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GENETICA MICROBICA - Coggle Diagram
GENETICA MICROBICA
REGOLAZIONE
(1)
livelli di regolazione dell'espressione
- la capacità di individuare le funzionalità microbica quando analizziamo l'RNA piuttosto del DNA
- analisi delle trasformazioni a livello trascrizionale e post-trascrizionale
- i microrganismi regolano il proprio metabolismo perchè sarebbe troppo dispendioso l'espressione di tutto il corredo enzimatico di tutta l'informazione genetica contenuta nel genoma, perchè non tutte le informazioni sono essenziali
- dal punto di vista metabolico: fissazione dell'azoto è molto dispendioso, ma se si trova in ambiente ricco di azoto ammoniacale non è un vantaggio selettivo la fissazione di azoto rispetto ad un secondo organismo che non fa fissazione => vantaggio evolutivo è l'interruzione della fissazione tramite la regolazione di espressione
- regolo le funzioni solo quando queste sono necessarie
- diversi livelli di regolazione:
- trascrizioni: regolazione DNA e RNA (anch'essa con ≠ livelli, pretrascrizionali o durante la trascrizoine)
- traduzione: una volta prodotto il mRNA posso avere modificazioni promuovendo o inibendo la traduzione a livello ribosomiale
- post tradizionale: inattivando o attivando enzimi, è la regolazione che porta l'organismo nella produzione dell'enzima, ma è anche il controllo più fine
-
-
GENOMA BATTERICO
(1)
- oltre al genoma standard dei microrganismi a forma circolare e lineare, nei procarioti vi sono elementi genetici accessori, con localizzazione extracromosomiale, come i plasmidi, oppure elementi che possono essere incorporati nel genoma o nei plasmidi
- molti processi permettono la mobilitazione di questi elementi accessori fra i ≠ elementi genetici
- contenuto informativo
- cromosoma: continene geni per funzioni vitali
- elementi accessori: funzioni aggiuntive che possono conferire all'organismo vantaggi selettivi in determinate circostanze in determinati ambienti, come resistenza ad antibiotici, metabolismi accessori, geni per produzione metaboliti secondari
(2)
caratteristiche
- cromosomi circolari e/o lineari, ed essendo aploidi contengono una sola copia del materiale genetico
- dimensione del genoma varia molto (il più piccolo è con il set minimo di geni per le funzioni minime omeostatiche)
- microrganismi con genomi piccoli vivono da parassiti di altre cellule quindi possono permettersi di perdere informazione genetica le cui funzioni sono garantite dall'ospite
- c'è un costo di mantenimento del genoma, quindi finemente regolati man mano che sono più grandi
- nei procarioti la maggior parte è codificante (solo il 12 % non è codificano, contro il 98 % di quello umano)
- microrganismi molto vicini evolutivamente possono essere molto lontani per la somiglianza genetica
(3)
elementi genetici accessori
- plasmidi
- sequenze inserzione
- trasposomi
- integrino
plasmidi
- elementi accessori più vicini al cromosoma, perchè di forma circolare e dimensioni comparabili, oltre ad avere duplicazione autonoma rispetto al cromosoma
- funzioni però sono accessorie, quindi non centrali del funzionamento dell'organismo, quindi fenotipi aggiuntivi
- neuro per plasmidi per cellula può essere diverso, sia per # di ≠ plasmidi sia per numero dello stesso plasmide
- vi sono plasmidi ad alto o basso numero di copie
- varie funzioni:
- resistenza ad antibiotici o ad altri farmaci
- resistenza a metalli pesanti e composti tossici
- sintesi di enzimi della replicazione e riparazione di danni al DNA
- sintesi di antibiotici
- sintesi di feromoni e altre molecole che mediano l’interazione con altri organismi
- sintesi di enzimi catabolici;
- capacità di utilizzare composti organici naturali complessi come fonte di
carbonio ed energia
- capacità di trasformare e metabolizzare composti xenobiotici
- sintesi di fattori di patogenicità e virulenza
- sono in grado di replicare autonomamente ma può usare apparati di trascrizione della cellula ospite (del cromosoma), quindi può essere più o meno dipendente
- I sistemi di ripartizione tendono a distribuire i plasmidi replicati nelle cellule figlie in egual numero che nella cellula madre
- se ci sono plasmidi ≠ vengono replicati autonomamente, quindi equamente suddivisi in cellule figlie (da madre 2 nelle figlie 2 e 2, etc.) quindi stesso corredo plasmidico della madre
- sistema di riconoscimento per la ripartizione uguale può non riconoscere l'intera sequenza ma solo il core informativo che dice al sistema di riconoscimento che hanno lo stesso core, ma che in realtà sono diversi, allora il sistema li riconosce come uguali e li divide in maniera uguale fra le cellule figlie ma senza rispettare la proporzione fra i due plasmidi originali
- a questo processo controagisce la selezione naturale
- meccanismo di esclusione plasmidica: alcuni codificano per alcune funzioni che inibiscono l'ingresso o la funzione di plasmidi diversi
IS e trasposti
- effettuano trasposizione: queste entità genetiche cambiano posizione nel genoma, sia con processo conservativo che con elemento trasposto viene perso nel sito di origine e guadagnato in quello di trasposizione
- intramolecolare o spostarsi in un altro replicare (plasmide -> cromosoma)
- IS: sequenze di inserzione
- elementi genetici il cui unico scopo è spostarsi, geni egoisti
- piccole sequenze di DNA, la cui trasposizione non è specifica quindi possono trasporsi anche in geni inattivandoli
- elementi responsabili di molte mutazioni spontanee
- sequenze IR: sito di riconoscimento per la trasposizione, al cui interno ci sono geni per trasposizione, in particolare la trasposti,
- all'esterno due sequenze ripetute uguali ma non in verso opposto come le IR
- sequenze criptiche: elementi che non si spostano se non sono già espresse le funzioni di trasposizione nell'organismo per la presenza di altre sequenze di inserzione
- c'è specificità fra IS e gli enzimi per la trasposizione
- ≠ perchè sono presenti altri geni che non codificano per la trasposizione
- successo evolutivo del mantenimento nei genomi di sequenze geniche le IS non danno vantaggio evolutivo, invece con trasposti le funzioni accessorie che conferiscono vantaggio selettivo all'organsimo allora l'intera sequenza può avere una maggiore probabilità di essere preservata nel genoma
- hanno funzione estremamente selettiva, come resistenza antibiotici e al mercurio
- ma geni accessori possono essere trascritti solo in presenza di promotori o comunque regolatori
- possono essere semplici o compositi che hanno due sequenze di inserzione da parte ai geni accessori
- trasposti, enzima coinvolto nell'excisione del trasposone e dell'inserimento dello stesso del genoma
- trasposasi:
- riconosce e taglia in modo specifico le due estremità del trasposone
- taglia il sito bersaglio per permettere la traslocazione
integroni
- gene per l'integrasi e un sito di ricombinazione, che possono essere usati per inserire dei geni cassetta, che si frappongono e conferendo quella funzione all'integrone
- possono essere in trasposti, plasmidi o cromosoma
- può avere + geni cassetta, ed essendo a valle di un promotore ne permette anche l'espressione
- integrasi per rinascimento dell'integrane che quindi può avere inserimenti multipli di ≠ geni
- ≠ tipi: di resistenza (resistenza a antibiotici)
-
VIROLOGIA
(1)
- sono elementi genetici che si possono replicare indipendentemente da una cellula vivente
- hanno una vita obbligatoriamente intracellulare, quindi la propria moltiplicazione e replicazione genomica avviene solamente in un ospite
- cio non toglie che la particella virale viva extracellularmente e consiste nel virione
- possono infettare piante e animali e altri protozoi
virione
- forme differenti di virus e capisci, con anche simmetrie centrale o allungate, elicoidali
- capside è un involucro proteico che riconosce specificatamente il genoma virale in fase di impacchettamento
- dimensioni molto piccole
- ruoli capside:
- danni chimici fisici e enzimatici
- permette persistenza del virus in ambiente extracellulare
- nei fagi batterici capside rimane esterno
- essenziale per interazione con cellula ospite nella prima fase di infezione
- envelope:
- parte delle membrana della cellula ospite
- è la guaina che ricopre il capside
- possono essere molto differenziate
- glicoproteine che mediano il processo di infezione
genoma virale
- nel capside, insieme a pp e enzimi prodotti dalla cellula infettata e catturati dal virione
- pp virali perchè sia infezione che processo di replicazione del genoma virale molte volte necessita di pp virali specifiche non presenti nell'ospite (come virus a RNA hanno bisogno di RNA polimerasi che non sono presenti come info genetica nei batteri, come anche retrotrascrittasi per i retrovirus)
- vi sono diverse dimensioni in base all'entità che devono infettare, solo megavirus hanno genomi superiori ad altri procarioti
- genomi a DNA e a RNA: unici che hanno genoma a RNA, il flusso è comunque quello noto per gli organismi
- genomi virali possono essere ≠ in quanto possono essere a singolo o doppio filamento, ma in ogni caso si deve avere un mRNA che è stampo delle pp ed enzimi propri del ciclo virale
- per meccanismo di trascrizione e replicazione saranno delle cellule ospiti, o al massino per pochi enzimi specifici che sono tra l'altro già all'interno del capside
- quali molecole durante il ciclo di replicazioni sono presenti nei virus?
- sette classi di cui alcuni a DNA e altri a RNA
- segno + o - se puo essere subito tradotto il suo RNA, uguale per DNA in quanto + se è il filamento tradotto - se è quello complementare
- classe 2 virus a DNA a singolo filamento di conseguenza devono sintetizzare l'mRNA messaggero
- virus a classe 3 hanno RNA a doppio filamento
- classe 4 RNA singolo filamento +, mentre classe 5 sono RNA -
- classe 6 sono retrovirus che operano retrotrascrizione
ciclo replicativo
- prima fase consiste nel riconoscimento e assorbimento alla superficie cellulare dell'ospite: legame specifico recettore-pp virali del capside
- una volta che si instaura il legame deve avvenire la penetrazione nella cellula, due modalità:
- virus vegetali e animali intero capside entra, con meccanismi attivi per la cellula ospite
- capside non entra, solo il genoma
- inizia replicazione del genoma virale (tardivi, progressi etc. per la velocità) e quindi blocco del metabolismo della cellula ospite con ≠ strategie (principalmente inibizione della trascrizione dei geni dell'ospite promuovendo la propria trascrizione)
- la lunghezza del ciclo sono ≠, in organismi superiori anche giorni, in batteri minuti
- fuoriuscita del vibrione con integrazione anche dei parte della membrana dell'ospite, quindi struttura definitiva che lo porta ad iniziare un nuovo ciclo di infezione
trascrizione e duplicazione dei genomi virali a DNA
- genoma virale entra deve esprimere i propri geni virali e replicare il proprio genoma per poterlo rincapsulare
- classe 1: più semplici, sfruttano unicamente l'apparato trascrizionale della cellula ospite, genoma stessa tipologia dell'ospite quindi possono usare la una poimerasi dell'ospite e usare gli stessi ribosomi, come anche l'apparato replicato del DNA dell'ospite
- classe 2: a DNA ma singolo, + o -, in entrambi i casi per usare le polimeri dell'ospite la molecola stampo deve essere doppio filemtento, infittiranno enzima che stimola la creazione del DNA a doppio filamento per poi essere trascritto e replicato (pp, DNA, etc.)
- classe 7: hanno retrotrascrittasi perché la replicazione a genoma diretto passa per intermedio a RNA con enzima che proviene dal capisce che è la retrotrascrittasi che prevede una trascrizione del DNA a RNA e quindi una retrotrascrizione a DNA a singolo filamento,
- nei virus a RNA quindi questi devono necessariamente portare con se RNA polimerasi specifiche virali
- replicazione del singolo filamento RNA + viene riconvertito a - e successivamente risentitazzoto il mRNA
- classe 5: RNA nel filamento opposto quindi il genoma deve essere replicato per la traduzione
- classe 6: retrovirus che usano trascrittasi inversa
batteriofagi
- virus in ambiente marino a controllare la produttività degli altri microrganismi
- ruolo di attenuazione della crescita batterica
- implicati anche nel trasferimento genico orizzontale
- hanno una testa ed una coda: testa a simmetria centrale isocaedrica con genoma virale che normalmente è a DNA doppio filamento, in alcnui casi a RNA, coda in vece strittira allungata con spire e fimbrie
- coda è il sito di aggancio all'ospite ed implicata nel processo di iniezione
- primi ad essere studiati per la facilità di impiego e analisi degli effetti sulla cellula ospite
- quantificazione con saggio di placca:
- in quanto devo farla in associazione della popolazione batterica, quantifico l'abbondanza con indicatore di una popolazione di batteri sensibili a quel virus
- mischio una sospensione vitale con un indicatore in agar e li piastro in modo da avere colture di colonie in convergenza e conto dove non c'è stata la crescita batterica, perchè è dove è avvenuto il ciclo litico virale
- effettuo sempre le diluizioni seriali e uso numero di virus come UFP: unità formanti placca
- i virus non sono osservabili ad un microscopio ottico, solo con l'elettronico è possibile
ciclo vitale:
- alcuni virus dei batteri temperati hanno due interazioni alternative con l'ospite: lisogeno e litico
FAGO T4:
- è in grado di effettuare solamente il ciclo lisogeno
- le cellule ospiti sono i gram -
- genoma molto piccolo
- struttura con capside isododecaedrico e coda che permette il legame con l'accettore
- controlla accuratamente la trascrizione e traduzione nell'ospite a favore del fago
- controllo ciclo temporale ciclo lititco:
- geni precoci: proteine di reputazione del DNA del fago
- geni tardivi: proteine che producono il capside virale e le pp d assemblametno e di lisi della cellula batterica
difese batteriche all'infezione fagica
- batteriologi: pressione selettiva su popolazioni batteriche
- evoluzione dei sistemi di difesa da infezione da DNA esogeno:
- restrizione e modificazione
- difesa sia da genoma virale che batterico estraneo
- usa enzimi di modificazione che agiscono sul DNA genomico del microrganismo modificandone alcune basi e ad ogni replicazione avviene una metilazione nell'elica neosintetizzata, propagando così epigeneticamente la modificazione
- enzimi di restrizione su DNA non modificato effettuano il taglio con estremità piatte o coesive del DNA esogeno, quindi il DNA esogeno viene distrutto
- sistema senza memoria, quindi non gli rimangono le infezioni pregresse
- CRISPR:
- permette all'organismo di imparare da recenti infezioni per combattere futuri infezioni della stessa tipologia di materiale genetico
- regioni CRISPR intervallate dalle sequenze spaziatori uniche
- gli spacer corrispondono alle sequenze geniche dei fagi o DNA esogeno e forniscono la specificità di azione contro infezioni dallo stesso materiale genomico
- a monte di ogni CRISPR ho un promotore e i geni dell'enzima cas9, cioè apparato di proteine con ≠ funzioni
- fase di acquisizione: nuove sequenze spaziatori possono essere acquisite per ampliare lo spettro dell'azione del sistema, Cas1 e Cas2 mediano l’inserzione di un breve tratto di DNA esogeno ( protospaziatore ) (fagi o plasmidi), che diviene un nuovo spaziatore tra due sequenze ripetutee
- fase di espressione: regione CRISPR viene trascritta in lungo RNA contenente sia sequenze spaziatrici che le corte ripetute palindromiche e l'intervento di cas taglia a livello di ciascuna sequenza spaziatrice più tratto delle sequenze palindromiche crRNA
- fase di interferenza: appaiamento degli spaziatori dei crRNA con i protospaziatori complementari del DNA esogeno, mediato da pp cas e il taglio è effettuato e degradato DNA esogeno con delle endonucleasi
- queste informazioni vengono poi ereditate dalla progenie