La genetica batterica: Trasformazone, Coniugazione e Trasduzione

La genetica batterica: Trasformazone, Coniugazione e Trasduzione Prof. Renato Fani Lab. di Evoluzione Microbica e Molecolare Dip.to di Biologia Evoluzionistica,Via Romana 17-19, Università di Firenze, 50125 Firenze Tel 055 2288244 Email renato.fani@unifi.it Website: www.unifi.it/dblemm Peter J Russell, Genetica 2010 Pearson Italia S.p.A

Domande 14 In che modo si è dimostrato che nei procarioti avviene ricombinazione? In che modo i procarioti possono scambiarsi materiale genetico? Com è fatta una mappa genetica in un procariote? Cosa determina la polarità sessuale nei batteri? Come intervengono i fagi nella ricombinazione batterica?

Dove sta la variabilità intraspecifica necessaria per studiare la genetica dei batteri? Figura 15.1 Peter J Russell, Genetica 2010 Pearson Italia S.p.A

Mutanti nutrizionali Terreno minimo: una fonte di C organico, sali minerali Terreno completo: terreno minimo + vitamine, tutti i nucleotidi e tutti gli amminoacidi Prototrofo: ceppo capace di crescere su terreno minimo Auxotrofo: ceppo che per crescere richiede uno o più amminoacidi e proteine, in aggiunta al terreno minimo Es. di genotipo: gly + gua + ile - ade - Non ha bisogno di glicina e guanina, ma cresce solo in presenza di isoleucina e adenina

Conosciamo una forma di scambio genetico (sessualità) nei batteri: trasformazione Ceppi di pneumococco IIS trasformano ceppi IIIR

Meccanismo della trasformazione (avviene naturalmente in Bacillus subtilis) Formazione di un tratto di DNA eteroduplex Figura 15.9 Peter J Russell, Genetica 2010 Pearson Italia S.p.A

Un altra forma di sessualità nei batteri: coniugazione. Dimostrazione della ricombinazione in E. coli. Lederberg e Tatum (1946) Figura 15.2 Peter J Russell, Genetica 2010 Pearson Italia S.p.A

Non compaiono cellule prototrofe: perché avvenga la coniugazione è necessario il contatto fisico fra i due ceppi Figura 15.3 Peter J Russell, Genetica 2010 Pearson Italia S.p.A

Fattore F, ceppi F + ed F - Un ceppo può trasferire parte del suo DNA (ceppo donatore, F + ) se è dotato di un plasmide: fattore F. I ceppi che ne sono privi sono ceppi accettori, F -.

Il fattore F contiene i geni per la formazione di un pilo. F - F +

Figura 15.4 Peter J Russell, Genetica 2010 Pearson Italia S.p.A

NB: elica singola NB: replicazione del DNA del plasmidio

Attraverso la coniugazione cambiano le caratteristiche sessuali del ceppo accettore

Alcuni ceppi F + trasferiscono, insieme al fattore di sessualità, uno o pochi geni che possono dare luogo a ricombinazione F + lac + F + lac + F + lac + F - lac - F - lac - F + lac +

Come viene trasferito il materiale genetico durante la coniugazione in E. coli I ceppi F + contengono un fattore F in forma di plasimidio, gli Hfr lo portano integrato nel cromosoma Figura 15.5 Peter J Russell, Genetica 2010 Pearson Italia S.p.A

La ricombinazione avviene se, occasionalmente, il fattore F ha incorporato per crossing-over alcuni dei geni del cromosoma del ceppo donatore: ceppi lfr, low frequency of recombination Qui: F (lac) Figura 15.6 Peter J Russell, Genetica 2010 Pearson Italia S.p.A

Altri ceppi F + trasferiscono molti geni che danno luogo a ricombinazione, generalmente senza che venga trasferito il fattore di sessualità F + trp + lac + F + trp + lac + F + trp + lac + F - trp - lac - F - trp - lac - F - trp + lac + Ceppi Hfr: High Frequency of Recombination

Ceppi in cui il fattore F è integrato nel cromosoma sono ceppi Hfr (high frequency of recombination) Segue ricombinazione fra il cromosoma Hfr e quello F -

Ricombinazione in Hfr x F-

Nella coniugazione fra Hfr ed F-, il fattore F è trasferito per ultimo Si può utilizzare questa particolarità per la mappatura genetica

Ricapitolando: F - x F - F + x F + F + x F - Non c è coniugazione Non c è coniugazione Coniugazione, F - F +, ricombinazione rara Hfr x F - frequente Coniugazione, a volte F - Hfr, ricombinazione

Mappatura del genoma procariote per mezzo di esperimenti di coniugazione interrotta Hfr u + y + z + Ab R x F - u - y - z - Ab S Figura 15.7 Peter J Russell, Genetica 2010 Pearson Italia S.p.A

Costruzione della mappa (lunghezza totale in E. coli: 100 minuti) Figura 15.8 Peter J Russell, Genetica 2010 Pearson Italia S.p.A

Per costruire mappe genetiche si può sfruttare anche la trasformazione, stimando le distanze fra loci dalle frequenze di cotrasformazione. Figura 15.10 Peter J Russell, Genetica 2010 Pearson Italia S.p.A

Ciclo dei batteriofagi o fagi I ceppi batterici sono soggetti a infezione da parte di specifici fagi: Per Escherichia coli: T2, T4, T6 e λ

Ciclo litico o lisogenico dei batteriofagi profago

Ciclo del fago λ Figura 15.12 Peter J Russell, Genetica 2010 Pearson Italia S.p.A

Trasduzione generalizzata fra ceppi di E. coli Figura 15.13 Peter J Russell, Genetica 2010 Pearson Italia S.p.A

Trasduzione specializzata mediata dal fago λ Figura 15.14 Peter J Russell, Genetica 2010 Pearson Italia S.p.A

Trasduzione: trasferimento di DNA fra batteri, mediato da fagi

Mappatura di geni in E. coli sulla base della frequenza di cotrasduzione Due loci vengono trasdotti insieme solo se sono molto vicini leu + thr + azi R leu thr azi S azi R, azi S = resistente o sensibile al sodio azide Selezione per Frequenza di cotrasduzione leu + thr + 0.02 azi R 0.50 thr + leu + 0.03 azi R 0.00 azi R leu + 0.48 thr + 0.00 thr leu azi

Mappa genetica di E. coli

4760 genes 302 essential 4455 nonessential 3 unknown Genoma di E. coli

Mappe genetiche nei batteriofagi lisi batterica Il prato batterico

Mappe genetiche nei batteriofagi strato batterico continuo lisi batterica Il prato batterico

Fenotipi fagici: lisi rapida, lisi lenta rii r + Placca limpida, placca torbida h h + In un prato batterico con cellule di E. coli dei ceppi B e B/2, solo i virus di ceppo h riescono a lisarle entrambe, mentre gli h + possono infettare solo cellule di ceppo B Figura 15.17 Peter J Russell, Genetica 2010 Pearson Italia S.p.A

Stima della distanza fra due loci in fago T2: Doppia infezione di E. coli con diversi ceppi fagici Distanza fra loci = NR / (NR + NP) = N (h + r + ) + N (h r) N (h + r + ) + N (h r) + N (h + r) + N (h r + )

Riassunto I batteri possono scambiarsi tratti di DNA tramite trasformazione, coniugazione e trasduzione Trasformazione e trasduzione non richiedono un contatto fra ceppi batterici vivi, la coniugazione sì La sessualità nella coniugazione è determinata dalla presenza e dalla localizzazione di un fattore F Esperimenti di interruzione della coniugazione permettono di mappare genomi batterici La ricombinazione batterica può anche essere mediata da batteriofagi: trasduzione generalizzata e specializzata Esperimenti in cui si infettano cellule batteriche con più ceppi di fago permettono di mappare genomi fagici