Biologia Molecolare I · IL GENOMA NUCLEARE Il genoma umano, similmente ai genomi di tutti gli...

Corso di Biologia

Molecolare I

Elia RanzatoE-mail: [email protected]: 0131360260

Il campo della biologia molecolare siinterseca anche con altre discipline nonbiologiche:per esempio con l'informatica perl'elaborazione dell'enorme mole di datiche vengono prodotti con tecniche adhigh-throughputo con la fisica nello studio dellebiomolecole a livello di strutturatridimensionale (biologia strutturale)

Definizioni

Acidi nucleici:

Gene:

Genoma:

molecole che codificano linformazione genetica. DNA, RNA

segmento di DNA che codifica per una catena polipeptidica

insieme delle sequenze di DNA di un organismo

Biologia Molecolare

In che modo viene conservato il materiale genetico?

Come viene decodificata linformazione contenuta nel materiale genetico?

IL GENOMA

Il Il Il Il genomagenomagenomagenoma l'insieme di tutte le informazioni biologiche necessarie alla costruzione e l'insieme di tutte le informazioni biologiche necessarie alla costruzione e l'insieme di tutte le informazioni biologiche necessarie alla costruzione e l'insieme di tutte le informazioni biologiche necessarie alla costruzione e

al mantenimento di un organismo vivente.al mantenimento di un organismo vivente.al mantenimento di un organismo vivente.al mantenimento di un organismo vivente.

Genomi a DNAGenomi a DNAGenomi a DNAGenomi a DNA

Organismi unicellulari e pluricellulari

Genomi a RNAGenomi a RNAGenomi a RNAGenomi a RNA

Alcuni virus

IL GENOMA NUCLEARE

Il genoma umano, similmente ai genomi di tutti gli Il genoma umano, similmente ai genomi di tutti gli Il genoma umano, similmente ai genomi di tutti gli Il genoma umano, similmente ai genomi di tutti gli

animali pluricellulari, costituito da due componenti animali pluricellulari, costituito da due componenti animali pluricellulari, costituito da due componenti animali pluricellulari, costituito da due componenti

distinte, il distinte, il distinte, il distinte, il genoma nuclearegenoma nuclearegenoma nuclearegenoma nucleare e il e il e il e il genoma genoma genoma genoma

mitocondrialemitocondrialemitocondrialemitocondriale....

Genoma nucleareGenoma nucleareGenoma nucleareGenoma nucleare Contiene circa 3 miliardi di nucleotidi raggruppati in molecole

lineari (Cromosomi):

22 coppie di autosomi (coppie di cromosomi uguali)

1 coppia di cromosomi sessuali, X e Y

XX nelle donne, XY negli uomini

Le cellule sessuali, o Le cellule sessuali, o Le cellule sessuali, o Le cellule sessuali, o gametigametigametigameti, sono , sono , sono , sono aploidiaploidiaploidiaploidi, contengono , contengono , contengono , contengono

cio solo una copia per cromosoma (23 cromosomi in cio solo una copia per cromosoma (23 cromosomi in cio solo una copia per cromosoma (23 cromosomi in cio solo una copia per cromosoma (23 cromosomi in

tutto) a differenza delle cellule somatiche che sono tutto) a differenza delle cellule somatiche che sono tutto) a differenza delle cellule somatiche che sono tutto) a differenza delle cellule somatiche che sono

diploididiploididiploididiploidi (46 cromosomi).(46 cromosomi).(46 cromosomi).(46 cromosomi).

IL GENOMA MITOCONDRIALE

E' una molecola di DNA circolare di circa 16 mila E' una molecola di DNA circolare di circa 16 mila E' una molecola di DNA circolare di circa 16 mila E' una molecola di DNA circolare di circa 16 mila

nucleotidi, presente in copie numerose nei nucleotidi, presente in copie numerose nei nucleotidi, presente in copie numerose nei nucleotidi, presente in copie numerose nei mitocondrimitocondrimitocondrimitocondri, , , ,

gli organelli che generano energia.gli organelli che generano energia.gli organelli che generano energia.gli organelli che generano energia.

Contiene informazioni per la sintesi di molecole di Contiene informazioni per la sintesi di molecole di Contiene informazioni per la sintesi di molecole di Contiene informazioni per la sintesi di molecole di rRNArRNArRNArRNA

e e e e tRNAtRNAtRNAtRNA....

IL PROGETTO GENOMA UMANO

Il Genoma fatto di DNA, molecola costituita da 4 diversi Il Genoma fatto di DNA, molecola costituita da 4 diversi Il Genoma fatto di DNA, molecola costituita da 4 diversi Il Genoma fatto di DNA, molecola costituita da 4 diversi tipi di tipi di tipi di tipi di nucleotidinucleotidinucleotidinucleotidi (A, C, G, T).(A, C, G, T).(A, C, G, T).(A, C, G, T).

Obiettivo del progetto: determinare la sequenza Obiettivo del progetto: determinare la sequenza Obiettivo del progetto: determinare la sequenza Obiettivo del progetto: determinare la sequenza nucleotidica dell'intero genoma nucleare umano.nucleotidica dell'intero genoma nucleare umano.nucleotidica dell'intero genoma nucleare umano.nucleotidica dell'intero genoma nucleare umano.

Progetto pubblico, finanziato da governi e organizzazioni Progetto pubblico, finanziato da governi e organizzazioni Progetto pubblico, finanziato da governi e organizzazioni Progetto pubblico, finanziato da governi e organizzazioni di tutto il mondo.di tutto il mondo.di tutto il mondo.di tutto il mondo.

Progetto privato: Celera Progetto privato: Celera Progetto privato: Celera Progetto privato: Celera GenomicsGenomicsGenomicsGenomics....

Risultati pubblicati nel 2001.Risultati pubblicati nel 2001.Risultati pubblicati nel 2001.Risultati pubblicati nel 2001.

Sequenziato circa l'84% del genoma umano, ad esclusione di alcune regioni telomeriche (estremit dei cromosomi) e prossimali ai centromeri (centro del cromosoma).

IL GENOMA: ATCGGACTGACTAGCATACAG

Ciascun progetto genoma ha prodotto oltre 2 miliardi e Ciascun progetto genoma ha prodotto oltre 2 miliardi e Ciascun progetto genoma ha prodotto oltre 2 miliardi e Ciascun progetto genoma ha prodotto oltre 2 miliardi e

mezzo di sequenze di coppie di basi.mezzo di sequenze di coppie di basi.mezzo di sequenze di coppie di basi.mezzo di sequenze di coppie di basi.

L'intera sequenza del genoma umano, scritta in Times L'intera sequenza del genoma umano, scritta in Times L'intera sequenza del genoma umano, scritta in Times L'intera sequenza del genoma umano, scritta in Times

New Roman, dimensione 12, avrebbe una lunghezza New Roman, dimensione 12, avrebbe una lunghezza New Roman, dimensione 12, avrebbe una lunghezza New Roman, dimensione 12, avrebbe una lunghezza

di 5000 km!di 5000 km!di 5000 km!di 5000 km!

Ogni essere umano ha una propria sequenza genomica Ogni essere umano ha una propria sequenza genomica Ogni essere umano ha una propria sequenza genomica Ogni essere umano ha una propria sequenza genomica

individuale, ad eccezione dei gemelli omozigoti.individuale, ad eccezione dei gemelli omozigoti.individuale, ad eccezione dei gemelli omozigoti.individuale, ad eccezione dei gemelli omozigoti.

Principali differenze tra i genomi di due individui diversi:Principali differenze tra i genomi di due individui diversi:Principali differenze tra i genomi di due individui diversi:Principali differenze tra i genomi di due individui diversi: Polimorfismi (Posizioni nella sequenza contenenti nucleotidi

differenti)

Microsatelliti (Sequenze ripetute di nucleotidi, differenti in numero

tra un individuo ed un altro)

LA SEQUENZA DEL GENOMA

La sequenza nucleotidica del genoma presente La sequenza nucleotidica del genoma presente La sequenza nucleotidica del genoma presente La sequenza nucleotidica del genoma presente su ciascuno dei due filamenti della doppia su ciascuno dei due filamenti della doppia su ciascuno dei due filamenti della doppia su ciascuno dei due filamenti della doppia elica del DNA.elica del DNA.elica del DNA.elica del DNA.

I due filamenti sono I due filamenti sono I due filamenti sono I due filamenti sono antiparalleliantiparalleliantiparalleliantiparalleli, uno in direzione , uno in direzione , uno in direzione , uno in direzione 5'5'5'5'----3' e l'altro in direzione 3'3' e l'altro in direzione 3'3' e l'altro in direzione 3'3' e l'altro in direzione 3'----5':5':5':5':

5'- AGATCGATACGAAAGTAC -3'

||||||||||||||||||

3'- TCTAGCTATGCTTTCATG -5'

Dato un filamento possibile costruire l'altro per Dato un filamento possibile costruire l'altro per Dato un filamento possibile costruire l'altro per Dato un filamento possibile costruire l'altro per complementarit: ciascun filamento contiene complementarit: ciascun filamento contiene complementarit: ciascun filamento contiene complementarit: ciascun filamento contiene la stessa informazione!la stessa informazione!la stessa informazione!la stessa informazione!

COSA C' SCRITTO NEL GENOMA?

Il genoma contiene tutte le informazioni necessarie al Il genoma contiene tutte le informazioni necessarie al Il genoma contiene tutte le informazioni necessarie al Il genoma contiene tutte le informazioni necessarie al

funzionamento di un intero organismo.funzionamento di un intero organismo.funzionamento di un intero organismo.funzionamento di un intero organismo.

Ogni cellula contiene una copia del Genoma.Ogni cellula contiene una copia del Genoma.Ogni cellula contiene una copia del Genoma.Ogni cellula contiene una copia del Genoma.

Alcune informazioni sono utilizzate allo stesso modo Alcune informazioni sono utilizzate allo stesso modo Alcune informazioni sono utilizzate allo stesso modo Alcune informazioni sono utilizzate allo stesso modo

da ogni tipo di cellula, altre sono invece da ogni tipo di cellula, altre sono invece da ogni tipo di cellula, altre sono invece da ogni tipo di cellula, altre sono invece

caratteristiche di determinati tipi cellulari.caratteristiche di determinati tipi cellulari.caratteristiche di determinati tipi cellulari.caratteristiche di determinati tipi cellulari.

Un Un Un Un neuroneneuroneneuroneneurone ed un ed un ed un ed un leucocitaleucocitaleucocitaleucocita (globulo bianco) (globulo bianco) (globulo bianco) (globulo bianco)

contengono lo stesso genoma e quindi le stesse contengono lo stesso genoma e quindi le stesse contengono lo stesso genoma e quindi le stesse contengono lo stesso genoma e quindi le stesse

informazioni, ma non le utilizzano tutte allo stesso informazioni, ma non le utilizzano tutte allo stesso informazioni, ma non le utilizzano tutte allo stesso informazioni, ma non le utilizzano tutte allo stesso

modo.modo.modo.modo.

COM' ORGANIZZATO IL GENOMA?

Il Progetto Genoma di un organismo ci rivela la Il Progetto Genoma di un organismo ci rivela la Il Progetto Genoma di un organismo ci rivela la Il Progetto Genoma di un organismo ci rivela la

sua sequenza nucleotidica: a quel punto sua sequenza nucleotidica: a quel punto sua sequenza nucleotidica: a quel punto sua sequenza nucleotidica: a quel punto

occorre riuscire ad interpretarla occorre riuscire ad interpretarla occorre riuscire ad interpretarla occorre riuscire ad interpretarla

correttamente!correttamente!correttamente!correttamente!

La sequenza di un Genoma apparentemente La sequenza di un Genoma apparentemente La sequenza di un Genoma apparentemente La sequenza di un Genoma apparentemente

una successione casuale di nucleotidi; in una successione casuale di nucleotidi; in una successione casuale di nucleotidi; in una successione casuale di nucleotidi; in

realt sono distinguibili diversi tipi di elementi, realt sono distinguibili diversi tipi di elementi, realt sono distinguibili diversi tipi di elementi, realt sono distinguibili diversi tipi di elementi,

strutturati in maniera ben precisa, ciascuno strutturati in maniera ben precisa, ciascuno strutturati in maniera ben precisa, ciascuno strutturati in maniera ben precisa, ciascuno

preposto ad una ben determinata funzione.preposto ad una ben determinata funzione.preposto ad una ben determinata funzione.preposto ad una ben determinata funzione.

ELEMENTI TIPICI DI UN GENOMA

GeniGeniGeniGeni

PseudogeniPseudogeniPseudogeniPseudogeni

Sequenze ripetuteSequenze ripetuteSequenze ripetuteSequenze ripetute

MicrosatellitiMicrosatellitiMicrosatellitiMicrosatelliti

I GENI

Un Un Un Un genegenegenegene un segmento di genoma contenente l'informazione per la sintesi di una un segmento di genoma contenente l'informazione per la sintesi di una un segmento di genoma contenente l'informazione per la sintesi di una un segmento di genoma contenente l'informazione per la sintesi di una

proteina.proteina.proteina.proteina.

Trascrizione/TraduzioneGene

ProteinaLa sequenza nucleotidica del gene contiene la "ricetta" per la sintesi della proteina.

I GENI (2)

L'espressione dei geni coinvolge un intermediario L'espressione dei geni coinvolge un intermediario L'espressione dei geni coinvolge un intermediario L'espressione dei geni coinvolge un intermediario

chiamato chiamato chiamato chiamato RNA messaggeroRNA messaggeroRNA messaggeroRNA messaggero, che copia la sequenza del , che copia la sequenza del , che copia la sequenza del , che copia la sequenza del

gene e la porta fino al citoplasma, dove la sequenza gene e la porta fino al citoplasma, dove la sequenza gene e la porta fino al citoplasma, dove la sequenza gene e la porta fino al citoplasma, dove la sequenza

viene tradotta affinch avvenga la sintesi della viene tradotta affinch avvenga la sintesi della viene tradotta affinch avvenga la sintesi della viene tradotta affinch avvenga la sintesi della

proteina (nei proteina (nei proteina (nei proteina (nei ribosomiribosomiribosomiribosomi).).).).

Non tutti i geni per codificano proteine.Non tutti i geni per codificano proteine.Non tutti i geni per codificano proteine.Non tutti i geni per codificano proteine.

Alcuni di essi infatti specificano vari tipi di RNA non Alcuni di essi infatti specificano vari tipi di RNA non Alcuni di essi infatti specificano vari tipi di RNA non Alcuni di essi infatti specificano vari tipi di RNA non

codificante, alcuni dei quali verranno introdotti pi codificante, alcuni dei quali verranno introdotti pi codificante, alcuni dei quali verranno introdotti pi codificante, alcuni dei quali verranno introdotti pi

avanti.avanti.avanti.avanti.

GLI PSEUDOGENI

Gli Gli Gli Gli pseudogenipseudogenipseudogenipseudogeni sono copie non funzionali di geni.sono copie non funzionali di geni.sono copie non funzionali di geni.sono copie non funzionali di geni.

Sono una sorta di relitti evolutivi. Sono una sorta di relitti evolutivi. Sono una sorta di relitti evolutivi. Sono una sorta di relitti evolutivi.

Gli Gli Gli Gli pseudogenipseudogenipseudogenipseudogeni convenzionali sono geni inattivati in convenzionali sono geni inattivati in convenzionali sono geni inattivati in convenzionali sono geni inattivati in

seguito ad una o pi mutazioni nella loro sequenza seguito ad una o pi mutazioni nella loro sequenza seguito ad una o pi mutazioni nella loro sequenza seguito ad una o pi mutazioni nella loro sequenza

nucleotidica. nucleotidica. nucleotidica. nucleotidica.

Una volta che uno Una volta che uno Una volta che uno Una volta che uno pseudogenepseudogenepseudogenepseudogene diventato diventato diventato diventato

completamente non funzionale si degrader per completamente non funzionale si degrader per completamente non funzionale si degrader per completamente non funzionale si degrader per

accumulazione di ulteriori mutazioni e potrebbe accumulazione di ulteriori mutazioni e potrebbe accumulazione di ulteriori mutazioni e potrebbe accumulazione di ulteriori mutazioni e potrebbe

addirittura non essere pi riconosciuto come relitto addirittura non essere pi riconosciuto come relitto addirittura non essere pi riconosciuto come relitto addirittura non essere pi riconosciuto come relitto

genico.genico.genico.genico.

JUNK DNA

Circa il 62% del genoma umano costituito da regioni Circa il 62% del genoma umano costituito da regioni Circa il 62% del genoma umano costituito da regioni Circa il 62% del genoma umano costituito da regioni intergenicheintergenicheintergenicheintergeniche, parti del genoma che si trovano tra i , parti del genoma che si trovano tra i , parti del genoma che si trovano tra i , parti del genoma che si trovano tra i geni e la cui funzione sconosciuta.geni e la cui funzione sconosciuta.geni e la cui funzione sconosciuta.geni e la cui funzione sconosciuta.

Queste sequenze venivano chiamate Queste sequenze venivano chiamate Queste sequenze venivano chiamate Queste sequenze venivano chiamate Junk DNAJunk DNAJunk DNAJunk DNA (DNA (DNA (DNA (DNA spazzatura), perch non se ne conosceva la funzione.spazzatura), perch non se ne conosceva la funzione.spazzatura), perch non se ne conosceva la funzione.spazzatura), perch non se ne conosceva la funzione.

Ricerche recenti tendono invece a rivalutare tali Ricerche recenti tendono invece a rivalutare tali Ricerche recenti tendono invece a rivalutare tali Ricerche recenti tendono invece a rivalutare tali sequenze, che si rivelano potenzialmente coinvolte in sequenze, che si rivelano potenzialmente coinvolte in sequenze, che si rivelano potenzialmente coinvolte in sequenze, che si rivelano potenzialmente coinvolte in numerosi processi: non detto che ci di cui non numerosi processi: non detto che ci di cui non numerosi processi: non detto che ci di cui non numerosi processi: non detto che ci di cui non capiamo ancora la funzione sia poco importante!capiamo ancora la funzione sia poco importante!capiamo ancora la funzione sia poco importante!capiamo ancora la funzione sia poco importante!

RIPETIZIONI DISPERSE E MICROSATELLITI

La grande maggioranza del DNA La grande maggioranza del DNA La grande maggioranza del DNA La grande maggioranza del DNA intergenicointergenicointergenicointergenico

rappresentata da sequenze ripetute di vario rappresentata da sequenze ripetute di vario rappresentata da sequenze ripetute di vario rappresentata da sequenze ripetute di vario

tipo.tipo.tipo.tipo.

Il Il Il Il DNA ripetitivoDNA ripetitivoDNA ripetitivoDNA ripetitivo pu essere diviso in due pu essere diviso in due pu essere diviso in due pu essere diviso in due

categorie:categorie:categorie:categorie:

Ripetizioni intersperse

DNA ripetuto in tandem

RIPETIZIONI INTERSPERSE

Esistono 4 tipi di ripetizioni disperse nel Esistono 4 tipi di ripetizioni disperse nel Esistono 4 tipi di ripetizioni disperse nel Esistono 4 tipi di ripetizioni disperse nel

genoma:genoma:genoma:genoma:

SINE

LINE

Elementi LTR

Trasposoni a DNA

Ciascun tipo di queste ripetizioni sembra Ciascun tipo di queste ripetizioni sembra Ciascun tipo di queste ripetizioni sembra Ciascun tipo di queste ripetizioni sembra

derivare da un elemento trasponibile, un derivare da un elemento trasponibile, un derivare da un elemento trasponibile, un derivare da un elemento trasponibile, un

segmento mobile di DNA in grado di spostarsi segmento mobile di DNA in grado di spostarsi segmento mobile di DNA in grado di spostarsi segmento mobile di DNA in grado di spostarsi

da una posizione ad un'altra del genoma, da una posizione ad un'altra del genoma, da una posizione ad un'altra del genoma, da una posizione ad un'altra del genoma,

lasciando una propria copia.lasciando una propria copia.lasciando una propria copia.lasciando una propria copia.

MICROSATELLITI

I I I I microsatellitimicrosatellitimicrosatellitimicrosatelliti sono ripetizioni in tandem di DNA.sono ripetizioni in tandem di DNA.sono ripetizioni in tandem di DNA.sono ripetizioni in tandem di DNA.

In un In un In un In un microsatellitemicrosatellitemicrosatellitemicrosatellite l'unit ripetuta l'unit ripetuta l'unit ripetuta l'unit ripetuta generalmente breve, fino a 13 generalmente breve, fino a 13 generalmente breve, fino a 13 generalmente breve, fino a 13 bpbpbpbp (base (base (base (base pairspairspairspairs paia di basi).paia di basi).paia di basi).paia di basi).

Non si sa se i Non si sa se i Non si sa se i Non si sa se i microsatellitimicrosatellitimicrosatellitimicrosatelliti hanno una funzione.hanno una funzione.hanno una funzione.hanno una funzione.

Derivano da un errore del processo di Derivano da un errore del processo di Derivano da un errore del processo di Derivano da un errore del processo di replicazione del genoma durante la divisione replicazione del genoma durante la divisione replicazione del genoma durante la divisione replicazione del genoma durante la divisione cellulare, quindi potrebbero rappresentare cellulare, quindi potrebbero rappresentare cellulare, quindi potrebbero rappresentare cellulare, quindi potrebbero rappresentare semplicemente un prodotto inevitabile della semplicemente un prodotto inevitabile della semplicemente un prodotto inevitabile della semplicemente un prodotto inevitabile della replicazione genomica.replicazione genomica.replicazione genomica.replicazione genomica.

IL GENOMA UMANO

I GENOMI DEGLI EUCARIOTI

Le strutture di base di tutti i genomi Le strutture di base di tutti i genomi Le strutture di base di tutti i genomi Le strutture di base di tutti i genomi

eucariotici sono simili, ad eccezione eucariotici sono simili, ad eccezione eucariotici sono simili, ad eccezione eucariotici sono simili, ad eccezione

della dimensione.della dimensione.della dimensione.della dimensione.

Funghi: 12-25 Mb

Protozoi: 190 Mb

Invertebrati: 97-5000 Mb

Vertebrati: 400-3300 Mb

Piante: 125-120000 Mb

GRANDE GENOMA = MOLTI GENI?

La dimensione del genoma correlata al numero di geni che esso La dimensione del genoma correlata al numero di geni che esso La dimensione del genoma correlata al numero di geni che esso La dimensione del genoma correlata al numero di geni che esso

contiene?contiene?contiene?contiene?

Non detto!Non detto!Non detto!Non detto!

Se dimensione e numero di geni fossero correlate, il lievito Se dimensione e numero di geni fossero correlate, il lievito Se dimensione e numero di geni fossero correlate, il lievito Se dimensione e numero di geni fossero correlate, il lievito

dovrebbe contenere, in proporzione a quello umano, solo 100 dovrebbe contenere, in proporzione a quello umano, solo 100 dovrebbe contenere, in proporzione a quello umano, solo 100 dovrebbe contenere, in proporzione a quello umano, solo 100

geni, mentre ne contiene 5800!geni, mentre ne contiene 5800!geni, mentre ne contiene 5800!geni, mentre ne contiene 5800!

Saccharomyces cerevisiae (lievito) Homo sapiens (uomo)

Genoma: 12 Mb

(0,004 volte la grandezza del genoma umano)

Genoma: 3200 Mb

Geni: 5800 Geni: 25000

IL PARADOSSO DEL VALORE C

Con Con Con Con valore Cvalore Cvalore Cvalore C si intende la quantit di DNA per genoma; si intende la quantit di DNA per genoma; si intende la quantit di DNA per genoma; si intende la quantit di DNA per genoma; non c un'ovvia correlazione fra la complessit degli non c un'ovvia correlazione fra la complessit degli non c un'ovvia correlazione fra la complessit degli non c un'ovvia correlazione fra la complessit degli organismi e la quantit di DNA del genoma. organismi e la quantit di DNA del genoma. organismi e la quantit di DNA del genoma. organismi e la quantit di DNA del genoma.

In realt nei genomi degli organismi meno complessi si In realt nei genomi degli organismi meno complessi si In realt nei genomi degli organismi meno complessi si In realt nei genomi degli organismi meno complessi si risparmia spazio in quanto i geni sono pi vicini tra risparmia spazio in quanto i geni sono pi vicini tra risparmia spazio in quanto i geni sono pi vicini tra risparmia spazio in quanto i geni sono pi vicini tra loro.loro.loro.loro.

Confrontando il genoma umano con quello del lievito, Confrontando il genoma umano con quello del lievito, Confrontando il genoma umano con quello del lievito, Confrontando il genoma umano con quello del lievito, emerge che l'organizzazione di quest'ultimo molto emerge che l'organizzazione di quest'ultimo molto emerge che l'organizzazione di quest'ultimo molto emerge che l'organizzazione di quest'ultimo molto pi economica di quella del genoma umano:pi economica di quella del genoma umano:pi economica di quella del genoma umano:pi economica di quella del genoma umano:

I geni sono pi compatti

Le sequenze intergeniche sono pi piccole

Le ripetizioni disperse e le altre sequenze non codificanti occupano molto meno spazio

Il genoma del lievito pi "concentrato"!Il genoma del lievito pi "concentrato"!Il genoma del lievito pi "concentrato"!Il genoma del lievito pi "concentrato"!

I GENOMI DEI PROCARIOTI

I genomi dei procarioti sono molto I genomi dei procarioti sono molto I genomi dei procarioti sono molto I genomi dei procarioti sono molto

differenti da quelli degli eucarioti:differenti da quelli degli eucarioti:differenti da quelli degli eucarioti:differenti da quelli degli eucarioti:

Sono molto pi piccoli

Sono molto pi compatti

Sono contenuti in una singola

molecola di DNA circolare

Alcuni geni possono essere

localizzati su molecole indipendenti

di DNA pi piccole, chiamate

plasmidi.

I GENI

Il Il Il Il genegenegenegene l'unit ereditaria e funzionale degli organismi l'unit ereditaria e funzionale degli organismi l'unit ereditaria e funzionale degli organismi l'unit ereditaria e funzionale degli organismi viventi. viventi. viventi. viventi.

La maggior parte dei geni codifica La maggior parte dei geni codifica La maggior parte dei geni codifica La maggior parte dei geni codifica proteineproteineproteineproteine, che sono le , che sono le , che sono le , che sono le macromolecole maggiormente coinvolte nei processi macromolecole maggiormente coinvolte nei processi macromolecole maggiormente coinvolte nei processi macromolecole maggiormente coinvolte nei processi biochimici e metabolici della cellula. biochimici e metabolici della cellula. biochimici e metabolici della cellula. biochimici e metabolici della cellula.

Altri geni non codificano proteine, ma producono RNA Altri geni non codificano proteine, ma producono RNA Altri geni non codificano proteine, ma producono RNA Altri geni non codificano proteine, ma producono RNA non codificante, che pu giocare un ruolo non codificante, che pu giocare un ruolo non codificante, che pu giocare un ruolo non codificante, che pu giocare un ruolo fondamentale nella sintesi delle proteine e fondamentale nella sintesi delle proteine e fondamentale nella sintesi delle proteine e fondamentale nella sintesi delle proteine e nell'espressione genica (La trascrizione del DNA in nell'espressione genica (La trascrizione del DNA in nell'espressione genica (La trascrizione del DNA in nell'espressione genica (La trascrizione del DNA in RNA e la traduzione dell'RNA in proteina).RNA e la traduzione dell'RNA in proteina).RNA e la traduzione dell'RNA in proteina).RNA e la traduzione dell'RNA in proteina).

Parte del contenuto dei geni non viene trascritto, ma pu Parte del contenuto dei geni non viene trascritto, ma pu Parte del contenuto dei geni non viene trascritto, ma pu Parte del contenuto dei geni non viene trascritto, ma pu coordinare la stessa espressione genica. coordinare la stessa espressione genica. coordinare la stessa espressione genica. coordinare la stessa espressione genica.

Tra queste regioni figurano i Tra queste regioni figurano i Tra queste regioni figurano i Tra queste regioni figurano i promotoripromotoripromotoripromotori, i , i , i , i terminatoriterminatoriterminatoriterminatori e gli e gli e gli e gli introniintroniintroniintroni ....

DNADNADNADNAPERCORSO STORICOPERCORSO STORICOPERCORSO STORICOPERCORSO STORICO

LE TAPPE CHE HANNO PORTATO A IDENTIFICARE NEL DNA IL MATERIALE EREDITARIO

1865 I geni sono dei fattori particolati

1903 I cromosomi sono unit ereditarie

1910 I geni sono localizzati nei cromosomi

1913 I cromosomi contengono degli insiemi lineari di geni

1927 Le mutazioni sono dei cambiamenti fisici nei geni

1931 La ricombinazione causata dal crossing-over

1944 Il DNA il materiale genetico

1945 Un gene codifica una proteina

1953 Il DNA ha una struttura a doppia elica

1958 Il DNA si replica in maniera semiconservativa

1961 Il codice genetico costituito da triplette di basi

1977 Sequenziamento del DNA

1997 Sequenziamento di interi genomi

Primi studi chimici sul DNA

Un passo indietroJohan Friedrich Miescher (1844 1895) stato un biologo svizzero, che isol per la prima volta gli acidi nucleici.Egli evidenzi infatti nel 1869, la presenza di vari composti chimici ricchi in fosfato all'interno dei nuclei dei leucociti. La scoperta di tali molecole, che egli denomin nucleina, apr la strada all'identificazione del DNA come molecola responsabile della conservazione e della trasmissione dei caratteri ereditari.

LA DOMANDA DEL MONDO SCIENTIFICO

in quale parte del cromosoma sono contenute le in quale parte del cromosoma sono contenute le in quale parte del cromosoma sono contenute le in quale parte del cromosoma sono contenute le

informazioni dellorganismo? Nella frazione informazioni dellorganismo? Nella frazione informazioni dellorganismo? Nella frazione informazioni dellorganismo? Nella frazione

proteica?...o nella frazione zuccherina?proteica?...o nella frazione zuccherina?proteica?...o nella frazione zuccherina?proteica?...o nella frazione zuccherina?

Ci vorranno 40 anni di ricerche per rispondereCi vorranno 40 anni di ricerche per rispondereCi vorranno 40 anni di ricerche per rispondereCi vorranno 40 anni di ricerche per rispondere

Un principio trasformante converte

il ceppo R in S

Avery:il fattoreTrasformante il DNA(per sei anni non gli credeNessuno)

conduce alla scoperta di un fattore in grado di trasformarepneumococchi non virulenti in pneumococchi virulenti.

Griffith lo chiam FATTORE TRASFORMANTE, fattore in grado di contenere le informazioni di un organismi

+estratto cellulare S

1865 I geni sono dei fattori particolati

1903 I cromosomi sono unit ereditarie

1910 I geni sono localizzati nei cromosomi

1913 I cromosomi contengono degli insiemi lineari di geni

1927 Le mutazione sono dei cambiamenti fisici nei geni

1931 La ricombinazione causata dal crossing-over

1944 Il DNA il materiale genetico

1945 Un gene codifica una proteina

1953 Il DNA ha una struttura a doppia elica

1958 Il DNA si replica in maniera semiconservativa

1961 Il codice genetico costituito da triplette di basi

1977 Sequenzamento del DNA

1997 Sequenzamento di interi genomi

LA CERTEZZA ASSOLUTA: LE INFORMAZIONI SONO CONTENUTE NEL DNA (ESPERIMENTI DI ALFRED HARSHEY E MARTHA CHASE)

MECCANISMO DI INFEZIONE VIRALE

La regola di Chargaff: la quantit di A uguale alla quantit di Tla quantit di G uguale alla quantit di Cla quantit di G+A uguale alla quantit di C+T

Rosalin Franklin(1952): ad un passo dalla soluzione

Rosalind Franklin 1952

LE SCOPERTE DELLA FRANKLIN

Il Dna composto da due cateneIl Dna composto da due cateneIl Dna composto da due cateneIl Dna composto da due catene

Le due catene sono avvolte ad elica Le due catene sono avvolte ad elica Le due catene sono avvolte ad elica Le due catene sono avvolte ad elica

attorno ad un asseattorno ad un asseattorno ad un asseattorno ad un asse

La distanza tra le due eliche 2 La distanza tra le due eliche 2 La distanza tra le due eliche 2 La distanza tra le due eliche 2

nanometrinanometrinanometrinanometri

Struttura errata a tripla elica proposta da Pauling nel 1952

A-T

G-C

Accoppiamento di basi proposto da Watson e Crick

LadeninaLadeninaLadeninaLadenina sisisisi legalegalegalega allaallaallaalla timinatiminatiminatimina con 2 con 2 con 2 con 2 legamilegamilegamilegami

idrogenoidrogenoidrogenoidrogeno....

La La La La citosinacitosinacitosinacitosina sisisisi legalegalegalega allaallaallaalla guaninaguaninaguaninaguanina con 3 con 3 con 3 con 3

legamilegamilegamilegami idrogenoidrogenoidrogenoidrogeno....

OgniOgniOgniOgni coppiacoppiacoppiacoppia di di di di basibasibasibasi costituitacostituitacostituitacostituita da da da da unaunaunauna

purinapurinapurinapurina e e e e unaunaunauna pirimidinapirimidinapirimidinapirimidina....

Accoppiamenti complementari delle basi del DNA

Watson e Crick (1953): Lintelligenza della visione dinsieme nel modello a doppia elica

ELEMENTI CHIAVE DELLA STRUTTURA DEL DNA

Elica a doppio filamento con diametro uniformeElica a doppio filamento con diametro uniformeElica a doppio filamento con diametro uniformeElica a doppio filamento con diametro uniforme

Elica destrorsaElica destrorsaElica destrorsaElica destrorsa

I due filamenti sono antiparalleliI due filamenti sono antiparalleliI due filamenti sono antiparalleliI due filamenti sono antiparalleli

Le basi sono allinterno dellelica, Le basi sono allinterno dellelica, Le basi sono allinterno dellelica, Le basi sono allinterno dellelica,

perpendicolari allasse dellelica e formano perpendicolari allasse dellelica e formano perpendicolari allasse dellelica e formano perpendicolari allasse dellelica e formano

coppie di basi complementaricoppie di basi complementaricoppie di basi complementaricoppie di basi complementari

Watson, Crick, and Wilkins were awarded the 1962 Nobel Prize in Physiology or Medicine "for their discoveries concerning the molecular structure of nucleic acids and its significance for information transfer in living material.

OGNI PARTICOLARE AL POSTO GIUSTO

I geni sono contenuti nel DnaI geni sono contenuti nel DnaI geni sono contenuti nel DnaI geni sono contenuti nel Dna

Il Dna composto da 4 tipi di nucleotidi Il Dna composto da 4 tipi di nucleotidi Il Dna composto da 4 tipi di nucleotidi Il Dna composto da 4 tipi di nucleotidi

Ogni nucleotide composto da uno zucchero Ogni nucleotide composto da uno zucchero Ogni nucleotide composto da uno zucchero Ogni nucleotide composto da uno zucchero pentoso, un gruppo fosfato e una base azotatapentoso, un gruppo fosfato e una base azotatapentoso, un gruppo fosfato e una base azotatapentoso, un gruppo fosfato e una base azotata

In qualsiasi genoma cambia la quantit di In qualsiasi genoma cambia la quantit di In qualsiasi genoma cambia la quantit di In qualsiasi genoma cambia la quantit di nucleotidi ma resta fisso il rapporto 1:1 tra nucleotidi ma resta fisso il rapporto 1:1 tra nucleotidi ma resta fisso il rapporto 1:1 tra nucleotidi ma resta fisso il rapporto 1:1 tra adenina adenina adenina adenina timina e guanina timina e guanina timina e guanina timina e guanina citosinacitosinacitosinacitosina

Il legame a idrogeno pu mantenere stabili le Il legame a idrogeno pu mantenere stabili le Il legame a idrogeno pu mantenere stabili le Il legame a idrogeno pu mantenere stabili le strutture organichestrutture organichestrutture organichestrutture organiche

Il DNA una doppia elica con distanza tra le due Il DNA una doppia elica con distanza tra le due Il DNA una doppia elica con distanza tra le due Il DNA una doppia elica con distanza tra le due fibre pari a 2 nanometrifibre pari a 2 nanometrifibre pari a 2 nanometrifibre pari a 2 nanometri

La struttura chimica del DNA

B. LEWIN, IL GENE - Edizione compatta, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright 2007

OCH2OH OH

OH

1

23

4

5 OCH2OH OH

OH

1

23

OH

4

5

2-desossiribosio( 2-deoxyribose ) ribosio

N

NN

NH

1

2

3

4

56 7

8

9 N

NN

NH

NH2

N

NN

NH

O

H2N

H

purina adenina guanina

N

N

1

2

3

4

5

6N

N

NH2

HO N

N

O

H

H

O N

N

O

H

H

O

CH3

pirimidina citosina uracile timina

Componenti chimici degli acidi nucleici

O

P O

O-

OO

CH2

OHOH

O

P

O-

O

O

P

O-

-O

Struttura

Acido NucleicoAcido NucleicoAcido NucleicoAcido Nucleico

ZuccheroZuccheroZuccheroZucchero

Base AzotataBase AzotataBase AzotataBase Azotata

FosfatoFosfatoFosfatoFosfato

NucleosideNucleosideNucleosideNucleoside

NucleotideNucleotideNucleotideNucleotide





Zucchero.

Il DNA contiene il D-2-desossiribosio

RNA contiene il

D-ribosio

Gruppi Fosfato

NucleosideNucleoside

64

ZuccheroZuccheroZuccheroZuccheroZuccheroZuccheroZuccheroZucchero

BaseBaseBaseBase AzotataAzotataAzotataAzotata


Legame dellN1 della Legame dellN1 della Legame dellN1 della Legame dellN1 della Base AzotataBase AzotataBase AzotataBase Azotata

con il C1 dello con il C1 dello con il C1 dello con il C1 dello ZuccheroZuccheroZuccheroZucchero

NOOH

OH OH

N

NN

NH2

NOOH

OH OH

N

NN

NH2

65


Legame estereo dellAcido FosforicoLegame estereo dellAcido FosforicoLegame estereo dellAcido FosforicoLegame estereo dellAcido Fosforico

con lossidrile in C5 dello con lossidrile in C5 dello con lossidrile in C5 dello con lossidrile in C5 dello ZuccheroZuccheroZuccheroZucchero

FosfatoFosfatoFosfatoFosfato



OO

OH

P

O-

O-

O N

N

O

O

HCH3

OO

OH

P

O-

O-

O N

N

O

O

HCH3

66Acidi Nucleici Acidi Nucleici

Ciascun nucleotide formato datre molecole

Fosfato

Zucchero

Base azotata

Lo zucchero (un pentoso) :

Il Desossiribosio nel DNA

Il Ribosio nel RNA

Lo zucchero (un pentoso) :

Il Desossiribosio nel DNA

Il Ribosio nel RNA

I diversi nucleotidi sonolegati tra loro attraverso ilgruppo fosfato

Gruppo fosfato Zucchero pentoso Base azotata

DesossiribonucleotidiDesossiribonucleotidi

67

NOO

OH

N

NN

NH2

P

O

O-

O-

OO

OH

P

O

O-O

-N

NH

N

N

NH2

O

OO

OH

P

O

O-O

-

N

N

NH2

OOO

OH

P

O

O-O

-N

N

O

O

HCH3

2222----Deossiadenosina 5Deossiadenosina 5Deossiadenosina 5Deossiadenosina 5----fosfatofosfatofosfatofosfato

2222----Deossicitidina 5Deossicitidina 5Deossicitidina 5Deossicitidina 5----fosfatofosfatofosfatofosfato 2222----Deossitimidina 5Deossitimidina 5Deossitimidina 5Deossitimidina 5----fosfatofosfatofosfatofosfato

2222----Deossiguanosina 5Deossiguanosina 5Deossiguanosina 5Deossiguanosina 5----fosfatofosfatofosfatofosfato

Ribonucleotidi

68

NOO

OH OH

N

NN

NH2

P

O

O-O

-OO

OH OH

P

O

O-

O- N

NH

N

N

NH2

O

OO

OH OH

P

O

O-O

-

N

N

NH2

OOO

OH OH

P

O

O-

O- N

N

O

O

H

Adenosina 5Adenosina 5Adenosina 5Adenosina 5----fosfatofosfatofosfatofosfato

Citidina 5Citidina 5Citidina 5Citidina 5----fosfatofosfatofosfatofosfato Uridina 5Uridina 5Uridina 5Uridina 5----fosfatofosfatofosfatofosfato

Guanosina 5Guanosina 5Guanosina 5Guanosina 5----fosfatofosfatofosfatofosfato

Struttura primaria degli acidi nucleici

Come per le proteine, gli acidi nucleicihanno una struttura primaria, costituitadalla sequenza di basi e unadirezionalit che presenta un estremit5' libera da un lato ed una 3' liberadall'altro.

Per convenzione le sequenze degli acidinucleici sono scritte a partire dalla 5'finendo alla 3'. Secondo questaconvenzione i legami fosfodiesteri vannodal 3' al 5'

Sequenza

Si descrive attraversoSi descrive attraversoSi descrive attraversoSi descrive attraverso

lordine delle Basi Azotatelordine delle Basi Azotatelordine delle Basi Azotatelordine delle Basi Azotate

partendo dallestremit 5 fino allestremit 3partendo dallestremit 5 fino allestremit 3partendo dallestremit 5 fino allestremit 3partendo dallestremit 5 fino allestremit 3

AdenosinaAdenosinaAdenosinaAdenosina

(Base Azotata)(Base Azotata)(Base Azotata)(Base Azotata)

AdenosinaAdenosinaAdenosinaAdenosina


CitosinaCitosinaCitosinaCitosina


TiminaTiminaTiminaTimina


ZuccheroZuccheroZuccheroZuccheroFosfatoFosfatoFosfatoFosfato ZuccheroZuccheroZuccheroZuccheroFosfatoFosfatoFosfatoFosfato ZuccheroZuccheroZuccheroZuccheroFosfatoFosfatoFosfatoFosfato FosfatoFosfatoFosfatoFosfato

----AAAA----TTTT----CCCC----

La struttura secondaria del DNALa doppia elica

Studi ai raggi X

Sistema regolare che si ripeteva con una

certa periodicit

Le quantit di A e di T erano sempre uguali

e che le quantit di G e C erano uguali

Studi ai raggi X

Sistema regolare che si ripeteva con una

certa periodicit

Le quantit di A e di T erano sempre uguali

e che le quantit di G e C erano uguali

Struttura secondaria del DNA

La struttura secondaria non casuale ma dovuta ai legami ad idrogeno che siformano tra le basi

Struttura secondaria DNA

- Gli spettri mostravano la presenza di un'elica

- la spaziatura tra le macchie mostravano che c'erano

10 basi per giro d'elica

- la densit delle fibre indicava la presenza di due

molecole per elica.

Watson e Crick proposero che la doppia elica fosse

stabilizzata dalla formazione di legami ad idrogeno tra le

basi presenti sui filamenti opposti secondo lo schema A-

T e G-C

Modello di Watson e Crick

Il DNA costituito da due catene polinucleotidiche a elica avvolte intorno a un asse comune.

Le eliche sono destrogire e i due filamenti si sviluppano in direzioni opposte, con riferimento alle loro estremit 3' e 5'.

77

Le basi puriniche e pirimidiniche si trovano all'interno dell'elica, su piani che sono perpendicolari all'asse dell'elica, mentre i gruppi deossiribosio e fosfato formano la parte esterna dell'elica.

79

Le due catene sono tenute insieme da coppie di basi

puriniche-pirimidiniche, legate con legami idrogeno.

L'adenina (A) sempre accoppiata conL'adenina (A) sempre accoppiata conL'adenina (A) sempre accoppiata conL'adenina (A) sempre accoppiata con la timina (T) e la la timina (T) e la la timina (T) e la la timina (T) e la

guanina (G) sempre accoppiata con la citosina (C).guanina (G) sempre accoppiata con la citosina (C).guanina (G) sempre accoppiata con la citosina (C).guanina (G) sempre accoppiata con la citosina (C).

L'adenina (A) accoppiata con la timina (T) con due legami ad idrogeno

La guanina (G) accoppiata con la citosina (C) con tre legami ad idrogeno.

80

81

Il DNA simile per struttura allRNA ma:

1) Al posto delluracile c latimina

2) Il DNA costituito da undoppiofilamento

Tra le basi dei due filamenti siformano legami idrogeno che litengono uniti

Nel DNA le basi appartenenti ai duefilamenti sono appaiate in modocaratteristico ( timina con adenina,guanina con citosina)

DNA

Conoscendo la sequenza di un filamento ..

83

.. si pu desumere la sequenza del filamento complementare

84

85

Il risultato una lunga molecola di DNA

UnappaiamentoGuanina-Citosinacaratterizzato da 3legami idrogeno.

UnappaiamentoAdenina-Timinacaratterizzato da 2legami idrogeno.

Il diametro dell'elica di 20 . Le coppie di basi adiacenti sono separate di 3,4 e si succedono ad ogni avanzamento dell'elica di 36. Ci sono perci 10 coppie di basi per ogni giro completo dell'elica (360) e la struttura si ripete ogni 34 .

Non c' nessuna limitazione alla sequenza di basi lungo una catena polinucleotidica. Dalla sequenza esatta per dipende l'informazione genetica.

Stabilit della doppia elica

La formazione della doppia elica favorita da

Interazioni idrofobiche derivanti dall'impaccamento delle basi

dalla formazione di legami ad Idrogeno tra le coppie di basi.

La formazione della doppia elica sfavorita da:

Repulsione elettrostatica dei fosfati che si trovano sullo scheletro dei filamenti

Dall'entropia conformazionale

Formazione di legami ad Idrogeno con l'acqua.

Le eliche del DNA (Tutte le molecole qui illustrate contengono dodici coppie di basi )

94

A DNA B DNA Z DNA

Tipo d'elica destrosa destrosa destrosa

Diametro ~26 ~20 ~18

Coppie/giro 11 10.5 12

Viste laterali

Viste dall'alto

96

L RNA costituito da unsingolo filamento

I nucleotidi non sono tuttiuguali ma differiscono per labase

Ci sono 4 differenti tipi dibasi:

Adenina Citosina Guanina Uracile

Linformazione contenuta negli acidi nucleici codificata nella sequenza di basi che compongonoil filamento (un alfabeto di 4 lettere)

RNA

RNA: struttura secondaria e terziaria

L'RNA esiste sottoforma di tre maggiori tipi: tRNA oRNAtransfer, rRNA o RNA ribosomiale, mRNA oRNA messaggero. Altre forme meno importantiservono nello splicing dell'RNA

RNAtransfer (tRNA)

sono costituiti da 73-90 nucleotidi e servono nellasintesi delle proteine.

DNA e RNA a singolo filamento tendono ad assumereuna conformazione random coil. Comunque talimolecole a filamento singolo contengono regioni consequenze auto complementari (tRNA)dove la molecolapu formare zone a doppio filamento tRNA contienebasi modificate.

RNA Ribosomiale (rRNA)

Il ribosoma un organello cellulare coinvolto nellasintesi proteica e consiste di due subunit, una piccolaed una grande, dove rRNA parte integrante.

- RNA messaggero (mRNA)

Il mRNA una copia-stampo per la sintesi delle proteine. Viene assunta una struttura del tipo A o a singolo filamento. mRNA non contiene basi modificate.

Differenza tra DNA e RNA

Nel DNA, le basi sono legate al 2'desossiribosio con un legame N1'glicosidico a formare un desossinucleotide

Nell' RNA, le basi sono legate al ribosio per formare un nucleotide con un legame N1'glicosidico

I desossiribonucleotidi sono degli esteri fosforici in posizione 5' dei desossinucleosidi

I ribonucleotidi sono dei monoesteri fosforici dei nucleosidi

Gli acidi nucleici sono polimeri dei fosfati dei nucleotidi.

I polimeri DNA e RNA sono formati da legami fosfodiestere tra gli OH 5' di un nucleotide e il 3' di un idrossile seguente.

I nucleotidi sono acidi forti in quanto i due pKa del fosfodiesteresono tra 0.7 ed 1 e 6.1 e 6.3.Di conseguenza lo scheletro dell'RNA e DNA sono normalmente carichi negativamente.

La struttura terziaria del DNA

A causa dell'estrema lunghezza del DNA, la sua struttura terziaria molto complessa. Comunque si possono discutere alcune strutture.

SuperavvolgimentoIl DNA di batteri, mitocondri, plastidi e alcuni virus costituito da un anello chiuso. Il DNA circolare pu assumere un aspetto incurvato o avvolto come dalle seguenti immagini al microscopio.

Il DNA

Coppie di nucleotidi

Una coppia di nucleotidi che varia da individuo ad individuo viene chiamata Snp o snip

Nucleo cellula

Mitocondri

Dna in coppia di cromosomi

Un gene (una serie di coppie di nucleotidi in un particolare punto su un cromosoma) contiene la ricetta per una proteina

Cellula

La maggior parte dellecellule contiene istruzionicomplete per costruire unessere umano, il Dna ingran parte nel nucleo, mace n dellaltro neimitocondri delle cellule.

Cromosomi

Nel nucleo,il Dna disposto in 23 coppie dipacchetti a forma dibastoncino, chiamaticromosomi (una serieproviene della madre,laltra dal padre). Ognicromosoma contiene unfilamento di Dna. Sevenisse svolto, il Dna diuna cellula sarebbe lungopi di 2,04 metri

Il DNA nei cromosomi non e lineare

fibra di 30 nm

cromatinadecondensata(collana di perle)

Il DNA, insieme a diverse proteine si organizza in unastruttura che detta CROMOSOMA.

Nelle cellule umane i cromosomi si possono osservare durante la divisone cellulare e distinguere per forma e dimensioni.

I cromosomi sono costituiti da cromatina, che consiste di fibre contenenti DNA e proteine. Quando una cellula non in divisione, la cromatina si trova sotto forma di lunghi filamenti. Durante la divisione le fibre di cromatina si condensano e si rendono visibili come strutture distinte.

Il numero dei cromosomi tipico per ogni specie.

Specie umana: 46 cromosomi

OGNI COPPIA DI CROMOSOMI CONTIENE UN CROMOSOMADI ORIGINE PATERNA E UN CROMOSOMA DI ORIGINEMATERNA

I cromosomi sono presenti in coppie nelle cellule somatiche e i membri di una coppia sono i cromosomi omologhi.

Se una cellula contiene 2 cromosomi di ogni tipo , cio due serie di cromosomi, si dice che possiede un corredo cromosomico diploide; se invece presente un cromosoma di ogni coppia di omologhi, si dice che il corredo aploide.

Nelluomo il numero diploide 46 e il numero aploide 23

Profase: Inizia quando i lunghi filamenti di cromatina cominciano a condensarsi mediante processi di spiralizzazione nel quale i cromosomi diventano contemporaneamente pi corti e pi spessi.

Ogni cromosoma stato duplicato durante la precedente fase S e consiste di una coppia di unit identiche cromatidi fratelli. Ogni cromatide contiene una regione chiamatacentromero.

Metafase: i cromosomi sono allineati lungo il piano equatoriale della cellula (piastra metafasica) e prendono contatto con i microtubuli.

Il cinetocoro un insieme di proteine che aderisce alcentromero.

Per la corretta separazione dei cromosomi si forma una connessione tra i microtubuli del cinetocoro e i cromosomi replicati.

IL DNA ED I CROMOSOMI

Different levels of DNA condensation. 1. Double-strand DNA. 2. Chromatin strand (DNA with histones). 3. Chromatin during interphase with centromere. 4. Condensed chromatin during prophase. (Two copies of the DNA

molecule are now present)5. Chromosome during metaphase.

Cromosomi umani condensati

Istoni : sono le proteine + abbondanti nei cromosomi. Il loro ruolo di legarsi al DNA cromosomico carico negativamente, infatti sono proteine molto basiche (25% LYS ed ARG) 5 tipi di istoni sono associati al DNA eucariotico (H1, H2A, H2B, H3 ed H4). Sono tra le proteine pi altamente conservate (un solo aa di differenza in H3 di riccio di mare e vitello!).Proteine non istoniche : ne esistono di diversi tipi; alcune hanno ruolo strutturale, altresono implicate nella regolazione dellespressione genica (per es.RNA polimerasi). Al contrario degli istoni differiscono notevolmente in numero etipo, tra un tipo cellulare ed un altro entro un organismo, inmomenti diversi nello stesso tipo cellulare ed in organismidiversi.

Proteine associate al DNA

1. Nucleosoma: la strutturafondamentale della cromatina

1. Fibra di cromatina di 30 nm

(avvolgimenti destrorsi impilati

della collana di perle)

Compattazione del DNA nel nucleo

11 nm200 bp = 145 bp avvolte + 55 bp di DNA linker

3. Domini ad anse

Compattazione del DNA nel nucleo

300 nm

Watson et al., BIOLOGIA MOLECOLARE DEL GENE, Zanichelli editore S.p.A. Copyright

2005


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2005

Regolazione della struttura della cromatina


2005


2005


2005


2005

La metilazione degli istoni aumenta lo stato di

idrofobicit e la basicit delle porzioni N terminali degli

istoni: questo ne aumenta laffinit per proteine

specifiche e fattori di trascrizione.

Le metilasi necessitano di cofattori: es. la s-

adenosilmetionina

Generalmente la metilazione degli istoni si associa a repressione

della espressione genica, tuttavia ci sono esempi in cui la

metilazione si associa a attivazione della espressione genica

Metilazione degli istoni

MODIFICAZIONI POST-TRADUZIONALI DEGLI ISTONI

Zhang Y , Reinberg D Genes Dev. 2001;15:2343-2360

PROCESSI DI ACETILAZIONE E

DEACETILAZIONE SONO IMPORTANTI

NELLA REGOLAZIONE DELLA ATTIVITA

DELLA CROMATINA

ESPRESSIONE GENICA E GENERALMENTE

ASSOCIATA CON ACETILAZIONE

Lacetilazione dei residui di lisina al terminale NH degli istoni rimuove le cariche positive

riducendo quindi laffinit degli istoni per il DNA: per questo lacetilazione degli istoni

facilita i processi trascrizionali , al contrario, la deacetilazione reprime la

trascrizione

.

Acetilazione e deacetilazione del residuo lisinico

ACETIL TRANSFERASI ISTONICHE :histone acetyltransferases (HATs)

DEACETILASI ISTONICHE: histone deacetylases (denoted by HDs or HDACs);

numerose deacetilasi sono associate a repressori della trascrizione;

la funzione della fosforilazione degli istoni rimane da essere

pienamente compresa: stato riportato che la

fosforilazione degli istoni puo facilitare lattacco di HATs

Enzimi quali le ERK possono fosforilare gli istoni legando

signaling di recettori di membrana allo stato di

fosforilazione degli istoni

Fosforilazione degli istoni

Biologia Molecolare I · IL GENOMA NUCLEARE Il genoma umano, similmente ai genomi di tutti gli...

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