangue
sangueinin
Presenti
piccolissimaquantità
quantità(0.002%
(0.002%
piccolissima
delleIg
Igtotali);
totali);
delle
Medianoreazioni
reazioniallergiche;
allergiche;
Mediano
Vengonoprodotte
prodotteininrisposta
risposta
Vengono
parassiti
aiaiparassiti
ANDAMENTO DI
DI UNA
UNA TIPICA
TIPICA RISPOSTA
RISPOSTA ANTICORPALE
ANTICORPALE
ANDAMENTO
RISPOSTAPRIMARIA
Fase di latenza (5-10 gg);
Fase esponenziale (7-10 gg);
Fase di plateau
Declino rapido
RISPOSTA SECONDARIA O ANAMNESTICA
Più rapida (3-5 gg);
Quantitativamente maggiore
Richiede una qu.tà minore di Ag
Persiste più a lungo
AZIONE PROTETTIVA DEGLI ANTICORPI (Ac) NELLE
INFEZIONI BATTERICHE E VIRALI
1) NEUTRALIZZANTE
A) L’azione di tossine
B) L’nfettività virale
Legandosi alle tossine
batteriche gli Ac
impediscono che
queste si leghino ai
loro recettori cellulari
Legandosi ai virus gli
Ac impediscono che
questi si leghino ai
loro recettori
cellulari
C) L’adesione ai
tessuti
Legandosi alla
superficie batterica
gli Ac impediscono la
fase di adesione e
quindi di
colonizzazione
2) OPSONIZZANTE
Un batterio rivestito di Ac viene attivamente
fagocitato dai macrofagi che hanno dei recettori
superficiali che si legano alla regione Fc delle
molecole IgG. Il legame del batterio ricoperto da Ac
con questi recettori Fc sul macrofago attiva il
processo di fagocitosi
3) ATTIVAZIONE DEL COMPLEMENTO
Il sistema del complemento
§ Consiste in un insieme
molto complesso di
proteine sieriche che
partecipano in vario modo
alla difesa dalle infezioni.
§ I componenti del
complemento per poter
svolgere le loro funzioni
devono essere "attivati"
§ L'attivazione dei
componenti del
complemento avviene
secondo una sequenza "a
cascata"
§ Il complemento può essere
attivato con due modalità
principali:
Funzioni effettrici del
complemento (ruolo nella difesa
dalle infezioni)
•Rende i microrganismi invasori
suscettibili alla fagocitosi anche
in assenza di anticorpi
(opsonizzante)
opsonizzante
•Lisa direttamente alcuni
microrganismi, virus o cellule
•Alcuni componenti del
complemento esercitano
un'azione chemiotattica su altre
cellule del sangue
•Promuove la risposta
infiammatoria
LINFOCITI TT EE L’IMMUNITA’
L’IMMUNITA’ CELLULOCELLULOII LINFOCITI
MEDIATA
MEDIATA
LINFOCITA T (CD3+)
Due classi in base alle molecole
espresse sulla loro superficie
(CD: cluster of differentiation)
I linfociti T comprendono
sottopopolazioni distinte
che appaiono
morfologicamente simili,
ma che differiscono nelle
loro funzioni e nei loro
prodotti proteici.
Prodotti
solubili
LINFOCITA T (CD4+)
LINFOCITA T HELPER
(Th)
Th1
IL-2, TNF-α,
IFN-γ
AIUTANOIIMACROFAGI
MACROFAGIAA
AIUTANO
DISTRUGGEREIIMICROBI
MICROBI
DISTRUGGERE
INTRACELLULARI
INTRACELLULARI
LINFOCITA T (CD8+)
LINFOCITA T
CITOTOSSICO (CTL)
Th2
IL-4, IL-5,
IL-10
AIUTANOIILINFOCITI
LINFOCITIBBAA
AIUTANO
PROODURREANTICORPI
ANTICORPI
PROODURRE
Perforine,
granzimi
LISANOCELLULE
CELLULE
LISANO
INFETTATEDA
DAVIRUS
VIRUS
INFETTATE
1) II linfociti
linfociti TT riconoscono
riconoscono l’antigene
l’antigene solo
solo se
se èè presentato
presentato sulla
sulla
1)
superficie di
di una
una cellula
cellula
superficie
Localizzazione:
Cellule presentanti l’Ag “professionali” APC
CELLULE
DENDRITICHE
Tessuti linfoidi,
tessuti connettivi,
epiteli
MACROFAGI
LINFOCITI B
Tessuti linfoidi,
tessuti connettivi,
cavità corporee
Tessuti
linfoidi, circolo
sanguigno
2) II linfociti
linfociti TT riconoscono
riconoscono l’antigene
l’antigene solo
solo se
se èè presentato
presentato sulla
sulla
2)
superficie di
di una
una cellula
cellula inin associazione
associazione con
con molecole
molecole del
del complesso
complesso
superficie
maggiore di
di istocompatibilità
istocompatibilità
maggiore
1) fagocitosi o
endocitosi:
2) “Processazione”:
3) Presentazione in
associazione con le molecole
del complesso maggiore di
istocompatibilità (MHC):
MHC II:
Molecole espresse su tutte le APC
e sui linfociti T attivati.
Presentano antigeni microbici
prodotti nel compartimento
fagosomiale/endocitico (antigeni
ESOGENI)
MHC I:
Molecole espresse su tutte le
cellule nucleate (cellule presentanti
l’antigene non professionali).
Presentano antigeni microbici
prodotti nel citoplasma (antigeni
ENDOGENI)
3) II linfociti
linfociti TT possono
possono essere
essere classe
classe II oo classe
classe II
II “ristretti”
“ristretti”
3)
Batterio,tossina
o altri Ag
esogeni
Virus
MHC II
MHC I
TCR
I linfociti T CD4+ sono
classe II “ristretti”
cioè riconoscono gli Ag
presentati in
associazione all’’MHC
II
I linfociti T CD8+
sono classe I
“ristretti” cioè
riconoscono gli Ag
presentati in
associazione all’’MHC I
3) II linfociti
linfociti TT riconoscono
riconoscono l’antigene
l’antigene tramite
tramite un
un eterodimero
eterodimero di
di
3)
superficie chiamato
chiamato “T
“T CELL
CELL RECEPTOR”
RECEPTOR” (TCR)
(TCR)
superficie
Il TCR è composto da due
glicoproteine trans-membrana:
la catena alfa e la catena beta.
Le due catene sono unite da un
ponte disolfuro e sono ancorate
alla membrana citoplasmatica
del
linfocita
mediante
una
regione
idrofobica
transmembrana.
Ciascun TCR si lega ad un solo Ag
Ciascun linfocita T presenta una
sola specificità antigenica
PARTECIPAZIONE DEI
DEI LINFOCITI
LINFOCITI TT ALL’IMMUNITA’
ALL’IMMUNITA’
PARTECIPAZIONE
ANTINFETTIVA
ANTINFETTIVA
I LINFOCITI T Th1 CD4+: svolgono un ruolo centrale nell’attivazione dei macrofagi e
nella risposta immune ai patogeni intracellulari. Attivano i macrofagi mediante la
produzione di citochine (es: INF-γ
INF-γ) che rendono tali cellule più efficienti nelle loro
capacità battericide.
TCR
Th1
MHC II
IFN-γ
IFN-γ
ATTIVAZIONE
Aumento della fagocitosi
Aumento degli enzimi lisosomiali e della
produzione dell’NO e dei radicali dell’O2
Aumento dell’espressione dell’MHCII
Secrezione di molte monochine quali TNFα che si comporta da fattore di crescita
autocrino e sinergizza con l’IFN-γ
prodotto dalle cellule Th1
I LINFOCITI T Th2 CD4+: cooperano con i linfociti B nella risposta anticorpale alla
maggior parte degli Ag (antigeni T-dipendenti). Determinano la proliferazione e la
differenziazione dei linfociti B in plasmacellule produttrici di Ac, mediante la
liberazione di citochine (IL-4; IL-5, IL-6, IL-10)
Ag T-dipendente
es: tossina
LINFOCITA B
batterica
TCR
Th2
MHC II
I linfociti B Ag-specifici legano gli Ag proteici
mediante le Ig di membrana ed internalizzano,
processano e presentano i peptidi associati
all’MHCII ai linfociti Th2 CD4+ specifici
LINFOCITI B
DI MEMORIA
PLASMACELLULA
CHE PRODUCE
ANTICORPI
I LINFOCITI T CD8+: uccidono le cellule che esprimono sulla loro superficie antigeni
virali (infettate da un virus) o batterici (infettate da batteri patogeni intracellulari.
CELLULA INFETTATA
DA UN VIRUS
TCR
CTL
MHC I
Proteine virali
Una volta attivato dal riconoscimento dell’Ag il CTL rilascia a livello del sito di
contatto il contenuto di granuli citoplasmatici che contengono molecole che portano ad
APOPTOSI (morte cellulare programmata) delle cellule target.
granuli
citotossici
una cellula
morta non
può più
sostenere la
replicazione
del virus!!!
CONTENUTO DEI GRANULI
Perforina:
Perforina polimerizza per
formare dei pori nella
membrana della cellula target
Granzimi:
Granzimi serine proteasi che
attivano l’apoptosi una volta
nel citoplasma della cellula
target
Granulisina:
Granulisina proteina ad
attività antibatterica