LA GENETICA BATTERICA riassunto, Sintesi del corso di Microbiologia

Scarica LA GENETICA BATTERICA riassunto e più Sintesi del corso in PDF di Microbiologia solo su Docsity! I batteri sono capaci di acquisire da altri microrganismi geni che permettono loro:  Acquisire caratteri di resistenza  Causare nuove malattie  Aumentare la loro possibilità di sopravvivenza RICOMBINAZIONE GENICA La ricombinazione è un processo che produce riarrangiamenti tra due molecole di DNA omologhe o non oppure all’interno della stessa cellula generando perdita, acquisizione o sostituzione di DNA. Più semplicemente la ricombinazione genetica è l’incorporazione stabile di nuovi geni nel cromosoma di una cellula ricevente. Le molecole ricombinate che si ottengono possono portate le informazioni genetiche presenti nelle molecole che hanno preso parte al processo. La ricombinazione contribuisce in modo significativo alla variabilità genetica e alla biodiversità. Il processo di ricombinazione può potenzialmente interessare qualsiasi regione del cromosoma batterico, del DNA di plasmidi e di batteriofagi. La ricombinazione a livello molecolare può essere: -ricombinazione omologa -ricombinazione sito-specifica -trasposizione Ricombinazione omologa o generale Questo processo avviene grazie a meccanismi che prevedono generalmente lo scambio reciproco tra due molecole di DNA caratterizzate dalla stessa sequenza nucleotidica. I substrati di questa ricombinazione possono essere cromosomi batterici, DNA fagico e plasmidico, o frammenti di DNA introdotti tramite diversi meccanismi. In E.coli la ricombinazione omologa può avvenire secondo almeno tre diversi percorsi che costituiscono il sistema Rec ma la via principale è la via ricombinativa RecBCD. Tutti e tre i diversi percorsi richiedono l’appaiamento tra le molecole di DNA interagenti e la proteina RecA, proteina multifunzionale che svolge un ruolo chiave nella ricombinazione omologa, essendo essenziale per trovare le regioni di omologia tra le molecole di DNA e promuovere lo scambio dei filamenti da ricombinare. Il processo son presenti enzimi che aiutano la replicazione e la riparazione del DNA associate alla ricombinazione. La ricombinazione omologa avviene in un DNA duplice con la rottura di un filamento ad opera del RecBCD che si genera nel sito di rottura del doppio filamento, con conseguente formazione di estremità a singolo filamento. A questo la proteina RecA promuove l’invasione del filamento e la formazione di un’ansa. -Formazione di due lacune nelle due molecole di DNA parentale -Formazione di una struttura provvista di DNA eteroduplice -Giunzioni di Holliday che migrano lungo la molecola di DNA -Taglio con formazione di due molecole di DNA distinte -Se il taglio comporta la rottura di entrambi i filamenti avremo cromosomi ricombinanti Ricombinazione omologa non reciproca All’interno del cromosoma ricevente viene inserito un frammento di DNA a singolo filamento  formazione di un tratto di DNA eteroduplice. Ricombinazione non omologa Meglio noti sono due tipi principali di ricombinazione non omologa: -ricombinazione sito-specifica che ha ruolo particolarmente rilevante nel processo di integrazione dei genomi virali all’interno di cromosomi ospiti; -trasposizione, un meccanismo attraverso tratti definiti di DNA, detti elementi trasponibili, presenti in un replicone si duplicano per poi trasportare la nuova copia o in un nuovo sito della stessa molecola o in una diversa molecola di DNA. Gli eventi di trasposizione possono essere sia intramolecolari (da un sito all’altro dello stesso replicone) che intermolecolari (da un replicone batterico ad un altro del genoma). La mobilità degli elementi trasponibili è legata alle proprietà di particolari ricombinasi, trasposasi codificate dall’elemento mobile. Esistono due principali meccanismi di trasposizione: 1.trasposizione conservativa: è un processo del tipo taglia e incolla che prevede l’escissione precisa dell’elemento trasponibile dal suo sito donatore e la sua reintegrazione in un nuovo sito detto sito bersaglio, senza che avvenga la duplicazione del DNA trasposto. Il processo richiede il taglio dei due filamenti di DNA alle due estremità del trasposone. 2.trasposizione replicativa: è un meccanismo che richiede la replicazione in situ dell’elemento trasponibile contestualmente alla traslocazione della copia prodotta in un altro sito. Quindi al termine del processo, il genoma della cellula presenta, oltre all’elemento trasponibile, una sua copia in un nuovo sito bersaglio. Mentre negli organismi eucarioti i fenomeni sessuali producono e aumentano la diversità genetica di una popolazione ricombinando geni, i procarioti non si riproducono per via sessuale ma per scissione binaria. Di conseguenza la diversità genica non può essere messa in atto dalla riproduzione sessuale. I meccanismi che permettono lo scambio di materiale genetico nei batteri sono raggruppabili in tre categorie principali: -CONIUGAZIONE, con la quale il materiale genetico viene trasferito da una cella ad un’altra; -TRASFORMAZIONE, cioè l’acquisizione da parte di una cellula di DNA presente nell’ambiente; -TRASDUZIONE, un processo attraverso il quale un batteriofago, nel corso dell’infezione di una cellula batterica, può occasionalmente trasferirle geni provenienti dal batterio in cui si è sviluppato precedentemente. TRASFORMAZIONE BATTERICA È il processo in cui il DNA presente nell’ambiente esterno a un batterio è catturato da una cellula, trasferito al suo interno e acquisito stabilmente nel patrimonio genetico della cellula stessa. Quindi il DNA, una volta acquisito diventa parte integrante dell’informazione genetica della cellula, tramite la ricombinazione, che può così acquisire nuove caratteristiche fenotipiche. Il DNA trasformante che si lega sulla superficie della cellula batterica per poi essere traslocato all’interno, deve essere simile fra i due batteri. Possiamo avere: -trasformazione interspecifica (specie molto vicina) -trasformazione intraspecifica (individui della stessa specie). La cellula quindi non è sempre permeabile dal DNA e ci sono dei Meccanismi di opposizione alla penetrazione del DNA: • secrezione di esonucleasi (distrugge il DNA nell’ambiente) • parete cellulare • endonucleasi di restrizione: enzimi che degradano qualsiasi DNA endocellulari estraneo • protezione del proprio DNA: metilazione di adenina o citosina La trasformazione richiede un apparato specifico per traslocare il DNA, l’apparato di competenza, costituito da proteine di competenza che sono sintetizzate in particolari condizioni fisiologici. Nei batteri lo stato di competenza si sviluppa spesso verso l’inizio della fase di stazionaria o in situazioni di carenza nutrizionali. La formazione di uno stato di competenza è diverso nei batteri Gram positivi dove il processo di competenza è regolata da uno scambio di messaggi chimici rispetto ai batteri Gram negativi, nei quali la competenza è un processo esclusivamente intracellulare. (esempi slid)  un ciclo litico: il genoma del virus rimane libero nel citoplasma e costringe la cellula batterica a lavorare per lui. Vengono prodotte le proteine della testa e le altre strutture del batteriofago. Le componenti prodotte sono autoassemblanti e si uniscono formando tanti virus identici al batteriofago che aveva infettato la cellula, che poi vengono rilasciati tramiti lisi cellulare.  un ciclo lisogeno: il virus integra il proprio acido nucleico nel genoma della cellula ospite (profago). I batteri che ospitano particelle virali non litiche sono detti lisogeni ed i virus vengono definiti temperati. Il profago può rimanere silente per molto tempo, fino a quando verrà attivato e, abbandonando il cromosoma batterico, innescherà un ciclo litico. La trasduzione può essere definita: -se il virus può indurre il trasferimento di un qualsiasi frammento di cromosoma della cellula donatrice si parla di “trasduzione generalizzata”, -se il virus può indurre il trasferimento di solo uno specifico frammento di cromosoma della cellula donatrice si parla di “trasduzione specializzata”. La trasduzione generalizzata ha luogo nel corso del ciclo litico di fagi virulenti e di alcuni fagi temperati e può trasferire qualsiasi porzione del genoma batterico; comincia con l’infezione del fago litico alla superficie del batterio sensibile che comporta la penetrazione del genoma del fago all’interno della cellula. Il DNA dell’ospite viene idrolizzato in frammenti così che il genoma virale prenderà il controllo del meccanismo di trascrizione e traduzione delle proteine e formerà delle nuove particelle virali pronte ad infettare. Nel processo di incapsulamento del genoma virale all’interno del capside neo formato, può avvenire un errore poiché questo è un processo fortemente aspecifico. All’interno di un capside virale potrebbe inserirsi del genoma batterico che deriva dalla frammentazione. Questo fago ha ancora però la capacità di andare ad infettare una cellula batterica, quando si lega ad essa e inserisce il proprio genoma all’interno, inserisce anche il gene batterico che deriva dalla cellula precedente. A seconda di determinate condizioni, una delle situazioni che potrebbero succedere è che il gene trasportato del genoma virale viene riinserito all’interno del cromosoma batterico della nuova cellula ospite tramite ricombinazione omologa. La trasduzione specializzata è limitata a una specifica regione del cromosoma e quindi introduce solo un particolare gruppo di geni nell’ospite. Avviene a partire da un profago, quindi un batteriofago nel ciclo litogeno ha portato il suo genoma a legarsi con il cromosoma batterico della cellula ospite. Nel profago i genoma del virus è silente, quindi il fago è come se non ci fosse. Però siamo nella fase di attivazione del ciclo litico, di conseguenza, il genoma virale si ripiega e si ecscide dal cromosoma batterico ricircolarizzandosi. Liberandosi, può portare con sé anche l’estremità legate al genoma virale del cromosoma batterico, generando una escissione che viene definita anomale. Mentre nella trasduzione generalizzata poteva essere una sequenza genica casuale del cromosoma batterico, in questa trasduzione vengono per forza trasportate l’estremità. Dopo di che avviene lo stesso identico processo della trasduzione generalizzata. Se il profago si escide in maniera corretta si passa al ciclo litico; se il profago si escide in maniera anomala si passa sempre alla fase litica, ma dove il genoma che viene duplicato non è più un genoma virale, ma un genoma ibrido che porta con sé un frammento cromosomico. Quindi possiamo avere una ricombinazione stabile o instabile. Ricombinazione stabile: è quella trasmessa alla prole, cioè abbiamo questa ricombinazione quando il frammento cromosomico trasportato dai trasducenti, viene iniettato in un’altra cellula ospite. Il fago prodotto tramite trasduzione esce da una cellula che muore o si lisa per poi andare a riconoscere i recettori di una nuova cellula ospite e iniettarci ciò che ha, ovvero il genoma ibrido. Questo genoma può trovare regioni omologhe sul cromosoma batterico per mettere in atto la ricombinazione omologa. La cellula ospite produrrà ricombinazione con il gene della cellula precedente ed andrà a degradare il genoma virale non permettendo la formazione dell’infezione. Può trovare regioni non omologhe, di conseguenza questo batteriofago viene degradato. Ricombinazione instabile: se trova regioni non omologhe, il batteriofago viene degradato, a meno che la cellula che il batteriofago è andato ad infettare non sia una cellula che già conteneva un profago. Se lo contiene, il batteriofago si integra iniettando il suo genoma. Avremo una cellula con due profaghi, uno normale e uno trasducente poiché uno dei due trasporta un gene che una volta legato al cromosoma risulta attivo. Dopo di che il genoma si escide e porta nuovamente con sé il gene. Quindi la ricombinazione non è stabile poiché il gene non è diventato parte integrante del cromosoma batterico, ma viene espresso finchè il profago non si escide. CONVERSIONE FAGICA La conversione fagica è un risvolto della trasduzione specializzata. Prevede l’espressione dei geni fagici. Esistono dei patogeni in cui specifiche tossine vengono prodotte solo se il cromosoma batterico contiene un profago: nel caso dell’enterotossina A e della difterite dello stafilococco, la presenza di un fago rende patogeno il microrganismo. L’informazione viaggia legata al profago, e quindi finchè la cellula presenta il profago è in grado di esprimere le tossine. Oppure può avvenire il contrario, la presenza del profago inattiva i fattori di virulenza.