Genetica Dei Microrganismi

Elementi di GENETICA DEI MICRORGANISMI

Caratteristiche del materiale ereditario 1. 2. 3.

Replicazione e trasmissione alla progenie dell’informazione genetica Trascrizione e traduzione dell’informazione genetica Ricombinazione e mutazioni

STRUTTURA DEL DNA

Due catene antiparallele, complementari, disposte ad elica

Varie conformazioni del DNA batterico

SUPERSPIRALIZZAZIONE NEGATIVA

TOPOISOMERASI I e II

Dimensioni, numero e forma dei cromosomi di alcuni microrganismi

• Mycoplasma genitalium 0.58Mb; 1; circolare • Bacillus subtilis 4.21Mb;1; circolare • Escherichia coli 4.64 Mb;1; circolare • Rhodobacter sphaeroides 4Mb;2; circolare • Streptomyces coelicolor 8.66Mb;1; lineare • ARCHEASulfolobus solfatarius 2.99Mb;1; circolare

Processi genetici fondamentali • Replicazione • Trascrizione • Traduzione

DNA DNA mRNA

DNA mRNA PROTEINE

Replicazione DNA POLIMERASI I, II, III,IV, V DNA POLIMERASI III

PLASMIDI • Elementi genetici accessori: materiale genetico extracromosomico • DNA a doppia elica, forma circolare • Dimensioni: da meno di 5 kb a centinaia di Kb • Possono essere presenti in centinaia di copie • Capaci di replicazione indipendente • Alcuni plasmidi sono coniugativi, altri non coniugativi • Non sono indispensabili, ma conferiscono alla cellula batterica ospite importanti vantaggi selettivi

PLASMIDI Dimensioni dei Plasmidi: tra 1.000 e 25.000 bp (DNA genomico: 4.000.000 bp)

Plasmide R GENI PER LA RESISTENZA BATTERICA AGLI ANTIBIOTICI

Geni per il trasferimento

FUNZIONI CONFERITE AI MICRORGANISMI DAI PLASMIDI

1. 2. 3. 4. 5.

Resistenza Trasferimento geni Metabolismo LATTOSIO, SACCAROSIO, IDROCARBURI Antagonismo BATTERIOCINE, ESOTOSSINE Interazioni tra organismi FISSAZIONE AZOTO NELLE PIANTE

TRASFERIMENTO GENETICO ORIZZONTALE

Donatore

Ricevente

TRASFERIMENTO GENETICO ORIZZONTALE

CONIUGAZIONE TRASFORMAZIONE

trasformazione

trasduzione

TRASDUZIONE

coniugazione

CONIUGAZIONE

PONTE CONIUGATIVO

Pili F

DONATORE F+

RICEVENTE F-

CONIUGAZIONE BATTERICA

Plasmide F Geni per il trasferimento

Punto di origine del trasferimento

È costituito da circa 22 geni. La formazione del pilo F è sotto il controllo di 12 geni

Coniugazione

CONIUGAZIONE

Ceppo donatore F+

Ceppo HFR Alta frequenza di ricombinazione

Ceppo F-

Ceppo F-

Coniugazione

1. Richiede uno stretto contatto cellula – cellula 2. Nella cellula donatrice sono presenti plasmidi coniugativi 3. I plasmidi coniugativi presentano geni per il trasferimento e per la sintesi del pilo F

TRASFORMAZIONE TRASFORMAZIONE ARTIFICIALE

CELLULE COMPETENTI TRASFORMAZIONE NATURALE

Esperimento di Griffith

TRASFORMAZIONE

TRASFORMAZIONE

1. Non richiede uno stretto contatto cellulacellula 2. Utilizza DNA libero 3. Tipica dei batteri del suolo 4. Le cellule in grado di captare il Dna libero vengono definite competenti 5. Processo di ricombinazione

TRASDUZIONE I virus fanno da vettori di geni

TRASPOSONI Elementi genetici mobili IS SEQUENZE DI INSERZIONE

Tn Trasposone

DNA bersaglio

Trascrizione DNA

mRNA

PROCESSO DI TRASCRIZIONE NEI BATTERI CONFRONTO CON GLI EUCARIOTI

• RNA polimerasi unica • RNA polimerasi riconosce sequenze (Pribnow) nella regione promotore • Ruolo importante del/dei fattori sigma • Promotori forti, promotori deboli • Operoni, mRNA policistronici • Diversa organizzazione del genoma

Trascrizione

Promotori forti Fattore sigma 70: la maggior parte dei geni di E.coli

Promotori deboli Fattore sigma 28: geni per la sintesi del flagello Fattore sigma 19: geni per l’utilizzazione del ferro Fattori sigma del processo di sporulazione

ARRESTO DEL PROCESSO DI TRASCRIZIONE

Genoma procariotico

Genoma eucariotico

Processi di splicing (taglia e cuci) del mRNA eucariotico

Struttura del genoma negli Eucarioti

Traduzione • Ribosomi

RIBOSOMI confronto tra procarioti ed eucarioti

tRNA

AMINOACIDO + ATP→ AMINOACIDO-AMP + PP AMINOACILSINTETASI

AMINOACIDO-AMP + tRNA→ AMINOACILtRNA + AMP

Traduzione mRNA

proteine

1. Attivazione degli aminoacidi 2. Coniugazione con i tRNA 3. Fase di inizio 4. Fase di allungamento 5. Traslocazione 6. Fase di terminazione

Controllo dell’espressione genica • ENZIMI COSTITUTIVI • ENZIMI INDUCIBILI

Operone lattosio lac (operone inducibile)

Operone lac (operone inducibile)

LATTOSIO

GLUCOSIO

Altre modalità di controllo dell’operone lac Glucosio

AMP

CAP= PROTEINA ATTIVATRICE DEL CATABOLITA

cAMP= AMP ciclico

Operone triptofano (operone repressibile)

Operone triptofano

Altre modalità di controllo dell’operone triptofano

Operone triptofano

Attenuazione

Attenuazione

Eccesso di triptofano: la trascrizione dell’operone si arresta

Eccesso di triptofano:la sequenza Leader viene tradotta, ma il processo di trascrizione dei geni per il triptofano si arresta

ATTENUAZIONE Assenza di triptofano: la trascrizione dell’operone va avanti

Assenza di triptofano: la sequenza Leader non viene tradotta, ma la trascrizione dei geni per il triptofano può continuare

Altre modalità di controllo dell’espressione genica

Sistemi a due componenti

Segnali ambientali Proteina sensore

Proteina risposta

Attivazione dell’espressione genica in rapporto alla densità di popolazione microbica:

QUORUM SENSING

Modalità di controllo dell’espressione genica nei batteri 1. Attraverso i fattori sigma 2. Controllo delle funzioni degli operoni 3. Sistemi a due componenti 4. Comunicazioni inter-cellulari (quorum sensing)