Scambio di geni

Molti meccanismi di resistenza ai farmaci vengono acquisiti mediante scambio di geni.
I batteri hanno un genoma aploide e qualsiasi mutazione a livello genomico viene sempre fenotipizzato in quanto vi è un unico gene. I batteri possono accumulare rapidamente mutazioni proprio per la velocità di divisione delle cellule.  Il DNA cromosomiale circolare ha un codice genetico più esiguo rispetto alle cellule eucariotiche, i geni non hanno introni, e codificano per 1000-10000 geni, la maggior parte dei quali sono housekeeping.
I batteri possiedono i plasmidi, che sono unità circolari di DNA più piccoli, a doppio filamento, dotati di replicazione autonoma. Il numero di plasmidi è variabile all’interno delle cellule batteriche. I plasmidi non codificano per geni housekeeping ma per prodotti legati ai fattori di patogenicità. Alcuni plasmidi (episomi), sono in grado di integrarsi col cromosoma batterico ottenendo una più stretta associazione col battere.
I plasmidi possono essere trasferiti mediante scambio tra cellula batterica e cellula batterica.
Plasmidi coniugativi sono i più facilmente interscambiabili; quelli non coniugativi è più difficile che diano luogo a questo genere di interazione tra cellule batteriche.
Si possono dividere per effetti fenotipici: Fertilità, resistenza agli antibiotici (Genes Cassettes – resistenza a più antibiotici;es. plasmide R1- codifica pe r re3sistenza all’ampicillina, cloramfenicolo, acido fusidico, clindamicina.
Alcuni plasmidi sono codificanti per geni di virulenza batterica; come le enterotossine prodotte dall’ E.Coli.
Il clonaggio è un processo per il quale si inseriscono plasmidi modificati con un frammento inserito artificialmente. Questi plasmidi esprimono nella cellula il gene estraneo.
I trasposomi (jumping genes) sono geni che a volte si inseriscono nel plasmide, a volta nel cromosoma e sono facilmente trasponi bili. Nono sono in grado di replicarsi autonomamente.
I batteri possono cambiare il loro patrimonio genetico tramite le mutazioni. Essendo il loro genoma aploide, ogni mutazione viene espressa. Le mutazioni sono molto frequenti per la velocità di replicazione e per il patrimonio genetico aploide.
Tramite un meccanismo di ricombinazione genica, che prevede uno scambio di materiale genetico tra due cellule batteriche, si possono scambiare informazioni.
Le mutazioni vengono acquisite spontaneamente e possono provocare resistenza agli antibiotici, e vengono trasmessi in modo verticale tra cellule madri e cellule figlie.
La ricombinazione genica è un trasferimento orizzontale  tra una cellula all’altra. È la più pericolosa perché permettono una diffusione ampissima della patologia.
Le mutazioni possono essere spontanee o indotte. L’espressione delle mutazioni è rapida.
Il materiale genetico per essere acquisito in maniera stabile dev’essere integrato all’interno del cromosoma. La sequenza genomica acquisita deve ricombinarsi e inserirsi all’interno del patrimonio genetico del battere.
Il trasferimento genico può avvenire tra specie diverse (il meccanismo di resistenza dell’E.Coli può passare allo Stafilococco Aureus).
La trasformazione è dimostrata dall’esperimento di Griffith. I batteri capsulati morti mixati con i batteri decapsultati vivi dimostrava che la capacità di produrre la capsula dei batteri morti veniva acquisita dai batteri non capsulati vivi. Le cellule hanno quindi la capacità di catturare, acquisire e integrare frammenti di DNA da batteri morti. La trasformazione è la captazione diretta di DNA extracellulare e la sua ricombinazione all’interno del singolo cromosoma della cellula. Una volta acquisito e ricombinato questo DNA diventa il stabile corredo genetico e viene trasferito a tutte le cellule figlie. Questa  trasformazione è fondamentale per la virulenza, antibioticoresistenza (lo Streptococco Pneumonie va a cambiare la formazione delle PBP  [enzimi che permettono la transpeptidazione] generando così le PBP mosaico, che continuano a svolgere le loro funzioni naturali, ma non sono più attaccabili dalle penicilline)
Non tutti i batteri sono in grado di acquisire DNA extracellulari. Solamente i batteri competenti  possono farlo .La maggior parte dei batteri è non competente ma può essere resa artificialmente competente (shock termico o shock elettrico).
Se il DNA viene captato ma non integrato, viene attaccato e distrutto dalle endonucleasi.
L’acquisizione di DNA plasmidico non necessita di ricombinazione. Solo in questo caso si può avere una trasformazione stabile.
La trasduzione è il trasferimento di materiale genetico da una cellula donatrice ad una ricevente mediante un vettore (batteriofagi). Mentre nella trasformazione la cellula donatrice è morta; nella trasduzione è viva.
I fagi possono avere una produzione litica (si replica all’interno della cellula batterica producendo tante copie di batteriofagi nuovi e la loro liberazione provoca la lisi del battere) o lisognena (il virus attacca la cellula batterica, rilascia il proprio genoma nella cellula ospite che lo integra assieme al proprio e lo replicata assieme a questo, di tanto in tanto può tornare ad avere una produzione litica).
La trasduzione viene definita generalizzata nel caso della produzione litica, specializzata nel caso della produzione lisogena.
Nella prima può avvenire che alcuni pezzettini del DNA batterico della cellula ospite (rotto dalle nucleasi del virus), può essere assemblato assieme alla neoparticella virale. Quest’ultima può infettare una cellula batterica, diventando di fatto la portatrice. Una volta infettata la cellula il DNA batterico viene rilasciato e ricombinato con la cellula, che produce una trasduzione stabile. Se non viene integrato la trasduzione è abortiva e il nuovo pezzetto di DNA viene degradato.  È definita generalizzata perché un qualsiasi pezzo del genoma donatore può essere per errore inserito in un fago (che non può replicarsi in un nuovo ospite). Questo DNA può essere o plasmidico o genomico.
La trasduzione specializzata viene a crearsi dove i virus producono un ciclo lisogeno. Il virus che porta con se un pezzo di DNA dalla cellula batterica, quando infetta la cellula ricevente, si inserisce nel genoma della cellula ospite (è la caratteristica dei fagi lisogeni). È definita specializzata perché questi fagi si inseriscono in una certa porzione del cromosoma batterica; non è un qualsiasi frammento trasdotto, ma è un frammento contiguo alle porzioni di inserzione. Solo pochi geni vicini al punto di inserzione del profago possono essere trasferiti. Nella trasduzione specializzata non possono essere portati DNA plasmidico.
La conversione fagica non è l’acquisizione di una cellula batterica di DNA virale. La cellula batterica esprimerà non solo il proprio patrimonio genetico, ma anche quella del fago che si è integrato nel genoma dell’ospite. Come nel Difteritae Batteriae, nel quale è il fago che porta le informazioni per produrre la tossina. Nello Streptococcus Piogenes (che porta al mal di gola) alcuni ceppi codificano per una proteina eritrogenica che produce la tossina della scarlattina [che è codificata da un batteriofago].

La coniugazione è l’ultimo tipo di trasferimento orizzontale, dovuto alla capacità di un battere di creare un ponte diretto, per unire la cellula ricevente alla donatrice; al fine di scambiare materiale genetico.
Il ponte è codificato dal Fattore F (fattore di fertilità) in grado di produrre il pilo sessuale, che permette alle cellule batteriche di essere collegate. È la cellula donatrice che ha il gene che codifica il pilus, spesso è codificato da un plasmide. Le donatrici, che hanno un fattore F, sono definite F+, le riceventi, che ne sono carenti, sono definite F-.
La cellula F– alla fine di questo processo coniugativo, riceve il Fattore F, e avviene uno scambio di materiale plasmidico.  Proprio perché il materiale trasferito è plasmidico, non è necessaria la coniugazione. È un processo tipico dei Gram -, con diffusione intra e inter-specie.
A volte questi fattori F, anziché rimanere all’interno del plasmide, si possono inserire anche all’interno del cromosoma batterico; dando luogo a delle cellule chiamate HFR (High Frequency Ricombination); queste cellule, formando i ponti, danno luogo ad un altro tipo di ricombinazione, con passaggio di genoma cromosomico. Solitamente è solo parte del DNA cromosomico che viene trasferito, e per questo necessita di ricombinarsi. Non sempre questo DNA codifica per il Fattore F; nella maggior parte dei casi la cellula ricevente rimane F-.
La coniugazione prevede l’estrema facilità di trasferimento di plasmidi; è estremamente promiscuo perché permette la trasmissione anche tra specie diverse; importante per creare diversità genomica tra i microrganismi.

I meccanismi di resistenza ai farmaci può essere di tipo naturale o acquisito.
Gli enterococchi non sono soggetti all’attività degli inibitori dell’acido folico. Sono naturalmente resistenti a questi farmaci perché sono in grado di ottenere acidi folici dall’esterno della cellula .
Le resistenze acquisite vengono a manifestarsi grazie alle mutazioni o tramite l’acquisizione di geni nuovi.  Produce un vantaggio selettivo ai batteri che acquisiscono la farmacoresisternza. Può essere acquisita grazie ad un meccanismo a single step o grazie a processi multi step. Mano a mano che vengono acquisiti pezzi di geni nuovi il battere diventa sempre più resistente ai farmaci.  Le PBP mosaico dello streptococcus Pneumoniae sono un esempio di questi processi multi step.  Più pezzettini di DNA ricombinato ci sono, l’affinità nei confronti delle penicilline sarà molto ridotta.
La resistenza ai fluorochinoloni avviene per mutazioni alla DNA girasi, anche in questo caso la resistenza acquisita è multi step.
La resistenza crociata è una resistenza che viene a verificarsi nei confronti di tanti farmaci diversi mediante l’acquisizione di un solo gene (macrolidi, liposamidi e streptogramine, sono farmaci diversi strutturalmente che hanno lo stesso target a livello ribosomiale. Il gene ERM metila il target  ribosomiale, inducendo la resistenza a tutti questi farmaci). – singolo meccanismo.
La resistenza multipla è prodotta da più meccanismi che producono una resistenza a più farmaci (legata alle genes cassettes). Il plasmide che porta questo pacchetto di geni, farà acquisire al battere resistenza a molti farmaci.
La resistenza clinica non è dovuta all’acquisizione di geni di resistenza ma è una resistenza associata al fatto che l’infezione avviene in un corpo estremamente complesso. In vivo, il battere, per diverse ragioni non può essere ucciso, a differenza degli esperimenti in vitro. Lo Streptococcus Piogenes, nell’uomo è insensibile alle penicilline, in laboratorio invece è sensibile. I batteri, a livello faringotonisllare, hanno acquisito un gene (PRTF1) permette al battere di internalizzarsi nelle cellule dell’ospite. Le penicilline somministrate non vanno all’interno della cellula; non potendo sviluppare una resistenza al farmaco, il battere si nasconde in zone dove questo non è in condizioni sufficienti per risultargli dannoso.

Le tre principali meccanismi generali, con cui i batteri diventano resistenti possono essere: modificare il bersaglio farmacologico (il farmaco non riconosce più il suo target e risulta completamente inutile), può alterare la permeabilità al farmaco (per arrivare al target il farmaco deve entrare nella cellula; per la perdita di porine o per l’acquisizione di pompe di efflusso); capacità di produrre enzimi che vanno a degradare o alterare la struttura chimica del farmaco, in modo da renderla innocua.

Per le alterazioni del target gli esempi possono essere gli MRSA (Staffilo aureus meticilline resistenti) che codificano per una PBP diversa (PBP2) che produce una resistenza crociata single step per inattivare tutti i farmaci che hanno come target le PBP. (gene MetA)
Le PBP mosaico sono variazioni multi step che acquisiscono, pezzo per pezzo, la resistenza a tutti questi farmaci.
Il gene ERM codifica per una metilasi.
Quando il target è molto modificato non c’è modo di fare agire i farmaci.

Il gene MEF codifica per le pompe di efflusso degli streptococchi per i macrolidi a 14, 15 atomi, ma non riconosce quelli a 16 atomi.
La perdita di porine è importante per gli pseudomonas (Gram - ), diventano resistenti per la perdita dei geni che codificano per le porine.
La produzione di β- lattamasi vanno a degradare l’anello β-lattamico. L’augumentin è amoxicillina con acido clavulanico che si lega alle lattamasi, salvando l’amoxicillina dalla distruzione.
Il cloramfenicolo acetiltransferasi va a degradare la struttura del cloramfenicolo.

Tutti questi di meccanismi, una volta acquisiti possono essere trasferiti per via orizzontale.
Per evitare questo problema di antibiotico resistenza è consigliato utilizzare l’antibiotico solamente quando strettamente necessario; altrimenti la flora batterica, anche se non patogena, potrebbe sviluppare una pressione selettiva.
Gli antibiotici nel mangime degli animali ha creato una notevole quantità di farmaco resistenza. Sottoponendo un battere agli antibiotici in bassa dose, si crea un antibiotico resistenza, perché non uccidendo il ceppo, si crea una pressione selettiva, che fa mutare il battere (importante finire il ciclo del farmaco).
È anche importante ruotare i farmaci e cercare di ridurre la disseminazione di micorganismi resistenti.
Sviluppo di nuovi antibiotici e inibitori degli enzimi responsabili della resistenza.