La plasticità del genoma batterico: introduzione ai meccanismi di scambio genico

In ogni individuo appartenente ad una popolazione, sia le mutazioni sia le diverse combinazioni tra le varianti alleliche di ciascun gene possono determinare diversità genetica.

Anche il riassortimento delle informazioni geniche contenute in una cellula, determinato dai meccanismi di sessualità, contribuisce alla variabilità genetica. Ovviamente, tra i processi di sessualità sono compresi la meiosi, la quale conduce alla ripartizione del genoma di una cellula con corredo cromosomico diploide in quattro cellule con corredo cromosomico aploide, e la zigosi, ossia la fusione dei genomi di due cellule parentali che dà origine allo zigote. In aggiunta, anche i fenomeni normalmente indicati come parasessuali, che portano all’acquisizione di molecole di DNA stabile proveniente da altre cellule, possono essere intesi come processi di riassortimento delle informazioni contenute nel genoma cellulare, il quale definisce il significato primario dei processi sessuali.

È anche utile sottolineare che, negli organismi eucarioti, la definizione di sessualità è strettamente associata ai processi di riproduzione, mediante i quali gli esseri viventi perpetuano la propria specie, generando nuovi individui. Infatti, gli organismi possono riprodursi per via sessuale, durante la quale avviene l’incontro e l’unione dei gameti, e asessuale, in cui la riproduzione avviene a partire da un unico genitore, ma, lungo il percorso evolutivo, i processi di sessualità e riproduzione sono divenuti inscindibili e tale inscindibilità è palese negli animali superiori, che si riproducono solo per via sessuale.

Gli organismi procarioti si riproducono invece per via asessuale (denominata anche scissione binaria). Il rimescolamento del materiale genetico ed il conseguente aumento della variabilità genetica avvengono mediante meccanismi di scambio di materiale genetico tra i procarioti.

I meccanismi che permettono lo scambio di materiale genetico tra le cellule batteriche sono:

la coniugazione, mediante la quale il materiale genico viene trasferito direttamente da una cellula donatrice ad una ricevente;
la trasformazione, ovvero l’acquisizione da parte del batterio di DNA presente nell’ambiente;
la trasduzione, il meccanismo durante il quale il trasporto della molecola di DNA da una cellula batterica ad un’altra è mediato da un batteriofago.

I processi parasessuali di coniugazione, di trasformazione e di trasduzione permettono il trasferimento di materiale genico da una cellula batterica donatrice ed una cellula batterica ricevente. Suddetti processi vengono indicati complessivamente come processi di trasferimento genico orizzontale (TGO o HGT, horizontal gene transfer) o anche laterale, in riferimento all’attività di scambio di materiale genico tra le cellule batteriche non discendenti. I processi di scissione binaria, la mitosi e la meiosi, invece, sono complessivamente indicati come processi di trasferimento genico verticale poiché lo scambio di materiale genico si verifica dalla cellula parentale alle cellule figlie.

Per distinguere sperimentalmete i processi di coniugazione, di trasformazione e di trasduzione, può essere impiegato l’enzima che degrada il DNA, la desossiribonucleasi (DNasi). Se dopo l’aggiunta dell’enzima DNasi al terreno di coltura in cui il batterio viene cresciuto non si osserva un ulteriore scambio genico, allora il processo di trasferimento è la trasformazione. Infatti, mentre nei processi di coniugazione e di trasduzione il DNA coinvolto nel trasferimento è protetto rispettivamente dalle pareti delle cellule batteriche e dalle proteine che rivestono il batteriofago, nel processo di trasformazione il DNA da trasferire è libero nell’ambiente e, dunque, non protetto dall’attività dell’enzima DNasi.

Infine, è utile sottolineare un ulteriore criterio di distinzione tra i tre processi di scambio genico: mentre il processo di coniugazione richiede che ci sia contatto tra le cellule batteriche donatrice e ricevente, non occorre contatto tra le cellule batteriche nei processi di trasduzione e trasformazione.

Maria Chiara Langella

Immagine in evidenza:

iGEM EPFJ. Bio safety. http://2014.igem.org/Team:EPF_Lausanne/Safety

Fonti: