Disegno schematico della coniugazione batterica.

Diagramma di coniugazione

  1. La cellula donatrice produce pilus.
  2. Pilus si attacca alla cellula ricevente e riunisce le due cellule.
  3. Il plasmide mobile viene intaccato e un singolo filamento di DNA viene quindi trasferito alla cellula ricevente.
  4. Entrambe le cellule sintetizzano un filamento complementare per produrre un plasmide circolare a doppio filamento e riproducono anche pili; entrambe le cellule sono ora donatori vitali per il fattore F.,

Il F-plasmide è un episoma (un plasmide che può integrarsi nel cromosoma batterico mediante ricombinazione omologa) con una lunghezza di circa 100 kb. Porta la propria origine di replica, l’oriV, e un’origine di trasferimento, o oriT. Ci può essere solo una copia del plasmide F in un dato batterio, libera o integrata, e i batteri che possiedono una copia sono chiamati F-positivi o F-plus (denotati F+). Le cellule che mancano di plasmidi F sono chiamate F-negative o F-minus (F−) e come tali possono funzionare come cellule riceventi.,

Tra le altre informazioni genetiche, il plasmide F porta un locus tra e trb, che insieme sono lunghi circa 33 kb e consistono in circa 40 geni. Il tra locus include il gene pilin e i geni regolatori, che insieme formano pili sulla superficie cellulare. Il locus include anche i geni per le proteine che si attaccano alla superficie dei batteri F e iniziano la coniugazione. Sebbene ci sia qualche dibattito sull’esatto meccanismo di coniugazione sembra che i pili non siano le strutture attraverso le quali avviene lo scambio di DNA., Questo è stato dimostrato in esperimenti in cui i pilus sono autorizzati a entrare in contatto, ma poi sono denaturati con SDS e tuttavia la trasformazione del DNA procede ancora. Diverse proteine codificate nel locus tra o trb sembrano aprire un canale tra i batteri e si pensa che l’enzima traD, situato alla base del pilus, inizi la fusione della membrana.

Quando la coniugazione è iniziata da un segnale l’enzima relaxasi crea un nick in uno dei fili del plasmide coniugativo all’oriT. Relaxase può funzionare da solo o in un complesso di oltre una dozzina di proteine conosciute collettivamente come relaxosome., Nel sistema F-plasmide l’enzima relaxasi è chiamato TraI e il relaxosoma è costituito da TraI, vassoio, TraM e il fattore ospite integrato IHF. Il filo intaccato, o T-strand, viene quindi svolto dal filo ininterrotto e trasferito alla cella ricevente in una direzione da 5 ‘a 3’. Il filamento rimanente viene replicato indipendentemente dall’azione coniugativa (replicazione vegetativa a partire dall’oriV) o in concerto con la coniugazione (replicazione coniugativa simile alla replicazione del cerchio di rotolamento del fago lambda)., La replicazione coniugativa può richiedere un secondo nick prima che si verifichi un trasferimento riuscito. Un recente rapporto afferma di aver inibito la coniugazione con sostanze chimiche che imitano una fase intermedia di questo secondo evento di nick.

1.Le sequenze di inserzione (gialle) sia sul plasmide del fattore F che sul cromosoma hanno sequenze simili, permettendo al fattore F di inserirsi nel genoma della cellula. Questo è chiamato ricombinazione omologa e crea una cella Hfr (alta frequenza di ricombinazione). 2.,La cellula Hfr forma un pilus e si attacca a una cellula F ricevente. 3.Viene creato un nick in un filamento del cromosoma della cellula Hfr. 4.Il DNA inizia a essere trasferito dalla cellula Hfr alla cellula ricevente mentre il secondo filamento del suo cromosoma viene replicato. 5.Il pilus si stacca dalla cella ricevente e si ritrae. La cellula Hfr idealmente vuole trasferire il suo intero genoma alla cellula ricevente. Tuttavia, a causa delle sue grandi dimensioni e dell’incapacità di rimanere in contatto con la cellula ricevente, non è in grado di farlo. 6.a. La cella F rimane F-perché l’intera sequenza di fattori F non è stata ricevuta., Poiché non si è verificata alcuna ricombinazione omologa, il DNA trasferito viene degradato dagli enzimi. b. In casi molto rari, il fattore F sarà completamente trasferito e la cellula F diventerà una cellula Hfr.

Se il plasmide F che viene trasferito è stato precedentemente integrato nel genoma del donatore (producendo un ceppo Hfr ) parte del DNA cromosomico del donatore può anche essere trasferito con il DNA plasmidico. La quantità di DNA cromosomico che viene trasferito dipende da quanto tempo i due batteri coniuganti rimangono in contatto. In ceppi di laboratorio comuni di E., coli il trasferimento dell’intero cromosoma batterico richiede circa 100 minuti. Il DNA trasferito può quindi essere integrato nel genoma ricevente tramite ricombinazione omologa.

Una coltura cellulare che contiene nella sua popolazione cellule con F-plasmidi non integrati di solito contiene anche alcune cellule che hanno accidentalmente integrato i loro plasmidi. Sono queste cellule che sono responsabili dei trasferimenti di geni cromosomici a bassa frequenza che si verificano in tali colture. Alcuni ceppi di batteri con un plasmide F integrato possono essere isolati e coltivati in coltura pura., Poiché tali ceppi trasferiscono i geni cromosomici in modo molto efficiente, vengono chiamati Hfr (alta frequenza di ricombinazione). Il genoma di E. coli è stato originariamente mappato da esperimenti di accoppiamento interrotti in cui varie cellule Hfr nel processo di coniugazione sono state tranciate dai destinatari dopo meno di 100 minuti (inizialmente utilizzando un frullatore Waring). I geni che sono stati trasferiti sono stati quindi studiati.

Dall’integrazione del plasmide F nell’E., il cromosoma di coli è un evento spontaneo raro e poiché i geni numerosi che promuovono il trasferimento del DNA sono nel genoma del plasmide piuttosto che nel genoma batterico, è stato sostenuto che il trasferimento batterico coniugativo del gene, come accade nel sistema di E. coli Hfr, non è un adattamento evolutivo dell’ospite batterico, né è probabilmente ancestrale al sesso eucariotico.

Zigogenesi spontanea in E. coli

In aggiunta alla coniugazione batterica classica descritta sopra per E., coli, una forma di coniugazione indicata come zigogenesi spontanea (Z-accoppiamento in breve) è osservata in alcuni ceppi di E. coli. Nell’accoppiamento Z c’è una completa miscelazione genetica e si formano diploidi instabili che eliminano le cellule aploidi fenotipicamente, di cui alcune mostrano un fenotipo parentale e alcune sono veri ricombinanti.