Episomi, plasmidi, sequenze di inserimento e trasposoni

Espisomi, plasmidi, sequenze di inserimento e trasposoni sono elementi di DNA (acido desossiribonucleico) che possono esistere indipendentemente dal DNA principale, o genomico.

Un episoma è un elemento genetico non essenziale. Oltre alla sua esistenza indipendente, un episoma può anche esistere come parte integrata del genoma ospite dei batteri. Ha origine al di fuori dell’ospite, in un virus o in un altro batterio. Quando è integrato, una nuova copia dell’episoma viene fatta quando il cromosoma ospite subisce la replicazione. Come unità autonoma, il materiale genetico dell’episoma virale distrugge la cellula ospite mentre utilizza il macchinario di replicazione cellulare per fare nuove copie di se stesso. Ma, quando integrato nel cromosoma batterico si moltiplica nella divisione cellulare e viene trasferito alle cellule figlie. Un altro tipo di episoma è chiamato fattore F. Il fattore F è il più studiato dei gruppi di incompatibilità che hanno la proprietà di coniugazione (il trasferimento di materiale genetico da una cellula batterica all’altra). Il fattore F può esistere in tre stati. F+ è lo stato autonomo, extracromosomico. Hfr (o ricombinazione ad alta frequenza) si riferisce a un fattore che si è integrato nel cromosoma ospite. Infine, lo stato F, o F prime, si riferisce al fattore quando esiste al di fuori del cromosoma, ma con una sezione di DNA cromosomico attaccata ad esso. Un episoma si distingue da altri pezzi di DNA extracromosomico, come i plasmidi, sulla base delle loro dimensioni. Gli episomi sono grandi, avendo un peso molecolare di almeno 62 kilobasi.

Al contrario degli episomi, un plasmide esiste solo come pezzo indipendente di DNA. Non è capace di integrarsi con il DNA cromosomico; porta tutte le informazioni necessarie per la propria replicazione. Per mantenersi, un plasmide deve dividersi alla stessa velocità del batterio ospite. Un plasmide è tipicamente più piccolo di un episoma ed esiste come un pezzo circolare chiuso di DNA a doppio filamento. Un plasmide può essere facilmente distinto dal DNA cromosomico con le tecniche di elettroforesi su gel o di centrifugazione a gradiente di densità con cloruro di cesio. Oltre alle informazioni necessarie per la loro replicazione, un plasmide può portare praticamente qualsiasi altro gene. Anche se non necessari per la sopravvivenza batterica, i plasmidi possono trasmettere un vantaggio selettivo sul batterio ospite. Per esempio, alcuni plasmidi portano geni che codificano la resistenza a certi antibiotici. Tali plasmidi sono definiti fattori di resistenza o R. Altri tratti portati sui plasmidi includono la degradazione di macromolecole complesse, la produzione di batteriocine (molecole che inibiscono la crescita batterica o uccidono i batteri), la resistenza a vari metalli pesanti, o fattori che causano malattie necessari per l’infezione di ospiti animali o vegetali. Questi tratti possono poi essere trasmessi ad altri batteri, poiché alcuni plasmidi (ma non tutti) hanno anche la capacità di promuovere il trasferimento del loro materiale genetico, in un processo chiamato coniugazione. La coniugazione è un evento a senso unico: il DNA viene trasferito da un batterio (il donatore) a un altro batterio (il ricevente). Tutti i plasmidi appartengono a uno dei 30 o più gruppi di incompatibilità. I gruppi determinano quali plasmidi possono coesistere in una cellula batterica e aiutano a garantire il mantenimento del numero ottimale di copie di ogni plasmide.

I plasmidi sono stati sfruttati nella ricerca in biologia molecolare. L’incorporazione di geni in plasmidi che mantengono un gran numero di copie in una cellula (i cosiddetti plasmidi multicopia), permette di esprimere livelli più elevati del prodotto genico. Tali plasmidi sono anche una buona fonte di DNA per la clonazione.

I trasposoni e le sequenze di inserimento sono noti come elementi genetici mobili. Mentre possono esistere anche al di fuori del cromosoma, preferiscono e sono progettati per integrarsi nel cromosoma in seguito al loro movimento da una cellula all’altra. Sono di interesse per i ricercatori per la comprensione che forniscono nella biologia molecolare di base e nell’evoluzione, così come per il loro uso come strumenti genetici di base. I trasposoni contengono geni non collegati alla trasposizione del materiale genetico da una cellula all’altra. Per esempio, i trasposoni di classe 1 codificano geni di resistenza ai farmaci. Al contrario, le sequenze di inserzione codificano solo le funzioni coinvolte nel loro inserimento nel DNA cromosomico. Sia i trasposoni che le sequenze di inserzione possono indurre cambiamenti nel DNA cromosomico al momento della loro uscita e inserzione, e quindi possono generare mutazioni.

Vedi anche Batteri; DNA (acido desossiribonucleico); Elettroforesi; Genetica microbica