La plasticità del genoma batterico: la coniugazione

Dopo aver illustrato i concetti generali dei meccanismi di scambio genico, approfondiremo, di seguito, il processo di coniugazione batterica, mediante il quale i batteri possono trasferire una molecola di DNA da una cellula donatrice ad una cellula ricevente.

Il processo di coniugazione fu descritto, per la prima volta, nel 1946 da Joshua Lederberg, microbiologo, e dal genetista Edward Lawrie Tatum.

La coniugazione consiste nel trasferimento di una molecola di DNA da una cellula batterica donatrice ad un batterio ricevente mediante l’azione di un apparato multiproteico specializzato per la coniugazione di cui è dotato il batterio donatore.

Il meccanismo di coniugazione, per il trasferimento della molecola di DNA, richiede che avvenga un contatto fisico tra il batterio donatore ed il batterio ricevente: nei batteri Gram negativi, tale contatto richiesto è mediato da alcune appendici proteiche filamentose (generalmente da una a tre per ogni cellula) che originano dalla membrana citoplasmatica batterica, denominate pili (singolare pilo) sessuali. Ogni pilo mostra un diametro di 8 nm ed una lunghezza media di 20 μm ed è costituito da polimeri della proteina pilina, codificata dal gene traA in Escherichia coli.

La capacità di coniugazione, compresa la capacità di sintetizzare i pili sessuali, è conferita al batterio donatore da elementi genetici quali i plasmidi. In Escherichia coli, il plasmide che conferisce capacità di coniugazione è denominato plasmide F (F per fertility), una molecola di DNA circolare a doppio filamento di 94,5 Kb. Il plasmide F è costituito da numerose regioni funzionalmente distinte comprendenti circa 60 geni: la regione rep regola la replicazione vegetativa del plasmide; la regione tra (transfer) del plasmide è responsabile del meccanismo coniugativo; infine alcune sequenze mobili (3 sequenze di inserzione ed un trasposone) sono utilizzate per l’integrazione del fattore F nel cromosoma. La regione tra del plasmide F è lunga circa 35 Kb e contiene 25 geni deputati alla formazione ed al trasferimento della molecola di DNA e dal sito OriT, origine di replicazione nel filamento T, il filamento della molecola di DNA che viene trasferita; la regione tra include i geni mpf (mating pair formation), i geni dtr(DNA transport and processing) ed i geni mob deputati alla regolazione del processamento e del trasporto della molecola di DNA. La cellula batterica donatrice il cui genoma contiene il plasmide F è indicata con F+; per contro, la cellula batterica ricevente è indicata con F-.

Il meccanismo di coniugazione

Per una maggiore facilità nella comprensione del processo di coniugazione, si suole dividerlo in tre fasi funzionalmente distinte:

Formazione della coppia coniugativa F+/F-;
Mobilizzazione del DNA;
Separazione delle cellule coniuganti.

La formazione della coppia coniugativa

In seguito al contatto tra la punta del pilo F della cellula batterica donatrice ed i corrispettivi recettori presenti sulla membrana della cellula ricevente ed alla stabilizzazione del legame, il pilo, depolarizzando l’unità di pilina, si accorcia per permettere l’unione delle membrane cellulari; la successiva formazione di un poro nella regione di contatto tra le cellule F+ ed F- permette il passaggio di materiale genetico dalla cellula donatrice alla cellula ricevente.

L’evento di contatto cellulare tra due cellule donatrici impedito dal fenomeno di esclusione di superficie: il plasmide coniugativo, infatti, può produrre proteine specifiche che possono localizzarsi sulle membrane di altre cellule donatrici inibendo il legame di pili omologhi.

La mobilizzazione del DNA

In corrispondenza del poro si localizza un enzima bifunzionale chiamato rilassosoma, che possiede sia un’attività nucleasica che un’attività elicasica.

Tale enzima provoca un taglio in oriT che determina il rilassamento della molecola di DNA. L’estremità 5’ del filamento che deve essere trasferito, denominato filamento T, lega covalentemente l’amminoacido tirosina dell’enzima rilassosoma; l’estremità 3’OH, invece, resta libera. Il primo tratto del filamento T trasferito è una sequenza di 13 Kb che codifica per le proteine SSB che proteggono il singolo filamento di DNA trasferito dall’azione delle nucleasi.

Durante il trasferimento del filamento T nella cellula F-, avviene la replicazione del filamento complementare; tale replicazione è, dunque, discontinua. Nella cellula donatrice, invece, la replicazione avviene in modo continuo.