Avete mai sentito parlare di trasferimento genico orizzontale? Questa espressione significa che i caratteri coinvolti non sono trasferiti in modo ereditario da una generazione all'altra , ma provengono da individui non correlati o a specie differenti.
I batteri possono trasferire geni da un ceppo ad un altro attraverso tre meccanismi differenti, noti rispettivamente come trasformazione, coniugazione e trasduzione.
Questi meccanismi di trasferimento genico sono accomunati dalla presenza di un donatore, l'organismo che fornisce il materiale genetico che sarà trasferito e da un ricevente il quale ovviamente riceverà il materiale genetico dal donatore. I batteri che fungono da riceventi, a seconda del meccanismo di trasferimento genico che subiscono sono chiamati rispettivamente: trasformanti, ex-coniuganti, trasduttanti.
La trasformazione.
Questo processo è unidirezionale, va solo dal donatore al ricevente, inoltre la maggior parte dei riceventi riceve solo una piccola percentuale del DNA del donatore.
Vi sono molte specie batteriche che vanno incontro ad una trasformazione naturale, tra cui lo Streptococcus pneuomoniae, Neisseria gonorrhoeae agente eziologico della gonorrea ecc...
Questo fenomeno rappresenta la captazione da parte di una cellula di una molecola di DNA nudo dal mezzo circostante e la sua incorporazione all'interno del ricevente.
Il processo è del tutto casuale e la porzione qualsiasi di un genoma può essere trasferita tra procarioti.
Quando i batteri vanno incontro a lisi lasciano una grande quantità di materiale genomico nell'ambiente esterno, frammenti di dimensioni diverse che possono a seconda dei casi contenere svariati geni, se uno di questi frammenti si pone in contatto con una cellula definita competente (la cellula ricevente) cioè una cellula in grado di poter integrare il materiale genomico, tale frammento potrà essere trasportato all'interno della cellula e integrato nel suo genoma. Non tutte le cellule procariote vanno incontro a questo processo, non tutte sono competenti; ciò che rende una cellula competente sono un insieme di fattori particolarmente complessi e per far si che una cellula competente possa assumere DNA attraverso questo processo vi è bisogno che si verifichino specifiche condizioni, ad esempio il batterio che funge da ricevente deve trovarsi in un determinato stadio di crescita.
Quando tali microrganismi hanno raggiunto lo stadio di crescita adeguato producono specifiche proteine che vengono definite fattori di competenza fondamentali per la produzione di altre molecole proteiche richieste per la trasformazione. La trasformazione che avviene per via naturale è stata osservata solo in poche specie gram-negative e gram positive.
Il meccanismo della trasformazione è stato ampiamente studiato nello S.pneumoniae, Un frammento di DNA a doppio filamento grande abbastanza si lega ad una cellule competente, il processo è casuale e i frammenti donatori competono fra di loro, poi il DNA è scisso dalle endonucleasi in porzioni a doppio filamento di dimensioni comprese tra 5 e 15 chilobasi. La captazione richiede una spesa energetica non indifferente, un frammento viene idrolizzato da esonucleasi, associata all'involucro nel corso della captazione, mentre l'altro si unisce a piccole proteine e si sposta attraverso la membrana plasmatica. Il frammento a singolo filamento può quindi allinearsi ad una regione omologa del genoma e venire integrato.
In una coltura di laboratorio il numero di batteri competenti dipenderà dalle condizioni di crescita, in genere le cellule che mostrano la maggiore probabilità di essere competenti sono quelle in attiva divisione cellulare. Queste cellule si vengono a trovare nel periodo di crescita esponenziale avvicinandosi alla regione di plateu, momento nel quale i nutrienti fondamentali ai microrganismi iniziano ad essere limitanti per la crescita.
La trasformazione è un meccanismo utilizzato ampiamente per la mappatura genica. Le molecole di DNA estratte dallo Streptococcus si rompono in circa 50 frammenti, quindi ciascun frammento di DNA rappresenta circa il 2% del genoma.
I batteri possono trasferire geni da un ceppo ad un altro attraverso tre meccanismi differenti, noti rispettivamente come trasformazione, coniugazione e trasduzione.
Questi meccanismi di trasferimento genico sono accomunati dalla presenza di un donatore, l'organismo che fornisce il materiale genetico che sarà trasferito e da un ricevente il quale ovviamente riceverà il materiale genetico dal donatore. I batteri che fungono da riceventi, a seconda del meccanismo di trasferimento genico che subiscono sono chiamati rispettivamente: trasformanti, ex-coniuganti, trasduttanti.
La trasformazione.
Questo processo è unidirezionale, va solo dal donatore al ricevente, inoltre la maggior parte dei riceventi riceve solo una piccola percentuale del DNA del donatore.
Vi sono molte specie batteriche che vanno incontro ad una trasformazione naturale, tra cui lo Streptococcus pneuomoniae, Neisseria gonorrhoeae agente eziologico della gonorrea ecc...
Questo fenomeno rappresenta la captazione da parte di una cellula di una molecola di DNA nudo dal mezzo circostante e la sua incorporazione all'interno del ricevente.
Il processo è del tutto casuale e la porzione qualsiasi di un genoma può essere trasferita tra procarioti.
Quando i batteri vanno incontro a lisi lasciano una grande quantità di materiale genomico nell'ambiente esterno, frammenti di dimensioni diverse che possono a seconda dei casi contenere svariati geni, se uno di questi frammenti si pone in contatto con una cellula definita competente (la cellula ricevente) cioè una cellula in grado di poter integrare il materiale genomico, tale frammento potrà essere trasportato all'interno della cellula e integrato nel suo genoma. Non tutte le cellule procariote vanno incontro a questo processo, non tutte sono competenti; ciò che rende una cellula competente sono un insieme di fattori particolarmente complessi e per far si che una cellula competente possa assumere DNA attraverso questo processo vi è bisogno che si verifichino specifiche condizioni, ad esempio il batterio che funge da ricevente deve trovarsi in un determinato stadio di crescita.
Quando tali microrganismi hanno raggiunto lo stadio di crescita adeguato producono specifiche proteine che vengono definite fattori di competenza fondamentali per la produzione di altre molecole proteiche richieste per la trasformazione. La trasformazione che avviene per via naturale è stata osservata solo in poche specie gram-negative e gram positive.
Il meccanismo della trasformazione è stato ampiamente studiato nello S.pneumoniae, Un frammento di DNA a doppio filamento grande abbastanza si lega ad una cellule competente, il processo è casuale e i frammenti donatori competono fra di loro, poi il DNA è scisso dalle endonucleasi in porzioni a doppio filamento di dimensioni comprese tra 5 e 15 chilobasi. La captazione richiede una spesa energetica non indifferente, un frammento viene idrolizzato da esonucleasi, associata all'involucro nel corso della captazione, mentre l'altro si unisce a piccole proteine e si sposta attraverso la membrana plasmatica. Il frammento a singolo filamento può quindi allinearsi ad una regione omologa del genoma e venire integrato.
In una coltura di laboratorio il numero di batteri competenti dipenderà dalle condizioni di crescita, in genere le cellule che mostrano la maggiore probabilità di essere competenti sono quelle in attiva divisione cellulare. Queste cellule si vengono a trovare nel periodo di crescita esponenziale avvicinandosi alla regione di plateu, momento nel quale i nutrienti fondamentali ai microrganismi iniziano ad essere limitanti per la crescita.
La trasformazione è un meccanismo utilizzato ampiamente per la mappatura genica. Le molecole di DNA estratte dallo Streptococcus si rompono in circa 50 frammenti, quindi ciascun frammento di DNA rappresenta circa il 2% del genoma.
Negli esperimenti di mappatura genica che utilizza la trasformazione , due geni vengono definiti associati se si trovano sullo stesso frammento di DNA.
In questo caso dobbiamo sottolineare che non si deve parlare di associazione allo stesso modo di quando ci riferiamo agli eucarioti, in cui tutti i geni che manifestano una percentuale inferiore al 50% di ricombinazione sono definiti come associati.
Se due geni di nostro interesse saranno associati tra di loro si troveranno molto frequentemente sullo stesso frammento di DNA e le cellule avranno una elevata possibilità di essere co-trasformate da essi, se invece tali geni sono distanti, tanto più sarà bassa la possibilità che essi si trovino sullo stesso frammento genico.
Esempio:
Si vuole determinare se due geni sono tra di loro associati, vengono usate tre diverse classi di molecole donatrici di DNA: a+b-; a-b+; a+b+. Le cellule riceventi sono caratterizzate dall'essere tutte a-b-.
In diversi esperimenti sono utilizzate quantità decrescente di molecole di DNA donatrici a+b- e a-b+ per dimostrare la frequenza di trasformazione singola di a-b- ; a+b- e a-b+. In teoria la frequenza di trasformanti dovrebbe diminuire al decrescere della concentrazione di DNA del donatore.
La frequenza della doppia trasformazione a-b- verso a+b+ utilizzando il DNA del donatore a+b+ viene poi determinata come funzione della concentrazione decrescente di DNA.
Se i due geni sono strettamente associati tra di loro, quindi se si vengono a trovare con una frequenza elevata sullo stesso frammento del DNA sarà attesa una curva con lo stesso andamento della singola trasformazione, in quanto la doppia trasformazione come quella singola richiede l'incorporazione di un singolo frammento di DNA.
Se i due geni sono molto distanti tra di loro, e quindi non avranno una elevata probabilità di essere presenti sullo stesso frammento di DNA, la doppia trasformazione può avvenire solo se due frammenti distinti di DNA entrano all'interno della cellula che funge da ricevente e avvengono due eventi distinti di ricombinazione.
Quindi se la concentrazione del DNA diminuisce di dieci volte, la frequenza di doppia trasformazione deve diminuire di cento volte.
Ad esempio se la concentrazione di DNA diminuisce da 1,0 a 0,1 unità per ml, la frequenza di singola trasformazione diminuisce di dieci volte, da 1,0 a 0,1 cellule per unità di volume; la frequenza di doppia trasformazione per due geni su due frammenti differenti scende a 0,1x0,1=0,01 cellule per unità di volume, un calo di cento volte.
Quindi analizzando le frequenze di singola e doppia trasformazione esclusivamente come funzioni della diminuzione della concentrazione di DNA si può individuare con sicurezza l'associazione.
Altro esempio: in un batterio trasformato, vogliamo stabilire l'ordine dei geni, si estrae il DNA da batteri donatori, il DNA si frammenta, su ognuno di questi frammenti ci saranno i geni di nostro interesse, come può essere notato nell'immagine nei genotipi dei trasformanti non troviamo mai il gene a ed il gene c, segno che sono i più distanti quindi il gene b è al centro.
Se due geni di nostro interesse saranno associati tra di loro si troveranno molto frequentemente sullo stesso frammento di DNA e le cellule avranno una elevata possibilità di essere co-trasformate da essi, se invece tali geni sono distanti, tanto più sarà bassa la possibilità che essi si trovino sullo stesso frammento genico.
Esempio:
Si vuole determinare se due geni sono tra di loro associati, vengono usate tre diverse classi di molecole donatrici di DNA: a+b-; a-b+; a+b+. Le cellule riceventi sono caratterizzate dall'essere tutte a-b-.
In diversi esperimenti sono utilizzate quantità decrescente di molecole di DNA donatrici a+b- e a-b+ per dimostrare la frequenza di trasformazione singola di a-b- ; a+b- e a-b+. In teoria la frequenza di trasformanti dovrebbe diminuire al decrescere della concentrazione di DNA del donatore.
La frequenza della doppia trasformazione a-b- verso a+b+ utilizzando il DNA del donatore a+b+ viene poi determinata come funzione della concentrazione decrescente di DNA.
Se i due geni sono strettamente associati tra di loro, quindi se si vengono a trovare con una frequenza elevata sullo stesso frammento del DNA sarà attesa una curva con lo stesso andamento della singola trasformazione, in quanto la doppia trasformazione come quella singola richiede l'incorporazione di un singolo frammento di DNA.
Se i due geni sono molto distanti tra di loro, e quindi non avranno una elevata probabilità di essere presenti sullo stesso frammento di DNA, la doppia trasformazione può avvenire solo se due frammenti distinti di DNA entrano all'interno della cellula che funge da ricevente e avvengono due eventi distinti di ricombinazione.
Quindi se la concentrazione del DNA diminuisce di dieci volte, la frequenza di doppia trasformazione deve diminuire di cento volte.
Ad esempio se la concentrazione di DNA diminuisce da 1,0 a 0,1 unità per ml, la frequenza di singola trasformazione diminuisce di dieci volte, da 1,0 a 0,1 cellule per unità di volume; la frequenza di doppia trasformazione per due geni su due frammenti differenti scende a 0,1x0,1=0,01 cellule per unità di volume, un calo di cento volte.
Quindi analizzando le frequenze di singola e doppia trasformazione esclusivamente come funzioni della diminuzione della concentrazione di DNA si può individuare con sicurezza l'associazione.
Altro esempio: in un batterio trasformato, vogliamo stabilire l'ordine dei geni, si estrae il DNA da batteri donatori, il DNA si frammenta, su ognuno di questi frammenti ci saranno i geni di nostro interesse, come può essere notato nell'immagine nei genotipi dei trasformanti non troviamo mai il gene a ed il gene c, segno che sono i più distanti quindi il gene b è al centro.
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