La genetica batterica:
Trasformazone, Coniugazione e Trasduzione
Prof. Renato Fani
Lab. di Evoluzione Microbica e Molecolare
Dip.to di Biologia Evoluzionistica,Via Romana 17-19,
Università di Firenze,
50125 Firenze
Tel 055 2288244
Email [email protected]
Website: www.unifi.it/dblemm
Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A
Domande 14
• In che modo si è dimostrato che nei procarioti
avviene ricombinazione?
• In che modo i procarioti possono scambiarsi
materiale genetico?
• Com’è fatta una mappa genetica in un procariote?
• Cosa determina la polarità sessuale nei batteri?
• Come intervengono i fagi nella ricombinazione
batterica?
Dove sta la variabilità intraspecifica necessaria per
studiare la genetica dei batteri?
Figura 15.1
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Mutanti nutrizionali
•Terreno minimo: una fonte di C organico, sali
minerali
•Terreno completo: terreno minimo + vitamine,
tutti i nucleotidi e tutti gli amminoacidi
•Prototrofo: ceppo capace di crescere su terreno
minimo
•Auxotrofo: ceppo che per crescere richiede uno
o più amminoacidi e proteine, in aggiunta al
terreno minimo
Es. di genotipo: gly+ gua+ ile- adeNon ha bisogno di glicina e guanina, ma cresce solo in presenza di
isoleucina e adenina
Conosciamo una forma di scambio genetico
(sessualità) nei batteri: trasformazione
Ceppi di pneumococco IIS trasformano ceppi IIIR
Meccanismo della
trasformazione
(avviene naturalmente in Bacillus subtilis)
Formazione di un tratto di DNA eteroduplex
Figura 15.9
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Un’altra forma di
sessualità nei batteri:
coniugazione.
Dimostrazione della
ricombinazione in E. coli.
Lederberg e Tatum (1946)
Figura 15.2
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Non compaiono
cellule prototrofe:
perché avvenga la
coniugazione è
necessario il
contatto fisico fra i
due ceppi
Figura 15.3
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Fattore F,
ceppi F+ ed F-
Un ceppo può trasferire parte del suo DNA (ceppo
donatore, F+) se è dotato di un plasmide: fattore F. I
ceppi che ne sono privi sono ceppi accettori, F-.
Il fattore F contiene i geni per la
formazione di un pilo.
FF+
Figura 15.4
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NB: elica singola
NB: replicazione del
DNA del plasmidio
Attraverso la coniugazione cambiano le
caratteristiche sessuali del ceppo accettore
Attraverso la coniugazione cambiano le
caratteristiche sessuali del ceppo accettore
Alcuni ceppi F+ trasferiscono, insieme al fattore di
sessualità, uno o pochi geni che possono dare luogo a
ricombinazione
F+ lac+
F+ lac+
F+ lac+
F- lac-
F- lac-
F+ lac+
Come viene trasferito il materiale genetico durante la coniugazione in E. coli
I ceppi F+ contengono un
fattore F in forma di
plasimidio, gli Hfr lo
portano integrato nel
cromosoma
Figura 15.5
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La ricombinazione avviene se,
occasionalmente, il fattore F ha
incorporato per crossing-over alcuni
dei geni del cromosoma del ceppo
donatore: ceppi lfr, low frequency of
recombination
Qui: F’(lac)
Figura 15.6
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Altri ceppi F+ trasferiscono molti geni che danno luogo a
ricombinazione, generalmente senza che venga trasferito il
fattore di sessualità
F+
trp+lac+
F+
trp+lac+
F+
trp+lac+
Ftrp-lac-
Ftrp-lac-
Ftrp+lac+
Ceppi Hfr: High
Frequency of
Recombination
Ceppi in cui il fattore F è integrato nel
cromosoma sono ceppi Hfr
(high frequency of recombination)
Segue ricombinazione fra il cromosoma Hfr e quello F-
Ricombinazione in Hfr x F-
Nella coniugazione fra Hfr ed F-, il
fattore F è trasferito per ultimo
Si può utilizzare questa particolarità per la mappatura genetica
Ricapitolando:
F- x FF+ x F+
F+ x F-
Non c’è coniugazione
Non c’è coniugazione
Coniugazione, F-  F+, ricombinazione rara
Hfr x F- Coniugazione, a volte F-  Hfr, ricombinazione
frequente
Mappatura del
genoma procariote per
mezzo di esperimenti
di coniugazione
interrotta
Hfr u+ y+ z+ AbR x F- u- y- z- AbS
Figura 15.7
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Costruzione della mappa
(lunghezza totale in E. coli:
100 minuti)
Figura 15.8
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Per costruire mappe genetiche si può sfruttare anche
la trasformazione, stimando le distanze fra loci dalle
frequenze di cotrasformazione.
Figura 15.10
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Ciclo dei batteriofagi o fagi
I ceppi batterici sono soggetti a infezione da parte di specifici fagi:
Per Escherichia coli: T2, T4, T6 e λ
Ciclo litico o lisogenico dei batteriofagi
profago
Ciclo del fago λ
Figura 15.12
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Trasduzione
generalizzata
fra ceppi di E.
coli
Figura 15.13
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Trasduzione
specializzata
mediata dal fago λ
Figura 15.14
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Trasduzione: trasferimento di
DNA fra batteri, mediato da fagi
Mappatura di geni in E. coli sulla base della frequenza di cotrasduzione
Due loci vengono trasdotti insieme solo se sono molto vicini
leu+ thr+ aziR 
leu thr aziS
Selezione per
leu+
thr+
aziR
aziR, aziS = resistente o sensibile al sodio azide
Frequenza di cotrasduzione
thr+ 0.02
aziR 0.50
leu+ 0.03
aziR 0.00
leu+ 0.48
thr+ 0.00
thr
leu azi
Mappa genetica di
E. coli
4760 genes
302 essential
4455 nonessential
3 unknown
Genoma di E. coli
Mappe genetiche nei batteriofagi
lisi batterica
Il prato batterico
Mappe genetiche nei batteriofagi
strato
batterico
continuo
lisi batterica
Il prato batterico
Fenotipi fagici: lisi rapida, lisi lenta
rII
r+
Placca limpida, placca torbida
h
h+
In un prato batterico con cellule di E. coli dei
ceppi B e B/2, solo i virus di ceppo h riescono a
lisarle entrambe, mentre gli h+ possono infettare
solo cellule di ceppo B
Figura 15.17
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Figura 15.15
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Figura 15.16
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Stima della distanza fra due loci in fago T2:
Doppia infezione di E. coli con diversi ceppi fagici
Distanza fra loci = NR / (NR + NP) =
N (h+ r+) + N (h r)
N (h+ r+) + N (h r) + N (h+ r) + N (h r+)
Riassunto
• I batteri possono scambiarsi tratti di DNA tramite
trasformazione, coniugazione e trasduzione
• Trasformazione e trasduzione non richiedono un
contatto fra ceppi batterici vivi, la coniugazione sì
• La sessualità nella coniugazione è determinata dalla
presenza e dalla localizzazione di un fattore F
• Esperimenti di interruzione della coniugazione
permettono di mappare genomi batterici
• La ricombinazione batterica può anche essere
mediata da batteriofagi: trasduzione generalizzata e
specializzata
• Esperimenti in cui si infettano cellule batteriche con
più ceppi di fago permettono di mappare genomi
fagici
Figura 15.18
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Figura 15.19
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Figura 15.20
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Figura 15.21
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