Genetica batterica E. coli

Materiale genetico presente nella cellula batterica Plasmidi Elementi genetici trasponibili DNA fagico Cromosoma batterico

Cromosoma batterico La maggior parte dei geni dei batteri è codificata in una singola molecola di DNA, a doppia elica, grande e circolare: CROMOSOMA BATTERICO Per poter essere contenuto nella cellula batterica esso è superavvolto; tale superavvolgimento viene eliminato durante la replicazione o la trascrizione ad opera delle DNA girasi Mancano gli istoni Generalmente, la dimensione del cromosoma procariote è correlata alla complessità fisiologica o morfologica della cellula

LOCALIZZAZIONE DEI GENI SUL CROMOSOMA In alcuni casi, i geni sono disposti singolarmente sul cromosoma: da questi geni viene trascritta una singola specie di mRNA che è tradotta in un singolo tipo di proteina. Esistono piccoli gruppi di geni (“CLUSTER”) che codificano per funzioni correlate, sono adiacenti sul cromosoma e vengono trascritti, a partire da un singolo promotore, su una singola molecola di mRNA, dalla cui traduzione verranno poi formate tante proteine quanti sono i geni che fanno parte del gruppo. Tale gruppo di geni costituisce un OPERONE L’arrangiamento in operoni dei geni è tipico di molti batteri e VANTAGGIOSO perché permette di economizzare sui meccanismi di regolazione in quanto il raggruppamento in operoni di geni con funzioni correlate, che richiedono quindi una regolazione dell’espressione simile, riduce il numero di sistemi di regolazione richiesti.

LE MUTAZIONI Qualunque cambiamento nella sequenza del DNA Qualunque cambiamento che introduce un’alterazione nella struttura a doppia elica Nelle normali condizioni di coltivazione, le mutazioni avvengono raramente (di norma una popolazione contiene circa una cellula su 108 ), ma l’esposizione a certi mutageni particolarmente potenti aumenta notevolmente la frequenza di cellule che portano una mutazione LE MUTAZIONI CAMBIANO SIA IL GENOTIPO CHE IL FENOTIPO CELLULARE

CLASSIFICAZIONI DELLE MUTAZIONI IN BASE AL LORO EFFETTO SUL GENOTIPO MACROLESIONI = cambiamento che coinvolge un certo numero di coppie di basi o anche diversi geni DELEZIONI comportano l’eliminazione completa di un segmento di DNA; DUPLICAZIONI ripetizione in tandem di un segmento di DNA; INVERSIONI rotazione di 180° di un segmento di DNA; INSERZIONI introduzione di un nuovo segmento di DNA all’interno di una sequenza preesistente; TRASLOCAZIONI inserimento di un segmento di DNA in un’altra posizione del genoma MICROLESIONI = cambiamento di una singola coppia INSERZIONE o DELEZIONE è data dalla perdita o dall’acquisto di una singola coppia di basi SOSTITUZIONE DI UNA COPPIA DI BASI è dovuta al cambiamento di una coppia di basi con un’altra

Plasmidi Elementi genetici extracromosomici Non tutti i geni batterici sono codificati sul cromosoma. Molti batteri, ma non tutti, contengono una o più molecole di DNA circolare, chiamate PLASMIDI Stabili Spiralizzati Questi elementi, con dimensioni variabili da poche a diverse centinaia di kb, funzionano come piccoli cromosomi: SONO AUTOREPLICANTI E CODIFICANO PER VARIE FUNZIONI CELLULARI

Differiscono dai cromosomi in quanto: NON INDISPENSABILI perché il tipo di funzione da loro codificato conferisce vantaggio alla cellula solo in alcuni ambienti; NON SONO CONFINATI NELL’AMBITO DI UN SINGOLO OSPITE; alcuni possono essere trasferiti e replicati solo in piccoli gruppi di ospiti batterici strettamente correlati; altri hanno una vasta gamma di ospiti Il GENOMA BATTERICO è quindi costituito dal suo CROMOSOMA e dai PLASMIDI eventualmente presenti

CONIUGAZIONE Plasmide F Alcuni plasmidi denominati plasmidi coniugativi possiedono un set di geni (geni tra = trasferimento) che sono in grado di promuovere il loro trasferimento in cellule diverse (trasmissione orizzontale) attraverso un ponte citoplasmatico CONIUGAZIONE Plasmide F

degradazione enzimatica (e.g.penicillina) modificazioni enzimatiche (e.g.cloramfenicolo) alterata permeabilità (e.g.tetracicline) alterazione del target (e.g.streptomicine) via metabolica alternativa (e.g.sulfamidici) Resistenza agli antibiotici: Plasmidi R Virulenza: fattori di invasione, produzione tossine e colicine Metabolismo e Catabolismo: produzione di siderofori

Elementi Genetici Trasponibili Resistenza antibiotici Fattori di virulenza Segmenti di DNA mobili in grado di traslocare nell’ambito della stessa cellula oltre ai geni per la propria traslocazione trasportano altri geni Segmenti di DNA con sequenze per inserzione

Isole di Patogenicita’ (Pathogenicity Islands, PAI) Gruppo di geni che codificano per peculiari proprietà patogene riuniti in precisi segmenti di DNA genomico (isole) Caratterizzano la patogenicità di batteri di una stessa specie differenziandoli da batteri non patogeni

Caratteristiche delle isole di patogenicità:   contengono un solo gene (“islet”) oppure molti geni di virulenza sono assenti nei corrispondenti ceppi avirulenti il contenuto in G/C è diverso dal resto del cromosoma presentano alle estremità sequenze ripetute/ inserzione contengono "geni mobili" ( transposoni…) sono instabili

FATTORI DI VIRULENZA CODIFICATI DALLE PAI sistemi di escrezione interferenza con il sistema immune adesività e colonizzazione modulatori di funzioni della cellula ospite internalizzazione sopravvivenza/moltiplicazione intracellulare sottrazione di nutrienti ( es: ferro)

Elementi Invertibili Elementi genici trasponibili: codificano per un enzima (DNA-invertasi) che permette di invertire con una rotazione di 180° la posizione dell’elemento nell’ambito dello stesso sito di inserzione

Scambio genetico nelle cellule procariote La maggior parte dei batteri patogeni possono scambiare materiale genetico andando incontro a fenomeni di ricombinazione genica omologa e non omologa TRASFORMAZIONE CONIUGAZIONE TRASDUZIONE

TRASFORMAZIONE: acquisizione di nuovi marcatori genetici attraverso l’incorporazione di DNA esogeno

ESPERIMENTI DI GRIFFITH (1928) Diplococcus pneumoniae SULLA VIRULENZA DI Diplococcus pneumoniae

A B Punti chiave della Trasformazione Il batterio ricevente è un batterio competente

CONIUGAZIONE: scambio di materiale genetico da un batterio donatore ad un batterio ricevente attraverso il pilo F

TRASFERIMENTO GENETICO DEL PLASMIDE F TRAMITE CONIUGAZIONE OriT = origine del trasferimento TRASFERIMENTO GENETICO DEL PLASMIDE F TRAMITE CONIUGAZIONE PAROLE CHIAVI Plasmide F Plasmidi coniugativi Geni tra che codificano per il pilo Modello di replicazione del “rolling circle”

FORMAZIONE DI UNA CELLULA F+

Integrazione del plasmide F nel cromosoma batterico (Hfr = High Frequency of Ricombination)

Punti chiave della Coniugazione 1 2b 2a

ricombinazione genetica attraverso un’infezione fagica FAGO: virus batterico TRASDUZIONE:

Struttura e composizione del fago Coda Fibre della coda Piastra basale Capside o Testa Sistema contrattile

Due tipi di infezione: Ciclo litico: infezione con fagi virulenti e conseguente lisi cellulare Ciclo lisogeno: infezione con fagi temperati ed intregrazione del genoma virale (profago) nel genoma batterico senza lisi cellulare Il ciclo lisogeno puo’ trasformarsi in ciclo litico con l’uscita del profago dal genoma

Infezione litica

Infezione lisogena di un batterio con un fago temperato CONVERSIONE FAGICA: batteri che assumono nuovi caratteri fenotipici quando vengono lisogenati con un profago ricombinato (contenti geni di origine batterica) IMMUNITA’ FAGICA: durante lo stato lisogeno la cellula batterica e’ immune da infezioni di altri fagi dello stesso tipo del fago integrato

Significato della lisogenia ESEMPI DI CONVERSIONE FAGICA: La trasformazione di batteri avirulenti in batteri produttori di tossine eg. Corynebacterium diphtheriae (fago beta con proteina Tox) Amplia il corredo di tossine batteriche, eg. Clostridium botulinum ( almeno due delle sette tossine botuliniche), Streptococcus pyogenes (alcune tossine pirogene) Modificazioni antigeniche che si riscontrano in alcune salmonelle, shigelle ed altri batteri

Trasduzione Generalizzata (associata al ciclo litico) trasduzione nella quale ogni gene batterico puo’ essere potenzialmente trasferito

Trasduzione Specializzata (associata al ciclo lisogeno): trasduzione nella quale specifici geni batterici sono trasferiti gal bio