Il documento discute la virulenza dei batteri, evidenziando i meccanismi attraverso cui alcuni acquisiscono patogenicità tramite l'acquisizione di geni e la variazione del loro genoma. Si enfatizza l'importanza del trasferimento orizzontale di geni e dei fenomeni di riduzione genomica nell'adattamento dei patogeni alle loro nicchie. Infine, si menzionano i meccanismi di adattamento come la variazione delle strutture di superficie e l'accelerazione della mutazione che possono influenzare la virulenza.

1. Virulenza Solo 5,000 di circa 10 6 batteri sono stati descritti Circa 200 causano malattie nell’uomo Le malattie infettive rappresentano ancora la maggiore causa di morte nell’uomo Ogni nicchia di tessuti umani può essere colonizzato da un batterio

3. Virulenza Si pensa che le infezioni intestinali siano dovute a batteri commensali che hanno acquisito geni da fonti esterne che li hanno resi patogeni Alcuni batteri diventano patogeni cambiando ospite o nicchia di crescita

4. Virulenza Ad oggi (2009) sono stati sequenziati circa 700 genomi di batteri che sono stati paragonati fra loro mostrando un chiaro pattern di grosse omologie fra non patogeni e patogeni e sequenze specifiche fra i patogeni.

5. Virulenza Il cromosoma batterico è soggetto a costante cambiamento cromosomico dovuto a: Acquisizione di geni Perdita di geni Ricombinazione Eventi mutationali Che hanno un impatto sulla potenzialità patogenica del batterio Il cromosoma rappresenta l’entità più importante in questo contesto

6. Evoluzione dei Patogeni Horizontal gene transfer (HGT) E’ il processo per cui materiale genetico viene trasferito da un genoma batterico ad un altro HGT è particolarmente importante nell’ evoluzione dei patogeni I fattori coinvolti nell’infezione vengono trasferiti in un singolo evento

7. Evoluzione dei Patogeni Resistenza agli antibiotici Patogenicità Fitness

8. Resistenza agli antibiotici Nei Gram-negativi la resistenza è associata con elementi mobili, plasmidi, integroni e trasposoni. Gram-positivi cocci ( Staphylococcus aureus , S. epidermidis , Enterococcus faecalis ) che causano infezioni serie e associate a cateteri negli ospedali portano genomic islands che codificano per la resistenza alla meticillina e grossi trasposoni per es: resistenza alla vancomicina

9. Integroni Gli Integroni sono sistemi di clonaggio ed espressione che incorporano open reading frames (ORF) e le convertono in geni funzionali. Ciò permette l’ accumulo di grosse frazioni di cassette di geni che possono essere trasferite interamente tra diversi repliconi. nelle enterobatteriacee Gram-negative rappresentano anche il sistema primario per: la resistenza agli antibiotici e geni di virulenza

10. Superintegroni Superintegroni representano un sistema ancora più efficiente di capacità di accumulare cassette di geni per differenti funzioni compresi geni per la virulenza

11. Patogenicità I Geni per la Virulenza frequentemente sono localizzati su elementi mobili o precedentemente mobili incluse le pathogenicity islands ( PAI ) PAI representano grosse frazioni cromosomali di DNA acquisito che si pensa si siano evoluti da batteriofagi lisogeni e da plasmidi. Esiste una interdipendenza fra tali fattori.

12. Patogenicità Il fattore di virulenza SseI codificato dal fago Gifsy 2 in S. enterica sv.Typhimurium viene secreto da un sistema di secrezione III che esso stesso è codificato sulla pathogenicity island SPI-2. Effetti sinergici. Questo fago codifica anche per un altro fattore di virulenza GtgE , e per una superssido dismutasi, SodC , che agisce come fitness factor . La combinazione dei fattori phage- and PAI-encoded factors , offensivi e defensivi, permette infezioni dovute a S. enterica sv. typhimurium.,

13. Patogenicità Geni acquisiti orizontalmente vanno sotto il controllo di regolatori pre-esistenti. Un regulatore stesso può essere introdotto in una pathogenicity island e controlla la regolazione della trascrizione di geni codificati da fagi I meccanismi tramite cui elementi acquisiti vengono collegati a network pre-esistenti è ancora sconosciuto.

14. Fitness traits Molti fattori sono coinvolti nell’ adattamento metabolico ed aumentano la sopravvivenza del patogeno. Questi tratti vengono trovati sia in batteri commensali che in patogeni.

15. Riduzione Genomica in Batteri Patogeni e Simbionti L’acquisizione di elementi genetici è controbilanciata dalla perdita di alcuni geni. Delezioni sono la maggiore forza che contribuisce al contenuto dei genomi batterici. In alcuni casi, la perdita di geni conferisce un vantaggio selettivo (chiamato black holes ) . Geni che conferiscono i tratti necessari per adattamento a nicchie specifiche vengono trattenuti, mentre quello che non conferiscono un beneficio selettivo sono persi. L’ottimizzazione di questi processi conferisce l’ organizzazione dei genomi batterici.

16. Genome reduction in Buchnera -APS , endosymbiont of aphids. Buchnera hasundergone massive genome reduction (to 0.64 Mb). Virtually all of its 590 genes have close homologs in the genomes of the enteric bacteria, which,indicates that its genome was derived from a much larger genome resembling modern entericbacteria such as E. coli . The outer ring represents the hypothetical ancestral genome for enteric bacteria. Gray bands denote ancestral sections of the genome that have been eliminated during the evolution of the Buchnera lineage. Colored bands represent regions within which ancestral gene arrangements persist in Buchnera , although many individual genes within these regions have been lost. Buchnera retains 21% of ancestral genes ., The arrow indicates origin of replication.

17. Riarrangiamenti del DNA Il genoma di Borriella burgdorferi , l’agente del Lyme disease , è soggetto a dinamico riarrangemento tra cromosomi e tra i 12 plasmidi lineari e i 9 circolari. Circa il 5% dei geni cromosomali ed il 15% dei geni di plasmidi ed altri geni codificano per lipoproteine . Le lipoproteine sono importanti strutture di superficie e target di della risposta immunitaria. Borrelia usa la ricombinazione per variare strutture di superfice tramite meccanismi omologhi e non-omologhi coinvolti nello switching o di ricombinazione fra queste sequenze.

19. Riarrangiamenti del DNA I genomi batterici sono soggetti a costante riarrangiamento . DNA repeats e gene omologhi possono mediare gli eventi di ricombinazione intragenomici che possono alterare l’espressione di geni associati alla malattia. I riarrangiamenti genomici spesso hanno un ruolo nella variazione di strutture di superficie che servono ad evadere il sistema immunitario. Phase variation

20. Adattamento e Modifica della Velocità di Mutazione La maggior parte dei batteri sembra passi attraverso periodi di incremento della velocità di mutazione durante la loro vota evolutiva. Comunque un legame tra velocità di mutazione e potenzialità di virulenza non è ancora stato dimostrato. In E. coli e S. enterica sv. typhimurium , sono presenti i geni mutatori mutS che non sono in grado di riparare mismatch nel meccanismo di DNA repair accelerano la velocità di mutazione e rilasciano le barriere che normalmente restringono la ricombinazione omologa. Il gene mutS risiede in una zona di recombinazione hot spot sia in E. coli che in Salmonella ( mutS - rpoS region), suggerendo che stesso il gene mutS può essere soggetto a trasferimento orizzontale. Il recupero di un allele normale del gene mut tramite HGT potrebbe essere il meccanismo per stabilizzare cambiamenti adattativi promossi dal mutatore mutS ).