Elementi di GENETICA DEI

MICRORGANISMI           

Caratteristiche del materiale ereditario

1. Replicazione e trasmissione alla progenie dell’informazione genetica

2. Trascrizione e traduzione dell’informazione genetica

3. Ricombinazione e mutazioni

Due catene antiparallele, complementari, disposte ad elica

STRUTTURA DEL DNA

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

DNA mRNA

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

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

Plasmide RGENI PER LA RESISTENZA BATTERICA AGLI ANTIBIOTICI

Geni per il trasferimento

FUNZIONI CONFERITE AI MICRORGANISMI DAI PLASMIDI

1. Resistenza 2. Trasferimento geni3. Metabolismo4. Antagonismo5. Interazioni tra organismi

LATTOSIO, SACCAROSIO, IDROCARBURI

BATTERIOCINE, ESOTOSSINE

FISSAZIONE AZOTO NELLE PIANTE

TRASFERIMENTO GENETICO

ORIZZONTALE

DonatoreRicevente

TRASFERIMENTO GENETICO ORIZZONTALE

CONIUGAZIONE

TRASFORMAZIONE

TRASDUZIONE

trasformazione

trasduzione

coniugazione

CONIUGAZIONEPONTE

CONIUGATIVO

DONATORE F+ RICEVENTE F-

Pili 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

CELLULE COMPETENTI

TRASFORMAZIONE NATURALE

TRASFORMAZIONE ARTIFICIALE

Esperimento di Griffith

TRASFORMAZIONE

TRASFORMAZIONE

1. Non richiede uno stretto contatto cellula-cellula

2. Utilizza DNA libero3. Tipica dei batteri del suolo4. Le cellule in grado di captare il Dna libero

vengono definite competenti5. Processo di ricombinazione

TRASDUZIONE

I virus fanno da vettori di geni

TRASPOSONIElementi genetici mobili

IS

SEQUENZE DI INSERZIONE

Tn

Trasposone

DNA bersaglio

Trascrizione

DNA mRNA

PROCESSO DI TRASCRIZIONE NEI BATTERICONFRONTO 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 fortiFattore 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

RIBOSOMIconfronto tra procarioti ed eucarioti

tRNA

AMINOACIDO-AMP + tRNA→ AMINOACILtRNA + AMP

AMINOACILSINTETASI

AMINOACIDO + ATP→ AMINOACIDO-AMP + PP

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

CAP= PROTEINA ATTIVATRICE DEL CATABOLITA

cAMP= AMP ciclico

Glucosio AMP

Operone triptofano (operone repressibile)

Operone triptofano

AttenuazioneOperone triptofano

Altre modalità di controllo dell’operone triptofano

Attenuazione

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

Eccesso di triptofano: la trascrizione dell’operone si arresta

ATTENUAZIONE

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

Assenza di triptofano: la trascrizione dell’operone va avanti

Sistemi a due componentiAltre modalità di controllo dell’espressione genica

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)