Per molti anni, si è creduto che tutti i batteri avessero un singolo cromosoma circolare rispetto agli eucarioti, che hanno cromosomi lineari. Forse, questo era dovuto al campione limitato di ceppi batterici studiati al momento e le tecniche di sequenziamento disponibili per esaminare i cromosomi batterici. Tuttavia, questa convinzione è stata smentita quando i batteri con cromosomi multipli e/o lineari sono stati scoperti nel 1989.

Singolo e Cromosoma Circolare

E. coli supercoiled cromosoma

cromosoma Circolare mappa di E. coli

Nel 1963, gli studi condotti da diversi ricercatori hanno determinato che l’Escherichia coli genoma è stato organizzato in un unico cromosoma circolare . L’evidenza della struttura del DNA cromosomico è stata dimostrata da immagini ottenute attraverso autoradiografia, microscopia elettronica e immagini in movimento del DNA utilizzando la microscopia a fluorescenza. Cairns è stato il primo ricercatore a ottenere un’immagine dell’intero cromosoma per E. coli . La tecnica utilizzata era autoradiografia dove il cromosoma per E. coli è stato etichettato utilizzando timidina trizio etichettato, un isotopo radioattivo di idrogeno . Tuttavia, le dimensioni dei cromosomi erano variabili e c’era una bassa frequenza di forme circolari rilevate. Ulteriori esperimenti basati sulla coniugazione Hfr dimostrano in modo convincente che E. coli ha un cromosoma circolare .

I dati pubblicati del cromosoma circolare in E. coli sono stati rapidamente adottati da molti ricercatori. Pertanto, E. coli è diventato ampiamente utilizzato come modello primario per studiare la replicazione cromosomica .

Cromosomi multipli

Mappa di due cromosomi circolari di R. sphaeroides

La prima evidenza di cromosomi multipli nei batteri è stata trovata nel Rhodobacter sphaeroides, un batterio gram-negativo a forma di bastoncello (Figura 2) . I ricercatori sono stati in grado di fornire una mappa fisica completa del genoma di R. sphaeroides ottenendo frammenti di DNA cromosomico attraverso il digest di restrizione con AseI, SpeI, DraI e SnaBI dal DNA genomico, che ha aiutato a dimostrare l’esistenza di cromosomi multipli . L’elettroforesi get pulse-field (PFGE) viene utilizzata per separare le molecole di DNA applicando un campo elettrico. A differenza dell’elettroforesi su gel standard, la tensione viene costantemente commutata in tre direzioni diverse . L’ipotesi qui è che il DNA circolare sia immobile mentre la maggior parte del DNA è mobilitata dalla rottura . Il vantaggio del PFGE è che può separare i DNA da pochi kilobase (kb) a oltre 10 coppie di megabase (Mb). I frammenti di DNA ottenuti dall’utilizzo di endonucleasi come SnaBI producono un modello distinto di bande utili per la mappatura fisica dei cromosomi. La prima prova che ha portato all’idea di due cromosomi circolari è stata dalla digestione del DNA genomico usando SnaBI e AseI, dove i frammenti sono stati separati usando PFGE e ibridazione con hemA come sonda . I risultati hanno mostrato che il frammento SnaBI di 784 kb si trovava interamente all’interno dei frammenti AseI D, E e H di 914 kb . Tuttavia, c’è un 130 kb di DNA non contabilizzato, il che lo rende aritmeticamente impossibile poiché deve esserci una lunghezza totale del frammento SnaBI di 1.225 kb . Pertanto, i frammenti AseI D, E e H non possono essere uniti con gli altri frammenti ASEI contigui . Attraverso il processo di restringimento del modo in cui i frammenti si connettono, i cromosomi sono stati mappati fisicamente. In base molecolare, questo esperimento è stato utilizzato per determinare che R. sphaeroides ha due cromosomi circolari, dove uno è 3,1 Mb e l’altro è 0,9 Mb . In termini di base genetica, gli esperimenti di accoppiamento interrotti con ceppi di Hfr hanno rafforzato l’evidenza della presenza di cromosomi multipli in R. sphaeroides .

Cromosomi lineari

Nel 1970 fu scoperta la prima evidenza di cromosomi lineari, ma la limitata disponibilità di tecniche scientifiche e una forte convinzione della circolarità cromosomica batterica fu così convincente che molte persone non presero questa idea fino a molto più tardi. Nel 1989, la tecnica di elettroforesi su gel a campo pulsato è stata sviluppata e utilizzata in combinazione con i digestori di restrizione per verificare che la spirocheta Borrelia burgdorferi abbia un cromosoma lineare utilizzando un processo simile di restringimento collegando i frammenti separati come il R. sphaeroides . B. burgdorferi è stato il primo batterio a mostrare che i cromosomi lineari sono presenti nei procarioti e la dimensione del cromosoma è stata trovata intorno a 1,0 Mb . Questa organizzazione cromosomica è paragonabile all’organizzazione cromosomica eucariotica.

Problemi con cromosomi lineari

Due problemi sorgono con la presenza e l’uso di cromosomi lineari rispetto ai cromosomi circolari nei procarioti. In primo luogo, le estremità libere del DNA a doppio filamento devono avere un qualche tipo di protezione in modo che le nucleasi intracellulari non le degradino . In secondo luogo, i telomeri, che sono le estremità delle molecole di DNA lineari, richiederanno un processo diverso per la replicazione del DNA . Per la protezione, ci sono due tipi di telomeri che sono stati osservati. Il primo è chiamato i tornanti palindromici, in cui non sono disponibili estremità libere a doppio filamento. L’altro tipo è invertron telomeri dove i cromosomi contengono una proteina che si lega al 5 ‘ – estremità,. Questo può essere trovato nei cromosomi lineari Streptomyces. In termini di replicazione del DNA delle estremità delle molecole di DNA lineari, non si sa molto sul meccanismo.

Altri risultati di cromosomi lineari

S. griseus è un batterio Gram-positivo noto per produrre l’antibiotico, streptomicina . Questo batterio ha anche un cromosoma lineare identificato attraverso elettroforesi su gel a campo impulsivo in combinazione con digestori di restrizione . Ci sono anche altre specie di Streptomyces con cromosomi lineari identificati.

Agrobacterium tumefaciens

Utilizzando l’elettroforesi su gel a campo impulsivo, è stato analizzato il genoma di A. tumefaciens, in cui sono stati identificati un cromosoma lineare e un cromosoma circolare . La dimensione del cromosoma lineare è 2100 Kb, che è più piccola del cromosoma circolare 3000 Kb . Le specie Agrobacterium hanno una stretta relazione di sequenza 16s rRNA con le specie Brucella, che hanno membri noti per avere due cromosomi circolari .

Altri reperti di cromosomi multipli

B. melitensis è un batterio gram-negativo coccobacillus, che ha due cromosomi circolari . Le due dimensioni cromosomiche sono 2117 Kb e 1178 Kb . Altre specie di Brucella con due cromosomi circolari includono B. suis biovar 1, B. suis biovar 2, B. suis biovar 4, B. abortus e B. ovis .

Paracoccus denitrificans

P. denitrificans è un batterio speciale con tre cromosomi circolari identificati mediante elettroforesi su gel a campo impulsivo . Le dimensioni approssimative dei cromosomi sono 2, 1,1 e 0,64 Mb .

Vibrio Species

Ci sono molti altri batteri con cromosomi multipli, ma Vibrio species ha membri che hanno due cromosomi circolari . Questi includono V. cholerae, V. parahaemolyticus, V. vulnificus e V. fluvialis .

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