Gli organismi viventi sono formati da tante unità funzionali, le CELLULE; si calcola che in ognuno di noi ne esistano circa 100 mila miliardi. O g n i c e l l u l a c o n t i e n e u n organello, il NUCLEO, all’interno d e l q u a l e s i t r o v a n o i CROMOSOMI; ogni cromosoma è fo r mato da un lungh i s s imo filamento di DNA. Tutte le cellule di un organismo contengono lo stesso DNA.

Il DNA (Acido DeossiriboNucleico) è il depos i ta r io de l l ’ in fo r maz ione genetica. Fu isolato per la prima volta dal medico tedesco F. Miescher nel 1896, ma solo nel 1953 James Watson e Francis Crick ne chiarirono la struttura.

I due studiosi, mettendo insieme tutti i dati conosciuti, descrissero il DNA come una molecola formata da due f i lamenti dispost i a formare una doppia elica molto lunga e spiralizzata.

Ciascun f i lamento dell’el ica è formato dalla successione di unità dette nucleotidi, costituiti dallo zucchero deossiribosio, da un gruppo fosfato e da una base azotata.

Vi sono due tipi di basi azotate: le pur ine, che presentano una struttura a due anelli e le pirimidine, con un solo anello; nel DNA compaiono due purine, l’adenina (A) e la Guanina (G) e due pirimidine, la citosina (C) e la timina (T).

Le basi si incontrano sull’asse centrale dell’elica e si uniscono mediante legami a idrogeno, appaiandosi in maniera complementare: la C con la G e la T con la A.

1.  l'esistenza di un rapporto 1:1 tra le basi puriniche (A+G) e le basi pirimidiniche (T+C) contenute nel DNA di una cellula. Il rapporto è costante in tutte le specie, ma per specie diverse le percentuali delle varie basi saranno anch'esse diverse. Questo rispecchia la diversità genetica delle diverse specie.

2.  in una molecola di DNA a doppio filamento la concentrazione di adenina eguaglia quella di timina e la concentrazione di citosina quella di guanina (%A = %T; %C = %G). Questo vale per il DNA estratto dalle cellule di tutti gli organismi, anche se considerando organismi diversi le percentuali avranno valori diversi. Questa semplice regola è stata uno degli elementi essenziali che hanno permesso la formulazione del modello di DNA da parte di James Watson e Francis Crick. Grazie anche a questa regola si è dedotto come le corrette forme di appaiamento delle basi tra i due filamenti del DNA.

Pierce,  GENETICA,  Zanichelli editore S.p.A.  Copyright © 2005

Il DNA ha la capacità di fungere da stampo per replicare se stesso: nella struttura doppia e complementare dell’elica è contenuto il meccanismo che consente la sua duplicazione. Al momento della replicazione i due filamenti della doppia elica si separano e ciascuno dirige la sintesi di un nuovo filamento complementare, utilizzando i nucleotidi liberi presenti nella cellula e la stessa regola di appaiamento detta precedentemente. Il risultato di questo processo è la formazione di due molecole di DNA identiche fra loro e alla molecola iniziale.

Modello semi-conservativo

Modello conservativo

Modello dispersivo

N e l 1 9 5 8 M e s e l s o n e S t a h l progettarono un esperimento per distinguere fra i tre modelli. Essi fecero crescere cellule batteriche in un mezzo contenente l’isotopo pesante dell’azoto 15N piuttosto che quello normale leggero 14N. Questo isotopo fu inserito nelle base azotate, che poi vennero incorporate nei filamenti di DNA di nuova sintesi. Dopo molte divisioni in 15N, il DNA delle cellule era ben marcato con questo isotopo pesante. Le cellule vennero quindi rimosse dal mezzo e fatte crescere in un mezzo con azoto normale; dopo una divisione cellulare, così come dopo 2, 3, ... divisioni, i campioni furono prelevati, e il DNA fu estratto e messo in una soluzione di cloruro di cesio in ultracentrifuga.

L’enzima che catalizza l’aggiunta di deossiribonucleotidi durante il processo di duplicazione è la DNA polimerasi. Esistono diverse isoforme di DNA polimerasi che condividono le seguenti caratteristiche: • Le DNA polimerasi non sono in grado di rompere i legami idrogeno per separare i due filamenti di un’elica di DNA. • Tutte le DNA polimerasi necessitano di uno stampo da copiare, fornito dai filamenti di un’elica preesistente. • Tutte le DNA polimerasi sono in grado di allungare un filamento di DNA o RNA preesistente, non possono iniziare la sintesi di una catena. • I due filamenti di una elica di DNA sono antiparalleli (5'— 3' e 3' — 5') e tutte le DNA polimerasi catalizzano solo l’aggiunta di un nucleotide all’estremità 3' di una catena nascente. In questo modo le catene possono crescere solo in direzione 5' — 3'. • Tutte le DNA polimerasi utilizzano come substrato solo i quattro nucleotidi trifosfato.

I procarioti possiedono cinque tipi di DNA polimerasi: •  DNA polimerasi I: coinvolta nella riparazione del DNA e nella rimozione degli

inneschi dei frammenti di Okazaki. Possiede attività esonucleasica sia in direzione 5'->3', sia in direzione 3'->5'. Quest'ultima attività permette la lettura delle basi precedentemente unite (proofreading o "lettura delle bozze") e l'eventuale correzione in caso di errore

•  DNA polimerasi II: indotta da danni al DNA per la riparazione di errori (error-prone). Ha attività polimerasica 5'->3' ed esonucleasica 3'->5'.

•  DNA polimerasi III: l'enzima principale per la replicazione, con attività polimerasica 5'->3' ed esonucleasica 3'->5' (proofreading). È attiva sia nella sintesi del filamento guida, sia in quella dei frammenti di Okazaki.

•  DNA polimerasi IV e DNA polimerasi V: anch'esse coinvolte nella riparazione del DNA.

Le polimerasi degli eucarioti sono invece: •  DNA polimerasi α: è associata a una primasi (enzima che sintetizza i

primer di RNA) e procede all'allungamento degli RNA-primer con alcune decine di deossiribonucleotidi (circa 50-100).

•  DNA polimerasi β: coinvolta nella riparazione del DNA, in particolare nei processi di riparazione per escissione delle basi

•  DNA polimerasi γ: replica il DNA mitocondriale

•  DNA polimerasi δ: l'enzima principale della replicazione eucariotica. Sintetizza sia il filamento leading, sia il filamento lagging. Quando la polimerasi raggiunge il frammento di Okazaki precedentemente sintetizzato, continua a muoversi lungo il filamento stampo lagging, spostando il primer a RNA che verrà poi rimosso da una endonucleasi (FEN-1). L'interruzione tra i desossiribonucleotidi è poi saldata da una ligasi.

•  DNA polimerasi ε: è implicata sia nella replicazione del DNA che nei meccanismi di riparazione del DNA in seguito ai processi di riparazione per escissione dei nucleotidi.

La forcella di replicazione è la struttura in cui avviene la duplicazione del DNA. E’ formata da una molecola di DNA in cui i due fi lamenti complementari sono separati per un tratto. I singoli filamenti fungono da stampo per la sintesi di un nuovo filamento complementare. Viene definito filamento "guida" quello in cui la sintesi di DNA procede in modo continuo, mentre “ritardato” è quello in cui la duplicazione avviene attraverso la sintesi brevi segment i d i DNA, chiamati frammenti di Okazaki.

La maggior parte delle reazioni di duplicazione del DNA è bidirezionale. Dopo che la DNA elicasi ha aperto l’elica di DNA, diverse molecole di DNA primasi, DNA polimerasi e DNA ligasi svolgono la loro azione nelle due direzioni.

Il materiale genetico deve soddisfare alcuni criteri specifici: Contenere informazioni complesse (variegate) -per dare origine a tutta la molteplicita’ delle forme viventi-

Essere: •  presente in tutte le forme viventi

•  stabile e capace di replicazione fedele

•  capace di subire modificazioni permanenti (mutazioni)

Far parte dei cromosomi

Controllare la produzione di proteine (ipotesi un gene, una proteina -A. Garrod- Beadle e Tatum -Neurospora-)

Definire un fenotipo (codificare…)

L’unità funzionale del genoma è il gene: un gene è una sequenza di nucleotidi necessaria per costruire una determinata proteina. Si stima che nel genoma umano esistano circa 30-40.000 geni. I geni rappresentano soltanto il 2% di tutto il DNA umano. La maggior parte del DNA non codifica per alcuna proteina, e la sua funzione non è ancora del tutto chiara.

Il tardivo riconoscimento del DNA come base molecolare dell’eredita’ fu in gran parte dovuto alla mancanza di

conoscenze precise sulla sua composizione e soprattutto sulla sua struttura

Fino all’inizio degli anni 1950 la maggior parte dei ricercatori riteneva che le proteine fossero la base molecolare

dell’eredita’

Londra, 1928, Frederick Griffith, medico interessato allo pneumococco…

L’esperimento di Griffith (1928): trasformazione di Streptococcus pneumoniae

Il ceppo rugoso (IIR) ed il ceppo liscio (IIIS) erano distinguibili sulla base della reazione con antisieri (o se fatti crescere su capsule di petri)

Nell’animale si possono trovare cellule di tipo IIIS vive (non IIS). Non si e’ trattato percio’ di mutazione da IIR a IIS

Avery, MacLeod e McCarty (1944): il “principio trasformante” in S. pneunomiae

e’ il DNA

no  RNA  no  proteine  

no  DNA  

Non  e’  sempre  il  DNA  ad  essere  la  base  molecolare  dell’eredita’  

Nel 1956 Heinz Fraenkel-Conrat e Bea Singer dimostrano che nel virus TMV l’informazione genetica e’ portata dall’RNA.

Le 4 basi A, T, C e G sono le lettere che formano l’alfabeto della vita. Tutte le informazioni contenute nel nostro patrimonio genetico sono scritte nel DNA sotto forma di sequenza di basi. Il linguaggio del DNA è stato interpretato: ogni parola è formata da tre lettere, cioè da una sequenza di tre basi azotate o tripletta. Ogni tripletta serve a dirigere l'inserimento di un aminoacido nella proteina, e un certo numero di triplette in successione corrisponde quindi ad una sequenza di aminoacidi, ovvero ad una specifica proteina.

La corrispondenza tra il linguaggio del DNA, scritto in nucleotidi e quello delle proteine, scritto in aminoacidi, costituisce il codice genetico. Il codice genetico e' universale, cioe' e' lo stesso per tutte le forme viventi.

Le 64 possibili triplette con icorrsipondenti aminoacidi

Ogni gene dirige la formazione di una proteina diversa. I geni sono localizzati sui cromosomi. Ogni cellula umana contiene 46 cromosomi, 23 ereditati dalla madre e 23 dal padre. I cromosomi sessuali, X e Y, determinano il sesso dell’individuo: le femmine possiedono due copie dell’ X (XX) e i maschi una copia dell’X e una dell’Y (XY). Le altre 22 coppie sono dette autosomi

Il corredo cromosomico di una cellula femminile

Sostanza contenuta nel nucleo cellulare, che si colora intensamente con i coloranti basici usati nella tecnica istologica (ematossilina, blu di metilene, safranina, verde di metilene, fucsina basica). Ha struttura filamentosa e durante la mitosi si organizza spiralizzandosi e formando i cromosomi. La cromatina è un complesso nucleoproteico stabile, comprendente DNA e proteine acide e basiche (principalmente istoni). In particolare l’unione degli istoni al DNA porta alla formazione di nucleosomi, unità fondamentali della cromatina. I nucleosomi determinano il tipico aspetto ‘a collana di perle’ della c. osservata al microscopio elettronico. A secondo del grado di condensazione, si possono distinguere due tipi di cromatina, con significato genetico diverso.

Trattamento che consiste nel sostituire un gene difettoso dal punto di vista funzionale con uno normale. La base tecnica della terapia genica consiste nel l ' introduzione di geni, precedentemente inseriti in opportuni vettori (plasmidi, virus), in appropriate cellule del paziente. I tentativi sperimentali di applicazione della terapia genica in diverse aree biomediche (per es. oncologia e infett ivologia) hanno portato al la ridefinizione e all'espansione del termine, che ora indica tutti i trattamenti che determinano alterazioni genetiche delle cellule.

Processo di divisione cellulare che garantisce la conservazione e la distribuzione dello stesso numero di cromosomi da una cellula madre alle due cellule figlie. Il materiale cromosomico raddoppia una volta e la cellula si divide una volta. La mitosi produce sempre due cellule geneticamente identiche alla cellula madre.

Processo di divisione cellulare che porta alla produzione di cellule aploidi. Il materiale cromosomico si raddoppia una volta e la cellula si divide due volte. E’ un processo fondamentale per garantire la conservazione dello stesso numero di cromosomi all’interno di ogni specie.

Meiosi   1:   i   membri   di   ogni   coppia   di  cromosomi   omologhi   prima   si   uniscono,   poi  si   separano   e   vengono   distribuiB   in   nuclei  disBnB.    Meiosi   2:   i   cromaBdi   che   cosBtuiscono  ciascun   cromosoma   omologo   si   separano   e  vengono   distribuiB   ai   nuclei   delle   cellule  figlie