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Genetica battericaGenetica batterica


Materiale genetico presente nella cellula batterica

Cromosoma battericoCromosoma batterico

PlasmidiPlasmidi

Elementi genetici trasponibiliElementi genetici trasponibili

DNA fagicoDNA fagico


Cromosoma - 1

# Unico cromosoma

# generalmente circolare, superspiralizzato (c.f. linear eukaryotic chromosomes)

e.g. E. coli, Bacillus subtilis, Streptomyces coelicolor, Salmonella typhimurium, Streptococcus pneumoniae, Haemophilus influenzae

but linear chromosomes in some spirochaetes and in

Borrelia burgdorferi (~1000 kb)


Cromosoma - 2

Mancano gli istoni

Chromosome-associated proteins, ‘histone-like’ proteins or ‘nucleoid-associated’ proteins = poliammine, come la spermina e la spermidina.

e.g. HU of Escherichia coli, 40,000 molecules/cell (approx. 1 molecule/100 bp of DNA)

involved in packaging the chromosome, regulating transcription


Plasmidi batterici - 1

Elementi genetici extracromosomici

Stabili, replicazione indipendente dagli altri elementi genici

circolari, spiralizzati, double stranded DNA molecules

but….linear plasmids in Streptomyces, Borrelia burgdorferisingle-stranded DNA plasmids in Myxococcus xanthus


Bacterial plasmids - 2

diverse copie per cellula:

plasmidi minori (5-10 kb) 50-100 copies/cell (1000 in some Streptomyces

plasmids)

plasmidi maggiori (50-200 kb) 1-10 copies/cell

Gruppi di compatibilita’: stesso tipo di plasmidi nella

stessa specie


•Alcuni plasmidi denominati plasmidi

coniugativi possiedono un set di geni

(geni tra, da trasferimento) che sono in

grado di promuovere il loro

trasferimento in cellule diverse

(trasmissione orizzontale) attraverso

un ponte citoplasmatico


•I plasmidi codificano per funzioni

non indispensabili alla

sopravvivenza della cellula

batterica, ma garantiscono notevoli

vantaggi in particolari condizioni di

crescita


Principali funzioni dei plasmidi di interesse medico-1

Coniugazione : Plasmide F, meccanismo di

trasferimento genico

Resistenza agli antibiotici: Plasmidi R

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)


Principali funzioni dei plasmidi di interesse medico-2

Virulenza: fattori di invasione, produzione

tossine e colicine

Metabolismo e Catabolismo:

e.g., produzione di siderofori


Elementi Genetici Trasponibili

Definizione: Segmenti di DNA mobili in grado di traslocare nell’ambito della stessa cellula

Properties “Random” movement Not capable of self replication Transposition mediated by site-specific

recombination Transposase

Transposition may be accompanied by duplication


Elementi Genetici Trasponibili

Sequenze di Inserzione (IS)Sequenze di Inserzione (IS)

Trasposoni (Tn)Trasposoni (Tn)


LE SEQUENZE DI INSERZIONE (IS)

Insertion sequences (IS)

* 1300-1500 bp

* codificano per le trasposasi (Tnp)

* sequenze palindromiche


Sequenze di Inserzione (IS)

Insertion sequences (IS) Definizione: elementi genici che possiedono

soli i geni per la propria traslocazione Nomenclature - IS1 Structure

– Importance

• Mutation

•Plasmid insertion

•Phase variation

TransposaseABCDEFG GFEDCBA


TRASPOSONI (Tn)

* elementi genici mobili piu’ grandi delle IS (superiori alle 2000 coppie di basi)

* oltre ai geni per la propria traslocazione trasportano altri geni

[picture]


Trasposoni

Definizione: Elementi che contengono altri geni (resistenza, virulenza) oltre quelli della traslocazione

Nomenclature - Tn10 Structure

Composite Tns

– Importance

• resistenza antibiotici

• Fattori di virulenza

IS ISResistance Gene(s)

IS ISToxicity Gene(s)


•Elementi InvertibiliElementi 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


Tre meccanismi di trasferimento di DNA batterico

TRASFORMAZIONETRASFORMAZIONE

CONIUGAZIONECONIUGAZIONE

TRASDUZIONETRASDUZIONE


TrasformazioneTrasformazione:

acquisizione di

nuovi marcatori

genetici attraverso

l’incorporazione di

DNA esogeno


•TRASFORMAZIONETRASFORMAZIONE•filmatofilmato

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•Punti chiave Punti chiave della della

TrasformazioneTrasformazione

•A

•B

•Il batterio ricevente è un batterio competente


Fattori salienti della trasformazione

* In Gram positive bacteria such as Bacillus and Streptococcus pneumoniae competence occurs in late logarithmic phase

* In the Gram negative bacteria Neisseria gonorrhoeae and Haemophilus influenzae, cells are competent throughout the growth cycle

* In Haemophilus influenzae, a 29 bp long recognition sequence occurs over 1500 times in the chromosome


•Coniugazione:

scambio di materiale

genetico da un batterio

donatore ad un batterio

ricevente attraverso il pilo F

•Coniugazione:

scambio di materiale

genetico da un batterio

donatore ad un batterio

ricevente attraverso il pilo F


•Key Words della coniugazione

•Plasmide F

•Plasmidi coniugativi

•Geni tra che codificano per il pilo

•Modello di replicazione del rolling

circle


Trasferiment

o genetico

del plasmide

F tramite

coniugazione

•OriT = origine del trasferimento


•CONIUGAZIONECONIUGAZIONE•filmatofilmato



Formazione di una cellula F+

DNA transfer Origin of

transfer Rolling circle

replication

• Pair formation

– Conjugation bridge

F+ F- F+ F-

F+ F+F+ F+


Integrazione del plasmide F nel cromosoma batterico

(Hfr = High Frequency of Ricombination)

Integrated (Hfr) Characteristics of

Hfr x F- crosses F- rarely becomes

Hfr while Hfr remains Hfr

High transfer of certain donor chromosomal genes

F+ Hfr


•CONIUGAZIONE CONIUGAZIONE di di HfrHfr

•filmatofilmato



•Punti chiave della coniugazion

e

•Punti chiave della coniugazion

e

•1

•2a •2b


Conjugation

Significance Gram - bacteria

Antibiotic resistance Rapid spread

Gram + bacteria Production of adhesive material by

donor cells


•TRASDUZIONE: ricombinazione

genetica attraverso un’infezione fagica

•FAGO: virus batterico

•FAGO: virus batterico


Struttura e composizione del fago

Composition Nucleic acid

Genome size Modified bases

Protein Protection Infection

Structure (T4) Size Head or capsid Tail

Coda

Fibre della coda

Piastra basale

Capside o Testa

Sistema contrattile


•TRASDUZIONETRASDUZIONE•filmatofilmato



•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

•IMMUNITA’ FAGICA:

durante lo stato lisogeno

la cellula batterica e’

immune da infezioni di

altri fagi dello stesso tipo

del fago integrato



Trasduzione

• 2 tipi di Trasduzione.

– Generalizzata (associata al ciclo litico):

trasduzione nella quale ogni gene batterico

puo’ essere potenzialmente trasferito


Trasduzione generalizzata

Release of phage

• Phage replication and degradation of host DNA Assembly of phages particles

Infection of recipient Legitimate recombination

• Infection of Donor


Trasduzione

• Specializzata (associata al ciclo

lisogeno) trasduzione nella quale specifici

geni batterici sono trasferiti


Infezione

lisogena di un

batterio con un

fago temperato

•Punti chiave:•D: escissione del

profago•G: formazione di particelle infettanti


Trasduzione specializzata:

Excision of the prophage

gal

bio

gal bio

gal bio

gal

bio

bio

gal

Replication and release of phage

Infection of the recipient

Lysogenization of the recipient Legitimate

recombination also possible


Significato della lisogenia

CONVERSIONE FAGICA: batteri

che assumono nuovi caratteri

fenotipici quando vengono

lisogenati con un profago

ricombinato (contenti geni di

origine batterica)


Significato della lisogenia-1

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)


Significato della lisogenia-2

ESEMPI DI CONVERSIONE FAGICA:

Modificazioni antigeniche che si riscontrano in

alcune salmonelle, shigelle ed altri batteri


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:Caratteristiche delle isole di patogenicità:

1. contengono un solo gene (“islet”) oppure molti geni di virulenza

2. sono assenti nei corrispondenti ceppi avirulenti

3. il contenuto in G/C è diverso dal resto del cromosoma

4. presentano alle estremità sequenze ripetute/ inserzione

5. contengono "geni mobili" ( transposoni…)

6. sono instabili


FATTORI DI VIRULENZA CODIFICATI DALLE PAIFATTORI DI VIRULENZA CODIFICATI DALLE PAI

1. sistemi di escrezione

2. interferenza con il sistema immune

3. adesività e colonizzazione

4. modulatori di funzioni della cellula ospite

5. internalizzazione

6. sopravvivenza/moltiplicazione intracellulare

7. sottrazione di nutrienti ( es: ferro)

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