Basi della diversità genetica nei microrganismi Fluidità dell informazione genica: Mutazioni e trasferimento orizzontale Mutazioni Le mutazioni possono avvenire spontaneamente in seguito ad errori di incorporazione di nucleotidi nel DNA Tipi di mutazione (in base ai loro effetti): Mutazioni spontanee Frequenza estremamente bassa (<10-7 ) per presenza di sistemi di riparazione del DNA Quindi: <1 evento per replicazione di un genoma batterico medio Può essere aumentata anche di 100-1000 volte da mutagenesi ambientale (raggi UV, stress ossidativo) Può avvenire ad elevate frequenze a siti particolari detti hot spots 1
Mutazioni causate da polymerase slippage AGGTCTCGCAACGTGTTCGACA Sequenze di questo tipo non presentano insidie particolari per la DNA polimerasi AGGTCTCGAAAAAAAAAAGACA Sequenze con ripetizioni dello stesso nucleotide sono più problematiche per la DNA polimerasi batterica. Ad esempio, con frequenza elevata le 10 A verranno replicate erroneamente (es. 9-11 T ) causando mutazioni frameshift Le mutazioni da polymerase slippage rappresentano un meccanismo di mimetizzazione molecolare Alcune strutture caratteristiche della superficie cellulare sono altamente immunogeniche (cioè facilmente riconoscibili dagli anticorpi): mutazioni che ne bloccano l espressione rendono le cellule batteriche meno visibili al sistema immunitario dell ospite. Eterogeneità della produzione della capsula in B. fragilis 2
Trasferimento genico orizzontale (HGT) Una fonte principale di diversità genica all interno di una popolazione batterica è l acquisizione di elementi di DNA mobili (plasmidi, trasposoni) Queste molecole possono portare in dote informazioni genetiche vantaggiose per la cellula batterica ricevente (es. geni di resistenza agli antibiotici) Tutti questi processi sembrano avvenire con più elevata frequenza in cellule batteriche facenti parte di biofilm Elementi di DNA mobile Virus (lisogenia, profagi) Plasmidi Trasposoni e anche, in alcune circostanze, frammenti più o meno estesi di DNA genomico I PLASMIDI Molti batteri oltre al cromosoma contengono molecole di DNA più piccole (da 2,000 a 100-500,000 pdb), dette plasmidi. Queste molecole non sono indispensabili per le funzioni fondamentali del batterio (ceppi della stessa specie possono esserne privi). I plasmidi sono generalmente molecole di DNA circolare e superavvolto, presenti in copia multipla nel batterio. I plasmidi replicano indipendentemente dal cromosoma del batterio, anche se necessitano del medesimo macchinario enzimatico del cromosoma perché avvenga la loro replicazione. I plasmidi possono trasferirsi da un ceppo batterico ad un altro (meccanismi di trasformazione e di coniugazione batterica) 3
La coniugazione batterica Ceppo F+ di E. coli Ceppo F- di E. coli Pilus: fattore di adesione Sistemi di secrezione di tipo IV : canali di trasferimento del DNA Geni dei plasmidi coniugativi I plasmidi coniugativi portano i geni necessari al loro trasferimento (es. pilus coniugativo) Spesso portano geni vantaggiosi per la cellula ricevente (antibiotico-resistenza, utilizzo di nuove vie metaboliche) Plasmide coniugativo R100 Resistenze Mer= Hg++ Sul= Sulfonamide Str= Streptomicina Tet= Tetraciclina Cat= Cloramfenicolo Geni per il trasferimento 4
Trasformazione batterica Frammenti di DNA libero possono essere riconosciuti da proteine di membrana e trasportati all interno della cellula batterica, dove possono incontrare due destini diversi: Degradazione/ Integrazione (in maniera dipendente da sequenza, condizioni ambientali, etc.) I plasmidi possono mantenere le loro caratteristiche di unità di DNA dotate di replicazione autonoma (in aggiunta alle altre possibilità) In che occasione possiamo avere DNA libero in un ambiente naturale? L esperimento di Griffith su Streptococcus pneumoniae è un semplice esperimento di trasformazione La capacità di un batterio di assumere DNA esogeno è detta competenza Concetti dell esperimento di Griffith Il ceppo virulento (Streptococcus pneumoniae di tipo S=smooth) possiede la capacità di produrre la capsula Può passare questa capacità ad un ceppo non-capsulato (tipo R=rough). Questo passaggio di informazione non richiede una partecipazione attiva da parte del ceppo S. Una componente cellulare del ceppo S è la sede di questa informazione. 5
Schema semplificato della trasformazione batterica I batteri devono essere in uno stato di competenza per essere trasformabili Il meccanismo di uptake del DNA è mediato da proteine specifiche (fattori di competenza) che vengono espresse in risposta a precise condizioni ambientali e fisiologiche. I trasposoni: vagabondi a livello molecolare IS GCATGGTGCCGATATAC CGTACCACGGCTATATG IS GTATATCGGCACCATGC CATATAGCCGTGGTACG Gene codificante l enzima trasposasi 6
Trasposoni complessi La trasposizione risulta in una migrazione dell elemento trasponibile Taglio sfasato del sito di inserzione Inserzione del trasposone Reazione di filling delle regioni di DNA a singola elica La trasposasi induce l escissione del trasposone In maniera dipendente da segnali ambientali o dalla replicazione della cellula batterica, l espressione della trasposasi può essere attivata e portare al distacco (escissione) del trasposone. La rottura a doppia elica nel cromosoma può essere risaldata dalla trasposasi stessa 7
Importanza dei trasposoni come fonte di diversità genetica I trasposoni possono portare geni codificanti per fattori di virulenza, resistenza ad antibiotici, vie metaboliche La loro capacità di saltare da un elemento genetico all altro (es. cromosoma>plasmide) ne permette un frequente trasferimento intercellulare e interspecie 8