LEZIONE 19

Come abbiamo detto la scorsa volta parliamo di variabilità genetica in un

contesto di adattamento. La variabilità genetica è il terreno fertile su cui lavora

la selezione, la selezione può portare l’evoluzione solo se ha una base di

variabilità genetica, variabilità di genomi da poter selezionare. La variabilità

genetica non può essere nei batteri solo affidata alle mutazioni, anche se

sicuramente contribuiscono ma la variabilità genetica che negli organismi

superiori è data dal meccanismo di crossing over che avviene durante la

riproduzione sessuata non avviene anche nei batteri perché non c’è

riproduzione sessuale, però questi hanno dei sistemi per creare la variabilità, il

rimescolamento dei genomi, questi sistemi si chiamano trasferimento genico

orizzontale. Si chiama orizzontale per non confonderlo con quello verticale che

è quello che avviene di generazione in generazione, dove non c’è variabilità

almeno che non avvenga una mutazione. Il trasferimento orizzontale viene

anche detto meccanismo di ricombinazione appunto perché si ricombinano i

genomi. Ieri abbiamo detto che si colloca nel contesto di adattamento perché

questo è adattamento all’ambiente, perché le diversità degli esseri viventi

vengono poi premiate laddove il fenotipo può rappresentare un vantaggio

nell’ambiente. Quindi la grande diversità di cui abbiamo parlato nella prima

parte dell’insegnamento del corso verteva proprio su questi meccanismi (e

deriva da questi) ma è ponderata al fatto che ci sono tanti ambienti differenti e

ci sono tante evoluzioni differenti.

La trasformazione è basata sulla tank di DNA libero in ambiente da parte di

batteri, che devono essere in uno stato di competenza che li rende in grado

incorporare e di integrare nel proprio genoma dei frammenti di DNA

proveniente da un altro batterio. Questo stato di competenza non è comune

non è diffuso e prevede l’espressione di geni che permettono al batterio di

sintetizzare tutti quegli enzimi necessari per l’assorbimento, l’incorporazione e

l’integrazione di DNA. Dico integrazione perché il DNA esogeno deve essere

integrato nel genoma, si integra all’interno del cromosoma grazie alla

ricombinazione omologa, che come il nome stesso dice si basa su sequenze

omologhe.

Ieri abbiamo parlato coniugazione plasmidica, è molto importante, vi invito a

informarvi su alcune funzioni che albergano i plasmidi, hanno funzioni molto

diverse tra loro. La coniugazione plasmidica abbiamo detto è l’unico

meccanismo di ricombinazione genica che non richiede la ricombinazione

omologa, perché è un elemento extracromosomiale indipendente, capace di

replicarsi autonomamente e quindi una volta che il plasmide viene preso dal

batterio ricevente (il batterio donatore decide di donarlo) è già parte del

genoma, è già integrato. Ogni plasmide può essere preso? No, è vero che la

cellula donatrice può decidere di iniziare la coniugazione plasmidica

sintetizzando il pilo sessuale ma la cellula ricevente sembra possieda dei

recettori per il pilo, quindi deve essere in qualche modo abile a ricevere il pilo,

ma soprattutto quello che rende la cellula ricevente di ricevere il plasmide

donato è che la cellula non deve già possedere dei plasmidi che abbiano una

Anteprima parziale del testo

Scarica Coniugazione batterica: un meccanismo di trasferimento genico - Prof. Federici e più Appunti in PDF di Microbiologia solo su Docsity!

LEZIONE 19

Come abbiamo detto la scorsa volta parliamo di variabilità genetica in un contesto di adattamento. La variabilità genetica è il terreno fertile su cui lavora la selezione, la selezione può portare l’evoluzione solo se ha una base di variabilità genetica, variabilità di genomi da poter selezionare. La variabilità genetica non può essere nei batteri solo affidata alle mutazioni, anche se sicuramente contribuiscono ma la variabilità genetica che negli organismi superiori è data dal meccanismo di crossing over che avviene durante la riproduzione sessuata non avviene anche nei batteri perché non c’è riproduzione sessuale, però questi hanno dei sistemi per creare la variabilità, il rimescolamento dei genomi, questi sistemi si chiamano trasferimento genico orizzontale. Si chiama orizzontale per non confonderlo con quello verticale che è quello che avviene di generazione in generazione, dove non c’è variabilità almeno che non avvenga una mutazione. Il trasferimento orizzontale viene anche detto meccanismo di ricombinazione appunto perché si ricombinano i genomi. Ieri abbiamo detto che si colloca nel contesto di adattamento perché questo è adattamento all’ambiente, perché le diversità degli esseri viventi vengono poi premiate laddove il fenotipo può rappresentare un vantaggio nell’ambiente. Quindi la grande diversità di cui abbiamo parlato nella prima parte dell’insegnamento del corso verteva proprio su questi meccanismi (e deriva da questi) ma è ponderata al fatto che ci sono tanti ambienti differenti e ci sono tante evoluzioni differenti. La trasformazione è basata sulla tank di DNA libero in ambiente da parte di batteri, che devono essere in uno stato di competenza che li rende in grado incorporare e di integrare nel proprio genoma dei frammenti di DNA proveniente da un altro batterio. Questo stato di competenza non è comune non è diffuso e prevede l’espressione di geni che permettono al batterio di sintetizzare tutti quegli enzimi necessari per l’assorbimento, l’incorporazione e l’integrazione di DNA. Dico integrazione perché il DNA esogeno deve essere integrato nel genoma, si integra all’interno del cromosoma grazie alla ricombinazione omologa, che come il nome stesso dice si basa su sequenze omologhe. Ieri abbiamo parlato coniugazione plasmidica, è molto importante, vi invito a informarvi su alcune funzioni che albergano i plasmidi, hanno funzioni molto diverse tra loro. La coniugazione plasmidica abbiamo detto è l’unico meccanismo di ricombinazione genica che non richiede la ricombinazione omologa, perché è un elemento extracromosomiale indipendente, capace di replicarsi autonomamente e quindi una volta che il plasmide viene preso dal batterio ricevente (il batterio donatore decide di donarlo) è già parte del genoma, è già integrato. Ogni plasmide può essere preso? No, è vero che la cellula donatrice può decidere di iniziare la coniugazione plasmidica sintetizzando il pilo sessuale ma la cellula ricevente sembra possieda dei recettori per il pilo, quindi deve essere in qualche modo abile a ricevere il pilo, ma soprattutto quello che rende la cellula ricevente di ricevere il plasmide donato è che la cellula non deve già possedere dei plasmidi che abbiano una

incompatibilità con il plasmide donato. Abbiamo detto quando abbiamo parlato di genoma batterico che i plasmidi possono essere più di uno, possono esserci in più copie (di solito è un artificio il plasmide non si divide tra le cellule figlie) ma soprattutto possono esserci più plasmidi diversi, però c’è un limite a questo possono essere presenti plasmidi diversi a patto che non siano incompatibili fra loro, esistono dei fattori di incompatibilità dei geni che regolano questa possibilità di coabitare di un plasmide nel citoplasma (A volte il fattore di incompatibilità si può trovare anche nel cromosoma, perché come vedremo in seguito ci sono dei casi in cui il plasmide può essere integrato nel cromosoma). Questi fattori di incompatibilità sono dei geni che vanno a riconoscere i plasmidi esogeni e quindi la cellula ricevente li degrada, non li conserva. Il meccanismo su cui si basa il passaggio del plasmide durante la coniugazione, è basato su un ponte citoplasmatico, con cui i due citoplasmi devono entrare in contatto, questo è fatto dal pilo sessuale che attraversa la parete e la membrana, e si basa sul fatto che il plasmide fertile inizia la replicazione a cerchio rotante, non tutti plasmidi possono essere fertili e quindi la coniugazione non funziona per tutti i plasmidi. Quindi si basa sulla replicazione del plasmide che ha un punto di origine ben preciso, chiamato punto OriT, è un gene, è la parte del genoma plasmidico in cui si forma il taglio dove inizierà l’unica forca di replicazione (replicazione a σ). Il punto di origine di ). Il punto di origine di trasferimento è proprio legato al fatto che si deve formare un taglio, chiamato Nick, perché avvenga la replicazione a cerchio rotante si deve linearizzare il plasmide che normalmente è circolare, uno dei due filamenti viene linearizzato, l’origine di trasferimento dove si forma il taglio è anche dove inizia a lavorare la DNA polimerasi (forca). A differenza di quanto invece abbiamo visto per la replicazione del DNA con intermedio a θ quella che avviene nei meccanismi di trasferimento verticale sia per il cromosoma che per i plasmidi, dove non si ha bisogno che si linearizzi nulla perché le forche di replicazione sono simmetriche.

Quando parlavamo di coniugazione abbiamo detto che questa è un meccanismo molto potente perché oltre che a mediare il trasferimento di plasmidi, può in alcuni casi molti rari mobilizzare il trasferimento di porzioni geniche presenti su un cromosoma, si parla in questo caso di formazione di ceppi HFR o mobilizzazione del cromosoma. Iniziamo col dire cosa sono i ceppi HFR, questi si riferiscono a un acronimo che significa ceppi ad alta frequenza di ricombinazione (High Frequency Recombination). Vennero chiamati così perché i primi studiosi microbiologi che studiavano questi meccanismi ricombinativi osservarono che alcuni ceppi batterici, ricombinavano ad alta frequenza, cioè quando li mettevi in contatto con altre cellule donavano i loro geni con una frequenza molto elevata, che non era giustificabile con un meccanismo coniugativo di tipo plasmidico perché questi geni erano presenti sul cromosoma. Voglio farvi una domanda, immaginate di essere al tempo di questi microbiologi, non ci sono metodi per leggere il DNA, l’unico mezzo che avete è coltivare batteri e capire se un batterio ha o no quel gene tramite un terreno minimo, un terreno in cui si può mettere in evidenza la perdita di funzioni geniche. Vi chiedo di immaginare un esperimento per discriminare se un fenomeno ricombinativo è mediato da coniugazione o da trasformazione (ovviamente questi esperimenti sono in coltura liquida): di cosa ha bisogno che si può in qualche modo discriminare, la coniugazione? (Michael fragdon) nella coniugazione c’è bisogno del contatto fisico, quindi si può discriminare la coniugazione dalla trasformazione inibendo il contatto fisico, si può fare agitando il terreno liquido oppure mettendo due membrane a contatto con una membrana in cui i liquidi passano e quindi la trasformazione avviene, ma i batteri non passano e quindi la coniugazione non avviene. Capirono da questi esperimenti che si trattava sempre di un meccanismo coniugativo perché c’era bisogno di contatto fisico tra cellula e cellula, ma in questo caso di geni cromosomici. La motivazione è stata che hanno trovato il fattore di fertilità nel cromosoma, come poteva essere? Non fu banale capire che il genoma aveva il fattore di fertilità. Per la coniugazione plasmidica loro potevano tracciare la presenza del fattore di fertilità in modo molto facile, perché sapevano di avere colture che erano fertili, che ricombinavano, e potevano seguire questa fertilità, perché quando incrociavano con delle colture, con dei ceppi, che invece non ricombinavano (F-) il prodotto era che anche la coltura che prima non era fertile diventava fertile (F+), e poi potevano fare lo stesso con questo altro ceppo per provarne la fertilità acquisita. Un ceppo HFR che ha il fattore di fertilità nel cromosoma, una volta che viene incrociato con un ceppo F- non cambia situazione, cioè il ceppo HFR rimane HFR ovviamente, ma il ceppo F- non diventa fertile, acquisisce comunque porzioni cromosomiche ma non diventa F+.

Dopo spiegheremo perché la fertilità non viene trasferita, ora osserviamo come si forma il ceppo HFR. Il ceppo HFR si forma per un evento di ricombinazione omologa in cui un plasmide, con il fattore di fertilità si integra all’interno del cromosoma. Esistono dei plasmidi che si sono integrati nel cromosoma, non vengono più chiamati plasmidi anche perché hanno perso, vengono semplificati e vengono chiamati episomi. Con episoma si indica una porzione di cromosoma in cui c’è il fattore di fertilità, in cui sono presenti dei geni che permettono di avviare la coniugazione. Sono dei geni di origine plasmidica che per eventi di ricombinazione omologa si sono integrati. Nell’immagine sotto una cellula F+ ha integrato il suo plasmide all’interno del cromosoma, questa integrazione spesso ha portato a perdere altri geni. Quindi il ceppo HFR è il cromosoma al cui interno è presente un residuo di plasmide chiamato episoma che possiede il fattore di fertilità F+ e ovviamente anche il punto di origine di replicazione OriT (Origin of transfer). Non basta quindi poter formare il pilo per essere fertili ci vuole il fattore di fertilità che faccia partire la replicazione a cerchio rotante e questa è basata su una porzione genetica chiamata OriT. Il fatto che l’episoma è fertile fa si che l’episoma possa iniziare la sintesi del pilo, la replicazione a cerchio rotante e quindi far comportare il cromosoma da plasmide, cioè il cromosoma che normalmente si replica simmetricamente, un filamento si linearizza e inizia a replicarsi e quindi passa attraverso il pilo e può andare nell’altra cellula.

chiamato episoma, è una parte di cromosoma ( residuo plasmidico) ma di origine plasmidica. Quindi l’episoma conferisce fertilità grazie al fattore presente sul plasmide. Il punto è che la mobilizzazione del cromosoma parta da un punto detto OriT che si trova al centro dell’episoma a monte del fattore di fertilità, a differenza della replicazione simmetrica questa si replica da un solo verso e quindi procede dal sito OriT in un solo verso, trasferendo solo parte dell’episoma e i geni cosiddetti plemping (fiancheggianti) di conseguenza per poter trasferire anche l’altra parte di episoma e ricircolarizzarsi bisognerebbe che la coniugazione duri così tanto da permettere il trasferimento dell’intero cromosoma. Questo non può succedere perché i tempi sono molto brevi. Quindi per questo motivo il fattore di fertilità non può essere trasferito. E questo è anche il motivo per cui affinché avvenga la coniugazione dei ceppi HFR devono avvenire due eventi di ricombinazione omologa, il primo alla formazione dei ceppi HFR il secondo Domanda complessa: Perché nella coniugazione dei ceppi HFR gli eventi ricombinativi per cui la combinazione vada a buon fine devono essere due? Il primo è nella formazione dei ceppi HFR e il secondo è perché questi geni che entrano nella cellula ricevente si devono ricombinare con il cromosoma della cellula ricevente. La coniugazione plasmidica non ha bisogno di ricombinazione, ma qui c’è bisogno perché è un piccolo frammento che deve essere integrato, viene attaccato dalle endonucleasi (sistema immunitario dei batteri che degradano i DNA esogeni se non si integrano) e quindi la coniugazione si basa su un secondo evento di ricombinazione omologa in cui il frammento lo si deve poter inserire all’interno del cromosoma, portando le funzioni geniche di origine ma non portando il fattore di fertilità. E’ possibile che la seconda ricombinazione non avvenga? Si, anche se il motivo per cui i ceppi HFR sono HFR è perché hanno una seconda ricombinazione più probabile. Ragioniamo meglio su questa domanda, può succedere ma è più probabile che si integri perché se fosse presente la formazione del pilo e della coniugazione dei geni ma poi non avvenisse la ricombinazione non verrebbero chiamati ceppi HFR. Ma comunque perché è molto probabile che si integri? Perché contiene delle zone omologhe e le contiene perché quando si è inserito il plasmide formando l’episoma, si è inserito nel cromosoma a livello di sequenze di inserzione (SI), queste sono molto conservate e sono così numerose (es sequenze di inserzioni, trasposoni, anche nei nostri genomi) che adesso esiste uno studio genomico, chiamato studio del mobiloma che punta ad individuare queste sequenze spesso non codificanti. Quindi se l’episoma si è inserito in queste sequenze di inserzione nel cromosoma della cellula ricevente andrà a ricercare nuovamente quelle sequenze per inserirsi. 1.

Coniugazione batterica: un meccanismo di trasferimento genico - Prof. Federici, Appunti di Microbiologia

Documenti correlati

Anteprima parziale del testo

Scarica Coniugazione batterica: un meccanismo di trasferimento genico - Prof. Federici e più Appunti in PDF di Microbiologia solo su Docsity!

LEZIONE 19