Download plasmidi coniugativi - Microbiologia TorVergata

Genetica batterica
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Materiale genetico presente nella
cellula batterica

Cromosoma batterico

Plasmidi

Elementi genetici trasponibili

DNA fagico
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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)
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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
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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 burgdorferi
single-stranded DNA plasmids in Myxococcus xanthus
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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
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•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
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•I plasmidi codificano per funzioni
non indispensabili alla
sopravvivenza della cellula
batterica, ma garantiscono notevoli
vantaggi in particolari condizioni di
crescita
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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)
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Principali funzioni dei plasmidi di interesse medico-2

Virulenza: fattori di invasione, produzione
tossine e colicine

Metabolismo e Catabolismo:
e.g., produzione di siderofori
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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
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Elementi Genetici Trasponibili
Sequenze di Inserzione (IS)
Trasposoni (Tn)
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LE SEQUENZE DI INSERZIONE (IS)
Insertion sequences (IS)
* 1300-1500 bp
* codificano per le trasposasi (Tnp)
* sequenze palindromiche
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Sequenze di Inserzione (IS)

Insertion sequences (IS)
 Definizione:
elementi genici che possiedono
soli i geni per la propria traslocazione
 Nomenclature - IS1
 Structure
GFEDCBA
ABCDEFG
Transposase
– Importance
• Mutation
•Plasmid insertion
•Phase variation
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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]
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Trasposoni
 Definizione:
Elementi che contengono altri
geni (resistenza, virulenza) oltre quelli della
traslocazione
 Nomenclature - Tn10
 Structure
 Composite
Tns
– Importance
IS
Resistance Gene(s)
IS
IS
Toxicity Gene(s)
IS
• resistenza antibiotici
• Fattori di virulenza
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•Elementi 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
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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
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Tre meccanismi di trasferimento
di DNA batterico

TRASFORMAZIONE

CONIUGAZIONE

TRASDUZIONE
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Trasformazione:
acquisizione di
nuovi marcatori
genetici attraverso
l’incorporazione di
DNA esogeno
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•TRASFORMAZIONE
•filmato
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•Il batterio ricevente è
un batterio competente
•Punti chiave
della
Trasformazione
•A
•B
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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
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•Coniugazione:
scambio di materiale
genetico da un batterio
donatore ad un batterio
ricevente attraverso il pilo F
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•Key Words della coniugazione
•Plasmide F
•Plasmidi coniugativi
•Geni tra che codificano per il pilo
•Modello di replicazione del rolling circle
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•OriT = origine
del trasferimento
Trasferimento
genetico del
plasmide F
tramite
coniugazione
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•CONIUGAZIONE
•filmato
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Formazione di una cellula F+
• Pair formation
– Conjugation
bridge

DNA transfer
F+
F-
F+
F-
F+
F+
F+
F+
 Origin
of
transfer
 Rolling circle
replication
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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
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•CONIUGAZIONE
di Hfr
•filmato
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•1
•Punti chiave
della
coniugazione
•2a
•2b
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Conjugation

Significance
 Gram
- bacteria
 Antibiotic
resistance
 Rapid spread
 Gram
+ bacteria
 Production
of adhesive material by
donor cells
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•FAGO: virus
batterico
•TRASDUZIONE:
ricombinazione
genetica attraverso
un’infezione fagica
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Struttura e composizione del fago

Composition
 Nucleic
acid
Capside o
Testa
 Genome
size
 Modified bases
 Protein
 Protection
 Infection

Structure (T4)
 Size
 Head
or
capsid
 Tail
Sistema
contrattile
Coda
Fibre della
coda
Piastra
basale
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•TRASDUZIONE
•filmato
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•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
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Infezione litica
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•IMMUNITA’ FAGICA:
durante lo stato lisogeno
la cellula batterica e’
immune da infezioni di
altri fagi dello stesso tipo
del fago integrato
Infezione
lisogena di un
batterio con un
fago temperato
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Trasduzione
• 2 tipi di Trasduzione.
– Generalizzata (associata al ciclo litico):
trasduzione nella quale ogni gene batterico
puo’ essere potenzialmente trasferito
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Trasduzione generalizzata
• Infection of Donor
• Phage replication and degradation of host DNA

Assembly of phages particles
Release of phage

Infection of recipient

Legitimate recombination

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Trasduzione
• Specializzata (associata al ciclo
lisogeno) trasduzione nella quale specifici
geni batterici sono trasferiti
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•Punti chiave:
•D: escissione del
profago
•G: formazione di
particelle infettanti
Infezione lisogena
di un batterio con
un fago temperato
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Trasduzione specializzata:




Excision of the
prophage
Replication and
release of phage
Infection of the
recipient
Lysogenization of
the recipient
 Legitimate
recombination
also possible
bio
gal
gal
gal
bio
gal
bio
bio
bio
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Significato della lisogenia

CONVERSIONE FAGICA: batteri
che assumono nuovi caratteri
fenotipici quando vengono
lisogenati con un profago
ricombinato (contenti geni di
origine batterica)
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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)
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Significato della lisogenia-2

ESEMPI DI CONVERSIONE FAGICA:

Modificazioni antigeniche che si riscontrano in
alcune salmonelle, shigelle ed altri batteri
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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
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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
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FATTORI 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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