Le endospore e la sporulazione

Alcune specie di batteri producono speciali strutture all'interno delle loro cellule chiamate endospore durante un processo definito sporulazione. Le endospore sono cellule differenziate molto resistenti al calore e che non possono essere distrutte facilmente. La funzione biologica delle endospore è, senza dubbio, quella di permettere al microrganismo di resistere anche in condizioni avverse quali valori estremi di temperatura e disidratazione. Le endospore rappresentano poi strutture ideali per la dispersione ad opera del vento e dell'acqua. I generi Bacillus e Clostridium sono tra i batteri sporigeni più studiati. Le endospore appaiono chiaramente con il microscopio ottico come strutture fortemente rifrangenti. Esse sono impermeabili ai coloranti, proprietà che le evidenzia come regioni incolori in cellule trattate con colori basici come il blu di metilene. La struttura di un endospora appare profondamente diversa di quella di una cellula vegetativa; essa infatti è molto più complessa, poiché è costituita da numerosi strati di rivestimento (assenti nella cellula vegetativa). Lo strato più esterno, detto esosporio, è sottile e delicato. All'interno dell'esosporio si trova la tunica (o parete della spora), che è composta da uno o più strati proteici. Al di sotto del quale si trova la corteccia, uno strato di peptidoglicano lasso, all'interno del quale è situato il core o protoplasto della spora, costituito da strutture convenzionali quali parete cellulare, membrana citoplasmatica, citoplasma, nucleoide, ribosomi e altri costituenti cellulari essenziali. Una sostanza chimica caratteristica delle endospore, assente nelle cellule vegetative, è l'acido dipicolinico, localizzato a livello del core. Le spore presentano, inoltre, un'elevata concentrazione di ioni calcio, molti dei quali in un complesso con l'acido dipicolinico. Questo complesso del core rappresenta il 10%  del peso secco dell'endospora; la funzione di questo complesso è quella di ridurre la presenza di acqua all'interno dell'endospora, facilitando la disidratazione. Il protoplasto di un endospora matura è molto diverso dalla cellula vegetativa da cui origina. Esso si trova in uno stadio di parziale disidratazione durante la sporulazione. Il core di un endospora matura contiene soltanto dal 10 al 25% del contenuto d'acqua della cellula vegetativa, e la sua consistenza appare quindi quella di un denso gel. Il grado di disidratazione del core aumenta la resistenza al calore dell'endospora, ma è stato anche osservato che conferisce resistenza ad alcune sostanze chimiche, come il perossido d'idrogeno, e causa la parziale inattività degli enzimi presenti. Oltre al basso contenuto d'acqua dell'endospora, il pH del core citoplasmatico è di circa un'unità più basso di quello della cellula vegetativa e contiene una grande quantità di proteine core-specifiche chiamate small acid-soluble spore proteins (SASP). Queste sono prodotte durante il processo di sporulazione e le funzioni principali sono: legare fortemente il DNA nel core e proteggerlo dai potenziali danni delle radiazioni ultraviolette, dall'essiccamento e dal calore. Il conferimento della resistenza alle radiazioni ultraviolette è dovuto alla modificazione della struttura del DNA dalla forma “B” a quella più compatta”A”. Inoltre, le SASP funzionano come fonte di carbonio ed energia per la formazione della nuova cellula vegetativa a partire dall'endospora, un processo chiamato germinazione.
La trascrizione nei procarioti, come sappiamo, è un processo complesso che inizia con il riconoscimento di specifiche sequenze sul promotore localizzato a -35 e a -10 nucleotidi dal sito d'inizio della trascrizione. Questo riconoscimento viene effettuato da una particolare subunità della RNA polimerasi batterica denominata fattore σ. Infatti per rispondere a cambiamenti generali dell'ambiente, per esempio, E.Coli usa fattori sigma alternativi. Il fattore generale responsabile della trascrizione della maggior parte dei geni in condizioni normali è σ70, mentre i fattori alternativi σS, σ32, σE e σ54 sono attivati in risposta a cambiamenti ambientali. Un esempio di controllo tramite la produzione di fattori sigma nuovi si verifica durante l'infezione di B. subtilis da parte del fago SPO1. Il ciclo infettivo di SPO1 passa attraverso tre stadi di espressione genica. Immediatamente dopo l'infezione, sono trascritti i geni precoci del fago, dopo 4-5 minuti i geni precoci cessano di essere trascritti e vengono trascritti i geni intermedi e infine, dopo 8-12 minuti, la trascrizione dei geni intermedi è sostituita da quella dei geni tardivi. Quindi nello schema di regolazione si crea una cascata, in cui l'enzima dell'ospite trascrive un gene precoce il cui prodotto è necessario per trascrivere i geni intermedi e quindi due geni intermedi codificano per prodotti che sono necessari per trascrivere i geni tardivi. Forse l'esempio più esteso di passaggio tra un fattore sigma ad un altro è rappresentato proprio dalla sporulazione. In questo processo il DNA viene replicato, un genoma segrega ad un'estremità della cellula e alla fine viene circondato dal rivestimento resistente della spora. Quando si forma il setto, si generano due compartimenti indipendenti, la cellula madre e la prespora. La formazione del setto è preceduta dalla formazione degli anelli perisettati. Quest'ultimi sono delle regioni della parete in cui la membrana interna è strettamente connessa con la parete cellulare e con la membrana esterna. Nella nuova cellula l'anello perisettale è presente dapprima in posizione centrale. Man mano che la cellula aumenta di dimensioni si forma il setto proprio all'interno della zona delimitata dagli anelli perisettali e si cominciano a formare nuovi anelli ad entrambi i lati dell'anello iniziale. Questi nuovi anelli si muovono lungo la cellula fino a posizionarsi a ¼ e ¾ della lunghezza della cellula in accrescimento. Successivamente inizia ad invaginarsi il setto fino alla divisione delle cellule.
All'inizio del processo di sporulazione un cromosoma è attaccato a ciascun polo della cellula, quindi il setto in crescita intrappola parte del cromosoma nella prespora e alla fine una traslocasi (SPOIIIE) pompa il resto del cromosoma nella prespora. La sporulazione richiede circa 8 ore e può essere considerata come una specie primitiva di differenziamento, in cui una cellula parentale (il batterio vegetativo) dà origine a due cellule figlie diverse con destini differenti: la cellula madre viene alla fine lisata mentre la spora che viene rilasciata ha una struttura completamente diversa da quella del batterio originario. La cascata di sporulazione inizia quando un gruppo fosfato passa attraverso una serie di proteine fino a raggiungere SpoOA. Quest'ultimo è un regolatore trascrizionale la cui attività è influenzata dalla fosforilazione e che nella forma fosforilata attiva la trascrizione di due operoni, ciascuno dei quali è trascritto da una forma diversa della RNA polimerasi dell'ospite. Sotto la direzione di SpoOA fosforilato, l'enzima dell'ospite che utilizza il fattore generale σ43 trascrive il gene che codifica per il fattore σF e l'enzima dell'ospite sotto la direzione di un fattore minore, σH, trascrive il gene che codifica per il fattore pro-σE. Entrambi questi nuovi fattori sigma sono prodotti prima della formazione del setto, ma diventano attivi più tardi; σF  è il primo fattore che diventa attivo nel compartimento della prespora ed è inibito dal legame con un fattore anti-sigma che viene rimosso nella prespora da un fattore anti-anti-sigma. Questa reazione è controllata da una serie di eventi di fosforilazione/defosforilazione. Il determinante iniziale è una fosfatasi (SpoIIE) che è una proteina integrale di membrana che si accumula al polo, con il risultato che il suo dominio fosfatasico si concentra maggiormente nella prespora. SpoIIE defosforila, attivandolo, SpoIIAA, che a sua volta sposta il fattore anti-sigma SpoIIAB dal complesso SpoIIAB-σF e rilascia σF in forma attiva. L'attivazione di σF è l'inizio della sporulazione. Sotto la sua direzione, la RNA polimerasi trascrive la prima serie di geni della sporulazione invece dei geni vegetativi che trascriveva in precedenza. Il prodotto di alcuni geni precoci della sporulazione è σG che fa trascrivere all'RNA polimerasi i geni intermedi della sporulazione nella prespora. Un altro prodotto di un gene precoce della sporulazione è responsabile della comunicazione con in compartimento della cellula madre; σF attiva SpoIIR, che è secreto nella prespora e attiva quindi la proteina di membrana SpoIIGA a tagliare la forma inattiva del precursore pro-σE nella forma attivata σE nella cellula madre. La cascata continua quando σE è sostituito a sua volta da σK. Quest'ultimo fattore sigma, una volta attivato, provoca la trascrizione dei geni tardivi nella cellula madre. La tempistica di questi eventi è coordinata nei due compartimenti da ulteriori segnali. L'attività di σE nella cellula madre è necessaria per l'attivazione di σG nella prespora e l'attività di σG è a sua volta necessaria per generale un segnale che viene trasmesso attraverso il setto per attivare σK.