Capitolo 15

La genetica dei batterie dei batteriofagi

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

http://web.unife.it/progetti/genetica/Guido/index.php?lng=it&p=4

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?

Figura 15.1

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Dove sta la variabilità intraspecifica necessaria per studiare la genetica dei batteri?

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

Figura 15.9

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Meccanismo della trasformazione

(avviene naturalmente in Bacillus subtilis)

Formazione di un tratto di DNA eteroduplex

Figura 15.2

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Un’altra forma di sessualità nei batteri:

coniugazione.

Dimostrazione della ricombinazione in E. coli.

Lederberg e Tatum (1946)

Figura 15.3

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Non compaiono cellule prototrofe: perché avvenga la coniugazione è necessario il contatto fisico fra i due ceppi

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

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NB: elica singola

NB: replicazione del DNA del plasmidio

Attraverso la coniugazione cambiano le caratteristiche sessuali del ceppo accettore

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+

Figura 15.5

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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 15.6

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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 recombinationQui: F’(lac)

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- Non c’è coniugazioneF+ x F+ Non c’è coniugazioneF+ x F- Coniugazione, F- F+, ricombinazione rara

Hfr x F- Coniugazione, a volte F- Hfr, ricombinazione frequente

Figura 15.7

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Mappatura del genoma procariote per mezzo di esperimenti di coniugazione interrotta

Hfr u+ y+ z+ AbR x F- u- y- z- AbS

Figura 15.8

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Secondo me, tutte queste frecce sono invertite

Costruzione della mappa(lunghezza totale in E. coli: 100 minuti)

Figura 15.10

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Per costruire mappe genetiche si può sfruttare anche la trasformazione, stimando le distanze fra loci dalle

frequenze di cotrasformazione.

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

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Figura 15.12

Ciclo del fago λ

Figura 15.13

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Trasduzione generalizzata fra ceppi di E. coli

Figura 15.14

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Trasduzione specializzata mediata dal fago λ

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+ aziR leu thr aziS aziR, aziS = resistente o sensibile al sodio azide

thr leu azi

Selezione per Frequenza di cotrasduzioneleu+ thr+ 0.02 aziR 0.50thr+ leu+ 0.03 aziR 0.00aziR leu+ 0.48 thr+ 0.00

Mappa genetica di E. coli

4760 genes302 essential 4455 nonessential3 unknown

Genoma di E. coli

Mappe genetiche nei batteriofagi

Il prato batterico

lisi batterica

Mappe genetiche nei batteriofagi

Il prato batterico

lisi battericastrato batterico continuo

Figura 15.17

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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 15.15

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Figura 15.16

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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

Figura 15.18

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Figura 15.19

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Figura 15.20

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Figura 15.21

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