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Genetica battericaGenetica batterica
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Materiale genetico presente nella cellula batterica
Cromosoma battericoCromosoma batterico
PlasmidiPlasmidi
Elementi genetici trasponibiliElementi genetici trasponibili
DNA fagicoDNA 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 burgdorferisingle-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)Sequenze di Inserzione (IS)
Trasposoni (Tn)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
– Importance
• Mutation
•Plasmid insertion
•Phase variation
TransposaseABCDEFG GFEDCBA
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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
• resistenza antibiotici
• Fattori di virulenza
IS ISResistance Gene(s)
IS ISToxicity Gene(s)
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•Elementi InvertibiliElementi 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
TRASFORMAZIONETRASFORMAZIONE
CONIUGAZIONECONIUGAZIONE
TRASDUZIONETRASDUZIONE
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TrasformazioneTrasformazione:
acquisizione di
nuovi marcatori
genetici attraverso
l’incorporazione di
DNA esogeno
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•TRASFORMAZIONETRASFORMAZIONE•filmatofilmato
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•Punti chiave Punti chiave della della
TrasformazioneTrasformazione
•A
•B
•Il batterio ricevente è un batterio competente
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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
•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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Trasferiment
o genetico
del plasmide
F tramite
coniugazione
•OriT = origine del trasferimento
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•CONIUGAZIONECONIUGAZIONE•filmatofilmato
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Formazione di una cellula F+
DNA transfer Origin of
transfer Rolling circle
replication
• Pair formation
– Conjugation bridge
F+ F- F+ F-
F+ F+F+ F+
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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 CONIUGAZIONE di di HfrHfr
•filmatofilmato
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•Punti chiave della coniugazion
e
•Punti chiave della coniugazion
e
•1
•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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•TRASDUZIONE: ricombinazione
genetica attraverso un’infezione fagica
•FAGO: virus batterico
•FAGO: virus batterico
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Struttura e composizione del fago
Composition Nucleic acid
Genome size Modified bases
Protein Protection Infection
Structure (T4) Size Head or capsid Tail
Coda
Fibre della coda
Piastra basale
Capside o Testa
Sistema contrattile
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•TRASDUZIONETRASDUZIONE•filmatofilmato
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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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Infezione
lisogena di
un batterio
con un fago
temperato
•IMMUNITA’ FAGICA:
durante lo stato lisogeno
la cellula batterica e’
immune da infezioni di
altri fagi dello stesso tipo
del fago integrato
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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
Release of phage
• Phage replication and degradation of host DNA Assembly of phages particles
Infection of recipient Legitimate recombination
• Infection of Donor
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Trasduzione
• Specializzata (associata al ciclo
lisogeno) trasduzione nella quale specifici
geni batterici sono trasferiti
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Infezione
lisogena di un
batterio con un
fago temperato
•Punti chiave:•D: escissione del
profago•G: formazione di particelle infettanti
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Trasduzione specializzata:
Excision of the prophage
gal
bio
gal bio
gal bio
gal
bio
bio
gal
Replication and release of phage
Infection of the recipient
Lysogenization of the recipient Legitimate
recombination also possible
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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: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 PAIFATTORI 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)