Genetica dei microrganismi

Un virus è fondamentalmente

un aggregato di molecole organiche,

costituito da una molecola di acido nucleico

DNA o RNA, racchiusa in un involucro detto capside,

formato da proteine.

I Virus

Non sono organismi completamente indipendenti,

perchè per funzionare e moltiplicarsi devono

sfruttare gli apparati biosintetici delle cellule.

Alcuni virus, dopo essersi legati ai recettori, entrano interamente

nelle cellule, altri iniettano semplicemente il proprio acido

nucleico mentre il capside rimane ancorato alla superficie cellulare.

Infezione della cellula ospite e moltiplicazione dei virus

I virus sono altamente specifici, infettano solo

le cellule che possiedono sulla superficie determinati recettori

Deve replicare il proprio genoma,

produrre i suoi elementi costitutivi,

autoassemblarsi.

Il meccanismo di replicazione del genoma dipende

dal tipo di acido nucleico posseduto dal virus.

Cosa deve fare il virus una volta entrato nella cellula?

Virus a DNA

il DNA virale viene duplicato normalmente,

la trascrizione verrà effettuata dall’apparato della cellula

(RNA polimerasi t-RNA aminoacidi etc tutto della cellula)

sulla base del DNA virale

Virus a RNA:

la situazione è più complessa, alcuni virus contengono

oltre al filamento di RNA anche un enzima la RNA replicasi

che duplica l’RNA.

Nei Retrovirus un enzima, la trascrittasi inversa*,

sintetizza un solo filamento di DNA, (cDNA), dall’RNA virale

La trascrittasi inversa è contenuta nel capside

e penetra nella cellula assieme all’acido nucleico

*(perchè procede nella direzione inversa, RNADNA,

a quella della normale trascrizione, DNARNA)

La trascrittasi inversa

sintetizza il monofilamento di cDNA all’interno della cellula,

successivamente questo filamento di cDNA fa da stampo

per la sintesi di un filamento di DNA complementare,

formando una doppia elica di cDNA.

Questa doppia elica si integra nel genoma della cellula ospite

e viene trascritta sia in m-RNA che in molecole di RNA virale

che formeranno il genoma di nuovi virus

alla codificazione degli enzimi necessari

per replicare il genoma virale stesso,

per sintetizzare i costituenti del capside e

gli enzimi necessari all’uscita delle nuove particelle virali

dalla cellula ospite.

I costituenti virali si autoassemblano,

le proteine del capside si associano spontaneamente

a costituire l’involucro esterno del virus,

racchiudendo all’interno enzimi e genoma

Poiché lo spazio all’interno del capside è limitato

il genoma virale contiene solo i geni essenziali

I virus completi possono uscire massicciamente dalla cellula,

distruggendola, oppure possono essere espulsi gradualmente

con un processo di Esocitosi, senza uccidere la cellula ospite.

Proteine del capside

Genoma virale

Proteine transmembranadel rivestimento virale

Gemmazione di nuovi virus

Assemblaggio del capside attorno al genoma

Alcuni batteriofagi (virus che infettano i batteri)

dopo essere penetrati nella cellula ospite possono seguire

due tipi di ciclo vitale:

Ciclo Lisogeno, Ciclo Litico

Il ciclo litico

è il normale ciclo riproduttivo virale,

porta alla lisi della cellula batterica

ed alla liberazione

di nuove particelle virali

Genoma batterico

Batterio

Fago

Infezione

Genoma virale all’interno del batterio

Replicazione del genoma virale e delle proteine virali

Assemblaggio dei Fagi

Uscita dei Fagi e Lisi cellulare

Il ciclo lisogenico: il batteriofago integra il suo genoma in quello della cellula ospite. Il DNA fagico si replica assieme a quello batterico,e, sempre rimanendo integrato ad esso, si diffonde in modo silente.

Il virus non interferisce in alcun modo col ciclo vitale del batterio,la forma del virus integrata nel genoma batterico è detta Profago. I batteri che portano il virus integrato nel proprio DNA sono detti batteri lisogeni.

Il profago può rimanere integrato nel DNA batterico per molto tempo, fino a quando un evento esterno, come raggi UV o sostanze mutagene, ne inducono la escissione dal genoma batterico e l’entrata nel ciclo litico.

BatterioGenomabatterico

Fago

Infezione

Genoma virale nellacellula batterica

Integrazione del genoma virale in quello batterico

Diffusione del genoma virale integrato in quello batterico

Diffusione del genoma virale integrato in quello batterico

Virus degli EucariotiAnche alcuni virus eucariotici

possono integrarsi nel genoma della cellula ospite,

la forma del virus integrata è detta provirus.

Possono diventare provirus virus a DNA e virus a RNA

che hanno prodotto un cDNA in grado di integrarsi.

Anche in questo caso possiamo trovare cicli litici e lisogeni,

inoltre il provirus, inserendosi nel genoma,

può provocare mutazioni.

Il virus dell’HIV, responsabile dell’AIDS, è un virus a RNA.

Genetica batterica

I batteri si dividono per scissione binaria.

Un batterio, dopo aver duplicato il suo patrimonio genetico,

si divide in due cellule figlie.

Questo meccanismo di divisione non richiede la fusione

di due cellule genitori per la creazione di una cellula figlia

non c’è quindi mescolamento di genomi diversi,

è una semplice scissione binaria asessuata.

La Trasformazione:

si ha trasformazione quando un frammento di DNA

di un batterio A viene assorbito da un altro batterio B e

si integra nel genoma di quest’ultimo, rendendo il batterio B

geneticamente diverso rispetto a prima.

Tuttavia anche nei batteri esistono meccanismi

che permettono di scambiare una certa quantità di geni,

aumentando la variabilità genetica della popolazione.

Questi meccanismi sono 3:

la Trasformazione, la Trasduzione, la Coniugazione.

Trasduzione: si ha traduzione quando pezzi di DNA batterico

vengono incorporati nel capside del fago in via di assemblaggio

e iniettati in altri batteri contestualmente al DNA fagico.

Esistono 2 tipi di traduzione, generalizzata e specializzata.

Traduzione generalizzata:

il pezzo di DNA incorporato nel capside fagico

è un pezzo qualsiasi del genoma batterico.

Traduzione specializzata:il pezzo di DNA incorporato nel capside fagico

è un tratto di DNA batterico adiacente al punto

in cui si è inserito il DNA fagico (profago).

Quando il DNA del profago si escinde da quello batterico,

l’escissione può non essere perfetta,

il DNA del profago può portarsi dietro anche

un pezzo di DNA batterico.

I plasmidi:- contengono pochi geni, utili ma non indispensabili, alla vita del batterio (come geni per la resistenza agli antibiotici).- si duplicano autonomamente rispetto al cromosoma batterico ed alcuni di essi possono integrarsi nel cromosoma batterico. - possono essere trasferiti da una cellula batterica all’altra.

Plasmidi e ConiugazioneMolti batteri, oltre al DNA cromosomico,

hanno un altro tipo di piccole molecole di DNA circolare,

i Plasmidi

Tra i tipi di plasmidi oggi noti ci sono:

- i plasmidi R,

che portano geni che conferiscono resistenza agli antibiotici

- il plasmide F,

plasmide della fertilità nel batterio Escherichia coli.

Il plasmide F

è coinvolto in un processo detto Coniugazione

si forma un ponte citoplasmatico tra 2 batteri,

quello che porta il plasmide F ed è definito batterio F+,

e quello che non possiede questo plasmide, batterio F-

Durante la coniugazione il plasmide F,

dopo essersi duplicato,

passa attraverso un ponte citoplasmatico

dalla cellula F+ alla cellula F-, trasformandola in F+.

Coniugazione

F

FF

F

Batterio F+

Il batterio duplica il plasmide F e si Coniuga con un batterio F-

Batterio F-

Trasformandolo in batterio F+

Il plasmide F può anche integrarsi nel cromosoma batterico,

il batterio in cui si verifica questa integrazione è detto batterio Hfr

FBatterio F+ Batterio Hfr

a

b

c

F

Nel batterio Hfr sono stati evidenziati 3 geni a, b e c

Anche i batteri Hfr vanno in contro a coniugazione, avendo il plasmide F integrato nel cromosoma, oltre a trasferire il plasmide trasferiscono anche qualche gene batterico contiguo all’inserzione del plasmide.

Anche i plasmidi R possono essere trasferiti da cellula a cellula nei processi di coniugazione, oppure possono

entrare nella cellula anche attraverso il proceso di trasformazione

Batterio Hfr

a

b

c

F

Batterio F-

A

B

C

a

B

C

F