••CROMATINACROMATINA

•• E E •• E E

••CROMOSOMICROMOSOMI

…UNA…UNA SCALA SCALA DIDI GRANDEZZE (GRANDEZZE (E. coliE. coli))

4,64 Mb4,64 Mb

RNA + proteine RNA + proteine HistonHiston--likelike+ + DNADNA

• TTCAGGAAATGACCCCTTTGCCCCGTCTGAAGGTAGTGCAGAGGCTGCACCTGAGCTGGACCTCTTTGCAATGAAGCCACCTGAGACCAGTGTTCCTGTAGTTACCCCTACAGCTAGCACAGCCCCTCCGGTTCCCGCAACTGCTCCTTCTCCTGCTCCTGCCGTTGCAGCTGCTGCTGCTGCCACTACTGCTGCCACCGCCGCTGCCACCACCACTACCACCACCTCCGCTGCCACCGCCACCACTGCTCCTCCTGCTCTAGATATCTTTGGTGATTTATTTGAGTCCACTCCTGAAGTTGCTGCAGCGCCTAAGCCAGATGCTGCTCCTAGCATAGACCTGTTTAGTACAGATGCTTTCTCCTCTCCACCACAAGGGGCCTCTCCTGTGCCTGAGAGTTCTCTCACTGCTGACCTCTTATCTGTGGATGCATTTGCAGCACCATCTCCTGCAACCACTGCCTCGCCAGCAAAGGTGGATTCTTCAGGTGTCATAGACCTTTTTGGGGATGCATTTGGAAGTAGCGCTTCTGAACCCCAACCTGCATCTCAGGCTGCTTCTAGTTCATCAGCATCGGCAGACCTACTAGCTGGATTTGGGGGTTCTTTCATGGCGCCTTCCCCATCTCCAGTGACTCCAGCTCAGAATAACCTGCTACAGCCCAATTTTGAGGCAGCTTTTGGGACAACGCCTTCAACTTCCAGCAGCAGCTCCTTTGATCCATCAGTGTTTGATGGTCTAGGTGATCTTTTGATGCCAACCATGGCACCAGCTGGGCAGCCTGCACCTGTCTCAATGGTACCACCCAGTCCTGCAATGGCAGCCAGCAAAGCCCTTGGAAGTGATCTTGATTCATCTCTTGCCAGCTTAGTAGGCAATCTTGGAATTTCTGGTACCACAACAAAAAAGGGAGATCTTCAGTGGAATGCTGGAGAGAAAAAGTTGACTGGTGGAGCCAACTGGCAGCCTAAAGTAGCTCCAGCAACCTGGTCAGCAGGCGTTCCACCAAGTGCACCTTTGCAAGGAGCTGTACCTCCAACCAGTTCAGTTCCTCCTGTTGCCGGGGCCCCATCGGTTGGACAACCTGGAGCAGGATTTGGAATGCCTCCTGCTGGGACAGGCATGCCCATGATGCCTCAGCAGCCGGTCATGTTTGCACAGCCCATGATGAGGCCCCCCTTTGGAGCTGCCGCTGTACCTGGCACGCAGCTTTCTCCAAGCCCTACACCTGCCAGTCAGAGTCCCAAGAAACCTCCAGCAAAGGACCCATTAGCGGATCTTAACATCAAGGATTTCTTGTAAACAATTTAAGCTGC

3*109

150*106

…UNA…UNA SCALA SCALA DIDI GRANDEZZE (GRANDEZZE (H. sapiensH. sapiens))= ca. 1,7 mt.

(devono rientrare in uno

spazio ristretto di 5 um)

TCAGAGTCCCAAGAAACCTCCAGCAAAGGACCCATTAGCGGATCTTAACATCAAGGATTTCTTGTAAACAATTTAAGCTGCAATATTTGTGACTGAATAGGAAAATAAATGAGTTTGGAGACTTCAAATAAGATTGATGCTGAGTTTCAAAGGGAGCCACCAGTACCAAACCCAATACTTACTCATAACTTCTCTTCCAAAATGTGTAACACAGCCGTGAAAGTGAACATTAGGAATATGTACTACCTTAGCTGTTATCCCTACTCTTGAAATTGTAGTGTATTTGGATTATTTGTGTATTGTACGATGTAAACAATGAATGGATGTTACTGATGCCGTTAGTGCTTTTTTGGACTTCACCTGAGGACAGATGATGCAGCTGTTGTGTGGCGAGCTATTTGGAAAGACGTCTGTGTTTTTGAAGGTTTCAATGTACATATAACTTTTGAACAAACCCCAAACTCTTCCCATAAATTATCTTTTCTTCTGTATCTCTGTTACAAGCGTAGTGTGATAATACCAGATAATAAGGAAAACACTCATAAATATACAAAACTTTTTCAGTGTGGAGTACATTTTTCCAATCACAGGAACTTCAACTGTTGTGAGAAATGTTTATTTTTGTGGCACTGTATATGTTAAGAAATTTTATTTTAAAAAATATAAAGGTTAACGTCCATAATAAATACTTCTCTTTGAAGCTACCTTATCAAGAACGAAAAATCGTATGGGAAGAATCCCCTATTTATCACTGCTATATTAAAATATATATATTTTAATTATATTTGACAGGTTTTGCATCTAAATTGACCTATTTATTCATTCTTGATTAAATGCACTGAAAAGTAAAGGGTCTGTTTGTGTCATGTTCATGAAAATGCGGTTAGAGAGGTGCTATTCAAGTGATTCTGAAGGCACCCCAAGGTATATCTGTAATTTAAAGATTACTGCAAATATCTTTACTTTACTGTGGGTTTTTAGTACATCTGTTAATTTAGTGTTTCTTTGTGTGTTTTGTAGACTAGTGTTCTTCCATCCTTCAACTGAGCTCAAAGTAGGTTTTGTTGTAACATTGTGATTAGGATTTAAACTAATTCAGAGAATTGTATCTTTTACTGTACATACTGTATTCTTTAAGTTTTAATTTGTTGTCATACTGTCTGTGCTGATGGCTTGGCTTAAGATTTTGATGCATAAATGAGGTCACTGTTGATCAGTGTTGCTAGTAGCTTGGCAGCTCTTCATAAAAGCATATTGGGTTGGAAAGGTGTTTGCCTATTTTTCAAATTATTTAATAGATGTATGGTACCATTTAAAAGTGGTTGTATCTGAATTTACTGTGGGGATAACATACACTGTAATGGGGAAAAATTACCTAAAACCAATTTCAAAATGGCTTTCTTTGTATTTCAGTTTAAAAACCCAGTGCATGTACGCCCTCTGAGATGCAATAAACACCTTGAACAAAG

150*106

1-5*106

La cromatina

La cromatina è una costruzione sovramolecolare costituita sovramolecolare costituita

dalle molecole di DNA genomico

e

da due diverse classi di proteine

Le proteine della cromatina sono:

• Gli istoni

• Proteine non istoniche

Gli istoniGli istoni

• Sono presenti nel nucleo in quantità

pressochè uguale a quella del DNA

• Sono proteine ricche di carica elettrica • Sono proteine ricche di carica elettrica

positiva perché ricche di aminoacidi basici

(lisina e arginina)

• Possono essere suddivise in 2 classi

Classi di istoniClassi di istoni

Classe 1: H2A – H2B – H3 – H4(Formano strutture ottameriche –rocchetti intorno ai quali

si avvolge il DNA- che permettono la prima fase di

compattamento: “collana di perle”)compattamento: “collana di perle”)

Classe 2: H1

NOTA: Gli Istoni H2A – H2B – H3 – H4 sono tra le proteine più

conservate dal punto di vista evolutivo: la loro sequenza aminoacidica è

estremamente simile in tutti gli esseri viventi

I I nucleosominucleosomiI I nucleosominucleosomi sono l’unità fondamentale dellasono l’unità fondamentale della

cromatina. cromatina.

Tipicamente un Tipicamente un nucleosomanucleosoma è costituito da un è costituito da un corecore di di

istoni (istoni (ottameroottamero composto da due tetrameri, ciascunocomposto da due tetrameri, ciascuno

dei quali costituito dagli istoni H2A, H2B, H3 ed H4).dei quali costituito dagli istoni H2A, H2B, H3 ed H4).

intorno al quale si avvolge il DNA per circa 146 intorno al quale si avvolge il DNA per circa 146 bpbp..

L’organizzazione base della cromatina è una

struttura a collana di perle

Un segmento di DNA della lunghezza di 140 bp si

avvolge attorno ad ogni ottamero di istoni (la

perla), formandovi circa due giri che aderiscono

stabilmente alla superficie dell’ottamero

mediante legami ionici

La molecola di DNA (il filo) si estende con

continuità per tutta la sua lunghezza da un

nucleosoma all’altro, lasciando tra loro un tratto

di collegamento di circa 60 bp (DNA DNA linkerlinker)di collegamento di circa 60 bp (DNA DNA linkerlinker)

La presenza dell’istone H1 dà origine ad

una struttura più compatta di 30nm

(Fibra di 30 nm)(Fibra di 30 nm)

ISTONI + DNA + ISTONI + DNA + PROT. NON ISTONICHE =PROT. NON ISTONICHE =CROMATINACROMATINA. [NOTA: GLI. [NOTA: GLI

ISTONI, OLTRE A ISTONI, OLTRE A NEUTRALIZ=NEUTRALIZ=ZARE LE CARICHE NEGATIVE ZARE LE CARICHE NEGATIVE

DEL DNA DEL DNA –– COSA CHE PERMETTECOSA CHE PERMETTEA DIVERSE MOLECOLE A DIVERSE MOLECOLE DIDIDNA ADDOSSATE L’UNA DNA ADDOSSATE L’UNA

ALL’ALTRA ALL’ALTRA DIDI NON RESPINGERSINON RESPINGERSI--,,SONO LE PROTEINESONO LE PROTEINE

RESPONSABILI DEL GRADO RESPONSABILI DEL GRADO DIDICOMPATTAMENTO DELLA COMPATTAMENTO DELLA

CROMATINA STESSACROMATINA STESSACROMATINA STESSACROMATINA STESSA

eucromatina: meno condensata e corrisponde a zone in cui viè un'intensa attività di trascrizione per la sintesi proteica(ossia di copiatura delle molecole di DNA in molecole di RNAmessaggero, mRNA)eterocromatina: più condensata, non presenta attività ditrascrizione.

L’L’eucromatinaeucromatina è sempre attiva da un punto di è sempre attiva da un punto di

vista vista trascrizionaletrascrizionale..

L’L’eterocromatinaeterocromatina si distingue in:si distingue in:

CostitutivaCostitutiva (resta sempre allo stato di (resta sempre allo stato di I.I. CostitutivaCostitutiva (resta sempre allo stato di (resta sempre allo stato di

massimo compattamento in tutte le cellule, massimo compattamento in tutte le cellule,

non viene mai trascritta);non viene mai trascritta);

II.II. FacoltativaFacoltativa (viene inattivata in modo specifico (viene inattivata in modo specifico

in alcune fasi della vita dell’organismo)in alcune fasi della vita dell’organismo)

Le differenze strutturali tra i due tipi di Le differenze strutturali tra i due tipi di

cromatina possono essere imputate acromatina possono essere imputate a::

A.A. Una diversa interazione tra il DNA Una diversa interazione tra il DNA linkerlinker e e

l’istone H1;l’istone H1;

B.B. Un diverso stato di acetilazione degli istoni;Un diverso stato di acetilazione degli istoni;B.B. Un diverso stato di acetilazione degli istoni;Un diverso stato di acetilazione degli istoni;

C.C. Un diverso stato di fosforilazione che interessa Un diverso stato di fosforilazione che interessa

in particolare l’istone H2B;in particolare l’istone H2B;

D.D. Metilazione degli istoni;Metilazione degli istoni;

E.E. UbiquitinazioneUbiquitinazione o o sumolazionesumolazione degli istonidegli istoni

Si definisce Si definisce cromosomacromosoma una struttura una struttura

molto compatta e colorabile,molto compatta e colorabile,

visibile al microscopio ottico durante la visibile al microscopio ottico durante la

divisione cellulare, in particolaredivisione cellulare, in particolare

durante la metafase, quando viene durante la metafase, quando viene

raggiunto il massimo livello di raggiunto il massimo livello di

compattamento della cromatina (spessore compattamento della cromatina (spessore

di circa 1400 di circa 1400 nmnm))

Braccio corto (p)

Braccio lungo (q)

I cromosomi sono I cromosomi sono dicromatidicidicromatidici, fatti da , fatti da 2 cromatidi fratelli2 cromatidi fratelli (duplicati in (duplicati in

fase S), associati a livello del centromero.fase S), associati a livello del centromero.

Le proteine Le proteine centromerichecentromeriche che tengono uniti tra di loro i cromatidi fratelli che tengono uniti tra di loro i cromatidi fratelli

prendono il nome di prendono il nome di coesinecoesine..

NellaNella Specie Specie UmanaUmana Il Il CorredoCorredo CromosomicoCromosomico è è paripari a 46. a 46.

CromosomiCromosomi OmologhiOmologhi: : NellaNella specie specie umanaumana sonosono presentipresenti due due copiecopie per per ciascunciascun

cromosomacromosoma, , pertantopertanto ii 46 46 cromosomicromosomi corrispondonocorrispondono a 23 a 23 coppiecoppie. .

L'UltimaL'Ultima coppiacoppia didi CromosomiCromosomi (23) (23) CromosomiCromosomi SessualiSessuali, , determinadetermina ilil sessosesso

dell'Individuodell'Individuo. La . La coppiacoppia XX XX determinadetermina la la femminafemmina, , mentrementre la la coppiacoppia XY XY

determinadetermina ilil maschiomaschio. .

I Cromosomi non sessuali, sono detti Autosomi. I Cromosomi non sessuali, sono detti Autosomi.

Tutte le cellule dell'organismo Umano contengono quindi 46 cromosomi, divisi in

due coppie di 23 Cromosomi di cui 22 Autosomi e 1 di Cromosomi sessuali (cellule

diploidi). Unica eccezione le cellule gonadiche (ovociti e spermatozoi) dette

cellule aploidi che invece contengono solo 23 cromosomi singoli e non in coppia. In

particolare ciascun Ovocita ha 22 autosomi ed 1 solo cromosoma sessuale che è

sempre X. Mentre Lo spermatozoo, ha 22 autosomi ed un solo cromosoma

sessuale che può essere o X o Y. Questo spiega perchè il sesso del nascituro è

determinato dal maschio.

Il cariotipo di una cellula eucariota è dato dal numero e dalla morfologia dei suoi

cromosomi.

La posizione del centromero permette di classificare i cromosomi in 4 tipi:

acrocentrici: centromero in posizione terminale (A)

telocentrici: centromero in posizione subterminale (B)

submetacentrici: centromero in posizione submediana (C)

metacentrici: centromero in posizione mediana (D)

OrganismoNumerodi cromosomi

Numero di copiedi cromosomi

Tipo Dimensione (Mbps)

Mycoplasma genitalium 1 1 circolare 0,58

Escherichia coli K12 1 1 circolare 4,6

Agrobacterium tumefaciens 4 13 circolari1 lineare

5,67

Sinorizhobium melioti 3 1 circolare 6,7

Saccharomyces cerevisiae 16 1 o 2 lineare 12,1

Schizosaccharomyces pombe 3 1 o 2 lineare 12,5

Caenorhabditis elegans 6 2 lineare 97

Drosophila melanogaster 4 2 lineare 180

Fugu rubripes 22 2 lineare 365

Mus musculus 19+X+Y 2 lineare 2500

Homo sapiens sapiens 22+(X o Y) 2 lineare 2900

Organism estimated sizeestimated

gene numberaverage gene

densitychromosome

number

Homo sapiens(human) 3000 million bases~20,000-25,000

1 gene per 100,000 bases 46

Rattus norvegicus (rat) 2,750 million bases ~30,000 1 gene per 100,000

bases 42

Mus musculus (mouse) 2500 million bases ~30,0001 gene per 100,000

bases 40

Drosophila melanogaster(fruit fly)

180 million bases 13,6001 gene per 9,000

bases 8

Arabidopsis thaliana125 million bases 25,500 1 gene per 4000 bases 5

Arabidopsis thaliana(plant)

125 million bases 25,500 1 gene per 4000 bases 5

Caenorhabditis elegans(roundworm)

97 million bases 19,100 1 gene per 5000 bases 6

Saccharomyces cerevisiae(yeast)

12 million bases 6300 1 gene per 2000 bases 16

Escherichia coli(bacteria)

4.7 million bases 3200 1 gene per 1400 bases 1

H. influenzae (bacteria) 1.8 million bases 1700 1 gene per 1000 bases 1

Human immunodeficiencyvirus (HIV)

9700 9 1 gene per 1000 bases

••REGOLAZIONEREGOLAZIONE

••DELLADELLA

••ESPRESSIONEESPRESSIONE

••GENICAGENICA

UnaUna completacompleta descrizionedescrizione delladella sequenzasequenza didi DNA DNA didi un un

organismoorganismo non non sarebbesarebbe in in gradogrado didi ricostruirericostruire lo lo stessostesso

organismoorganismo piùpiù didi quantoquanto unauna listalista didi vocabolivocaboli inglesiinglesi non non

sarebberosarebbero in in gradogrado didi ricostruirericostruire un un sonettosonetto didi

Shakespeare. In Shakespeare. In entrambientrambi ii casicasi ilil problemaproblema principaleprincipaleShakespeare. In Shakespeare. In entrambientrambi ii casicasi ilil problemaproblema principaleprincipale

consisteconsiste nelnel conoscereconoscere come come gligli elementielementi nellanella sequenzasequenza

didi DNA o le parole DNA o le parole nellanella listalista sianosiano usateusate. Sotto . Sotto qualiquali

condizionicondizioni ciascunciascun prodottoprodotto genicogenico vieneviene generatogenerato? ?

E…E…unauna voltavolta sintetizzatosintetizzato, , cosacosa fafa??

miRNA

Filamento lungo il quale il DNA viene Filamento lungo il quale il DNA viene scansitoscansito, detto , detto

filamento stampofilamento stampo. La sequenza di RNA sarà identica . La sequenza di RNA sarà identica

(a meno della U (a meno della U alpostoalposto della T) a quella del della T) a quella del

filamento sensofilamento senso (complementare dello stampo)(complementare dello stampo)

PROCARIOTIPROCARIOTIA livello A livello trascrizionaletrascrizionale le le

cellule batteriche regolano cellule batteriche regolano

l’espressione genica l’espressione genica

attraverso il modello attraverso il modello

dell’dell’operoneoperone..

L’operone è un tratto di DNA L’operone è un tratto di DNA

5’5’

3’3’

L’operone è un tratto di DNA L’operone è un tratto di DNA

comprendente (in sequenza comprendente (in sequenza

dal 5’dal 5’--P al 3’P al 3’--OH) tratti OH) tratti

regolativi (promotore ed regolativi (promotore ed

operatore) e geni strutturali operatore) e geni strutturali

(solitamente correlati tra (solitamente correlati tra

loro nella loro funzione).loro nella loro funzione).

Gli operoni si distinguono in:Gli operoni si distinguono in:

1)1) InducibiliInducibili (se possono essere accesi da (se possono essere accesi da

un determinato induttore). Solitamente un determinato induttore). Solitamente

sono catabolici (degradano cioè sono catabolici (degradano cioè

substrati):substrati):

2)2) ReprimibiliReprimibili (se possono essere accesi (se possono essere accesi

da un determinato repressore). da un determinato repressore).

Solitamente sono anabolici Solitamente sono anabolici

(sintetizzano cioè substrato)(sintetizzano cioè substrato)

OPERONE OPERONE LacLac: UN ESEMPIO : UN ESEMPIO DIDI OPERONE INDUCIBILEOPERONE INDUCIBILE

Un esempio di come Un esempio di come

il Lattosioil Lattosio

viene viene degradatrodegradatro, ,

se presente nel se presente nel

mezzo di coltura, in mezzo di coltura, in

Glucosio e Glucosio e

Galattosio nei Galattosio nei

batteri.batteri.

REGOLAZIONE FINE REGOLAZIONE FINE DELL’OPERONE DELL’OPERONE LacLac

MEDIANTE L’ATTIVITA’ MEDIANTE L’ATTIVITA’ DEL GLUCOSIODEL GLUCOSIO

Alti livelli di Alti livelli di GlcGlc nel mezzo di colturanel mezzo di coltura= scarsa efficienza di trascrizione= scarsa efficienza di trascrizione

(e traduzione) dell’operone;(e traduzione) dell’operone;

Bassi livelli di Bassi livelli di GlcGlc nel mezzo di colturanel mezzo di colturaAssociati a presenza di Lattosio = Associati a presenza di Lattosio = elevata efficienza di trascrizione elevata efficienza di trascrizione

dell’operonedell’operone

EUCARIOTIEUCARIOTI

(In particolare(In particolareiperacetilazioneiperacetilazionea livello dellea livello delle

Lisine)Lisine)

RIMODELLAMENTO DELLA CROMATINA (1)RIMODELLAMENTO DELLA CROMATINA (1)

Lisine)Lisine)

RIMODELLAMENTO DELLA CROMATINA (2)RIMODELLAMENTO DELLA CROMATINA (2)

EpigeneticaEpigenetica

Si intende per Epigenetica una qualunque attività di regolazione dei geni

tramite processi chimici che non comportino cambiamenti nel codice del DNA

ma possono modificare il fenotipo dell’individuo e/o della progenie.

Ad esempio:Ad esempio:

- metilazione del DNA;

- acetilazione degli istoni.

Questi fenomeni epigenetici alterano l'accessibilita' fisica al genoma da

parte di complessi molecolari deputati all'espressione genica e, quindi,

alterano il grado di funzionamento dei geni.

La metilazione del DNA nei vertebrati avviene tipicamente nei siti CpG

(citosina-fosfato-guanina; che si ha ove la citosina è direttamente

seguita da una guanina nella sequenza del DNA); tale metilazione

risulta nella conversione della citosina in 5-metilcitosina. La

formazione del Me-CpG è catalizzato dall'enzima DNA

metiltransferasi. I siti CpG sono poco comuni nel genoma degli

invertebrati mentre sono spesso trovati con maggior densità nei

promoters genici dei vertebrati, in cui sono collettivamente denominati

isole CpG. Lo stato di metilazione di questi siti CpG può avere un grave

impatto sull'attività/espressione genica.

Imprinting genomicoImprinting genomico

Alcuni geni vengono espressi solo se sono stati trasmessi dal padre, mentrealtri vengono espressi solo se vengono trasmessi dalla madre. Il fenomenodella espressione differenziale dipendente dal sesso del genitore di origineviene chiamato imprinting. Mentre nella sindrome di Praeder-Willi è ilcromosoma 15 materno ad essere presente in duplice copia, nella sindrome diAngelmann abbiamo una duplice copia del cromosoma paterno (si parla diUnisomia Diparentale).

In particolare in entrambe le sindromi la regione genomica interessata è quella del chr 15q11-q13. Nella PWS tale 15q11-q13. Nella PWS tale regione è metilata nel chr di

origine materna e, siccome gli alleli paterni vengono persi per

delezione, i geni contenuti nella controparte materna, essendo

metilati, non possono esprimersi.Viceversa, nella AS sono i chr 15 paterni ad essere in duplice copia, con conseguente iperattività di quella coppia di cromosomi.

Lo stato complessivo di metilazione in una cellula può anche essere un fattore

accelerante nella carcinogenesi come suggerisce l'evidenza che l'ipometilazione

genomica può portare ad instabilità cromosomica e crescenti tassi di mutazione.

Lo stato di metilazione di alcuni geni può essere usata come biomarker per la

tumorigenesi. Per esempio, l'ipermetilazione del pi-class glutathione S-

transferase gene (GSTP1) appare come un affidabile indicatore del tumore alla

prostata.