Struttura Genetica nei Batteri: Scoperte dai Gemmatimonadota

La maggior parte dei batteri ha cromosomi circolari che iniziano a copiare il DNA in un punto specifico chiamato origine (ori) e si muovono in entrambe le direzioni fino a raggiungere il terminus (ter). Il modo in cui i batteri organizzano i loro geni è importante. Per esempio, i geni che vengono usati spesso, come quelli per l'RNA ribosomiale, tendono ad essere più vicini all'ori. Questo perché rimangono in stato copiato più a lungo mentre avviene la replicazione del DNA. Questa configurazione aiuta i batteri perché consente un'espressione genica efficiente mentre il DNA viene duplicato.

Quando il DNA viene copiato e i geni letti, entrambi i processi possono interferire tra loro. Sia il processo di copia (fatto dalla DNA Polimerasi) che la lettura dei geni (fatta dalla RNA Polimerasi) si muovono in direzione 5'-3'. Se i due processi si scontrano, può rallentare la lettura dei geni e persino causare errori nel DNA.

La maggior parte dei batteri ha la tendenza a mettere più geni sul filamento principale-il filamento dove la replicazione va avanti. Alcuni ricercatori si sono chiesti perché alcuni geni si trovano sul filamento ritardato, quando potrebbe creare problemi durante la replicazione.

#Differenze nell'Organizzazione Genica tra i Batteri

I diversi tipi di batteri mostrano una vasta gamma di come organizzano i loro geni. In un gruppo chiamato Bacillota (noto anche come Firmicutes), è comune che oltre il 75% dei geni si trovi sul filamento principale. Al contrario, molti altri batteri mostrano una distribuzione più uniforme dei geni su entrambi i filamenti. Non c'è ancora stata una spiegazione chiara per queste differenze.

Nei Bacillota, ci sono due tipi di DNA Polimerasi che gestiscono i filamenti principale e ritardato in modo diverso, mentre la maggior parte degli altri batteri usa solo un tipo per entrambi i filamenti. Alcuni credono che l'attività della Polimerasi specializzata nei Bacillota aiuti a mantenere la loro forte preferenza per mettere geni sul filamento principale, ma questa idea non è ancora stata completamente supportata da studi più ampi.

#Il Phylum Gemmatimonadota

Il phylum Gemmatimonadota attualmente consiste in solo alcuni batteri coltivati, ma i ricercatori hanno trovato molti genomi di questi batteri usando la metagenomica, che esamina il DNA da campioni ambientali. Un esempio è il ceppo modello Gemmatimonas phototrophica AP64. Questo batterio ha una regione unica vicino al ter con una preferenza molto alta per quale filamento di DNA i suoi geni sono posti, simile a ciò che si osserva nei Bacillota. Tuttavia, il resto del suo cromosoma non mostra questa forte preferenza.

Questa regione con un forte bias si verifica anche in altri batteri Gemmatimonadota. I ricercatori hanno esaminato diversi tipi di batteri per vedere se avevano strutture cromosomiche simili. Il loro obiettivo era capire come si sviluppa questo bias di filamento genico e perché rimane stabile nel tempo.

#Investigare il Bias di Filamento Genico

Per scoprire dove si verifica un forte bias di filamento genico, i ricercatori hanno usato un metodo specifico. Si sono mossi lungo il cromosoma e hanno dato un punteggio di +1 per ogni gene sul filamento positivo e -1 per ogni gene sul filamento negativo. Tracciando questi punteggi, potevano visualizzare aree con forte o debole bias. Per esempio, Bacillus subtilis mostra una curva ripida che indica un forte bias, mentre Escherichia coli mostra una curva piatta.

I ricercatori hanno anche usato un metodo per calcolare il punteggio di bias di filamento (SBS) per finestre mobili di geni lungo il cromosoma. Un alto SBS indica una forte preferenza genica per un filamento mentre un basso SBS significa che i geni sono più uniformemente distribuiti tra i filamenti.

#Bias di Filamento Genico in Gemmatimonadota e Batteri Correlati

Il gruppo Gemmatimonadota è strettamente imparentato con Fibrobacteres, Chlorobi e Bacteroidetes. Il cromosoma di Gem. phototrophica ha una regione notevole dove i geni passano dal filamento positivo a quello negativo intorno alla regione ter. Quest'area è anche dove si trovano i geni importanti per l'RNA ribosomiale. Schemi simili di organizzazione genica sono stati trovati in altri ceppi di Gemmatimonadota.

I ricercatori hanno confrontato la distribuzione del SBS tra diversi phyla batterici. Hanno scoperto che mentre alcuni gruppi avevano un'alta varianza e proporzione di aree con forte bias, altri non mostrano molta variabilità. Le differenze nell'organizzazione genica potrebbero indicare stadi evolutivi variabili tra diversi gruppi batterici.

#Caratteristiche delle Regioni a Bias di Filamento

I ricercatori volevano capire cosa rende le regioni di forte bias di filamento in Gemmatimonadota diverse da altre parti dei loro cromosomi. Hanno analizzato quanto bene erano conservati i geni nella regione HSB rispetto ad altre aree. Hanno scoperto che i geni core-geni essenziali e ben conservati-erano più comuni nella regione HSB. Al contrario, le regioni al di fuori dell'HSB avevano più DNA ripetitivo e trasposoni, che possono rendere il genoma più instabile.

Inoltre, il team ha esaminato l'espressione dei geni all'interno della regione HSB. Hanno trovato che i geni legati all'RNA ribosomiale erano molto attivi rispetto alle aree circostanti. Curiosamente, non c'erano geni a bassa attività situati all'interno della regione HSB, indicando che l'attività genica è concentrata in questa parte del cromosoma.

#Evoluzione del Bias di Filamento Genico in Gemmatimonadota

I ricercatori propongono che le strutture e l'organizzazione dei cromosomi siano evolute nel tempo. L'ultimo antenato comune di Gemmatimonadota probabilmente aveva un cromosoma più piccolo con geni già organizzati. L'attuale struttura osservata potrebbe essere emersa da una combinazione di acquisizione di geni e selezione naturale, portando a una concentrazione di geni importanti nella regione HSB.

Le differenze nelle dimensioni dei cromosomi tra i batteri di questo gruppo potrebbero mostrare vari percorsi evolutivi intrapresi da diversi ceppi, influenzati dall'integrazione di trasposoni e dalla diffusione di elementi ripetitivi.

#Importanza della Struttura Cromosomica

La struttura tridimensionale dei cromosomi batterici potrebbe svolgere un ruolo nella stabilità della regione HSB. Il modo in cui i batteri impacchettano il loro DNA in una struttura compatta può creare domini isolati che riducono l'interazione con altre parti del cromosoma. Questa isolazione potrebbe aiutare a limitare gli scambi genetici indesiderati e mantenere l'integrità delle regioni geniche importanti.

In conclusione, lo studio del bias di filamento genico nei batteri fornisce preziose informazioni su come questi organismi organizzano il loro materiale genetico. I risultati suggeriscono che l'evoluzione di questa organizzazione è dinamica, influenzata da vari fattori, tra cui la duplicazione genica, il trasferimento genico orizzontale e la disposizione strutturale del cromosoma stesso. Questa ricerca continua aiuterà a chiarire la complessa storia evolutiva dei genomi batterici.