IL DOGMA CENTRALE

GENOMA e PROTEOMA

Dati aggiornati al 7 ottobre 2011

Genomi completi: 2935 Genomi in corso di sequenziamento: 7643

L’organizzazione dei genomi e’ piuttosto variabile. Nel genoma umano la maggior parte della sequenza (>90%) non e’ codificante, mentre in lievito e in E.Coli il grado di compattazione dei geni e’ piuttosto elevato, con solo il 10% di regioni non corrispondenti a open reading frames (ORF). Negli insetti la situazione e’ intermedia, mentre in piante, come zea mays, e’ molto frequente osservare larghe regioni ripetute con scarso contenuto informativo, con dimensioni totali spesso superiori a quelle dei genomi di vertebrati

Organizzazione dei genomi

I genomi batterici vanno da 500000 a pochi milioni di nucleotidi, gli eucarioti miliardi. I batteri hanno un cromosoma a singola copia, gli eucarioti molti a due o più copie ( una nella linea germinale).I geni batterici sono continui, quelli eucariotici discontinui ( esoni+introni ).Il DNA nei batteri è in gran parte codificante, negli eucarioti non codificante.

I GENOMI NEI VARI ORGANISMI

I GENOMI VIRALI

I GENOMI PROCARIOTICI

L’organizzazione dei genomi batterici I genomi procariotici sono compatti, di dimensioni variabili da un minimo di 400 kb a circa 10 Mb. Le regioni codificanti sono raggruppate in operon, separate da piccole regioni non codificanti. Tipicamente il genoma è costituito da un unico cromosoma circolare, ma esistono genomi lineari e composti da piè catene di DNA; in alcune specie sono presenti plasmidi extracromosomiali. Complessivamente il DNA non codificante è intorno al 10%, distribuito in un gran numero di regioni spaziatrici.

Architettura dei genomi procariotici

Il genoma dei procarioti

Il genoma dei procarioti

• Risposta agli stimoli = alterazione livelli di espressione dei geni

• Funzioni dei geni nei procarioti:

– 32 geni o più: capacità di produrre e replicare il DNA

– 100 – 150 geni: fabbricazione delle proteine “strutturali”

– 30 geni o più: generazione e immagazzinamento dell’energia

• Insieme minimo: 256 – 300 geni.

L’organizzazione del genoma di E. Coli Il genoma di E. Coli K12 è costituito da circa 600 operon, situati su una unica molecola di DNA circolare di 4.64 Mb. I geni sono localizzati a stretto contatto tra loro, lasciando solo piccole aree non codificanti come spaziatori. Una varietà di sequenze ripetute è presente nelle regioni non codificanti, ma anche in quelle codificanti. La struttura del cromosoma di E. Coli mostra ben visibili le caratteristiche indicate.

Il genoma dei procarioti

I GENOMI EUCARIOTICI

Il genoma degli eucarioti • Eccezionalmente più complesso

• Organismi multicellulari, differenziazione cellulare

• Enormi quantità di DNA “spazzatura”

Specie Dim. del genoma

(Mb)

Numero di geni

Lievito 13 6 241

Caenorhabditis el. 100 18 424

Arabidopsis 130 25 000

Moscerino della

frutta

180 13 601

Pesce zebra 1 700 ?

Homo sapiens 3 000 45 000

B =DNA mitocondriale circolare a doppio filamento 16-18 kb fino a 30 copie per organello

A = DNA cloroplasto doppio filamento 120 160 kb codifica enzimi per la fotosintesi 20 40 copie per organello

I geni mitocondriali

• 37 geni totali

• 24 geni per RNA: 22 tRNA e 2 rRNA

• 13 geni per proteine (subunita’ dei complessi respiratori mitocondriali)

Struttura del genoma eucariotico

•Sequenze ripetute

•Geni interrotti

•DNA non codificante

• IL GENOMA UMANO e’ composto da 25 differenti

molecole di DNA:

24 differenti molecole di DNA nucleare (22 autosomi, X e Y)

(GENOMA NUCLEARE), 3200 Mb (3x109 bp);

1 singolo tipo di DNA mitocondriale (GENOMA

MITOCONDRIALE), 16,6 kb (1,66x104 bp).

Genoma nucleare

• 24 differenti molecole di dsDNA

corrispondenti ai 24 cromosomi

(22 autosomi, X e Y)

• Le dimensioni dei singoli cromosomi variano

notevolmente, come la loro composizione in

GC

geni per: rRNA (300)

tRNA (1300)

5S RNA (2000)

istoni (20)

sequenze ripetute intersperse sequenza Alu: 300 nt (x 300.000)

sequenze semplici o satelliti: 2-10 nt (x 2-100 copie in tandem x 1-100 blocchi interspersi)

Uniche (1-10 volte) 50-70%

Mediamente ripetute (da centinaia a migliaia di volte) 10-30%

Altamente ripetute (da decine di migliaia a milioni di volte) 5-25%

Maggior parte dei geni

Alcune sequenze regolative

Alcune sequenze a funzione speciale (centromeri, origini, etc.)

intersperse

in tandem Geni reiterati (rRNA, 5S RNA, tRNA, Istoni etc.)

DNA satelliti sequenze semplici

Sequenze uniche e ripetute nel genoma

I geni umani

• Stimati in un numero tra 30 000 e 35 000.

• Non sono distribuiti sui cromosomi in maniera uniforme.

• La grande maggioranza dei geni umani codifica proteine, mentre una frazione tra il 5 e il 10% di essi specifica molecole di RNA non-tradotte.

• Dalla sequenza del genoma si identificano circa 11 000 geni con certezza. Gli altri geni sono stati predetti mediante analisi informatica della sequenza, e sono, quindi, solo putativi.

I geni che codificano proteine

• Dimensioni molto variabili

• Diversa organizzazione esoni-introni

• Differenze nel contenuto di DNA ripetitivo (introni e sequenze fiancheggianti)

• Distribuzione variabile sui vari cromosomi

DNA ripetitivo non-codificante clusterizzato

Spesso si trova in blocchi di ripetizioni in tandem, e puo’ essere classificato in:

• DNA satellite, soprattutto centromerico

• DNA minisatellite, generalmente situato ai telomeri

• DNA microsatellite, disperso in tutti i cromosomi, anche nelle regioni codificanti

Il DNA non codificante è quindi quella parte di genoma che maggiormente varia al variare della complessità

INTRONI UTRs

REGIONI INTERGENICHE

Esiste invece una forte correlazione tra la complessità biologica e la frazione di DNA non codificante proteine sul totale del genoma (nc/tg)

Le regioni intergeniche possono regolare la funzione del genoma in cis (promotori, enhancers, insulators, ecc) o in trans, attraverso RNA non codificanti di varie classi

•Le proporzioni relative delle componenti del DNA variano nei diversi genomi eucariotici

•Il contenuto assoluto di DNA non ripetitivo aumenta con le dimensioni del genoma, ma raggiunge un plateau a circa 2 x 109 bp.

Organismo

batterio

lievito

verme

moscerino

riccio di mare

topo

rana

pianta superiore

tritone

Specie

E.coli

S.cerevisiae

C.elegans

D.melanogaster

S.purpuratus

M.musculus

X.laevis

N.tabacum

T.cristatus

Grandezzadel genoma

4.2 x 106

1.3 x 107

8.0 x 107

1.4 x 108

8.6 x 108

2.7 x 109

3.1 x 109

4.8 x 109

2.2 x 1010

Complessità delDNA non ripetitivo

4.2 x 106

1.3 x 107

6.7 x 107

1.0 x 108

4.3 x 108

1.5 x 109

1.7 x 109

5.0 x 108

4.7 x 109

100

100

83

70

50

58

54

33

47

Percentuale

La percentuale di DNA non ripetitivo tende a diminuire con l'aumentare della grandezza del genoma

Organizzazione del genoma

•Quanti geni?

•Quali geni?

•Quanti geni indispensabili?

Quanti geni espressi?

•Circa 10 000 geni sono espressi in tutte le cellule

•Alcuni geni sono espressi solo in alcune cellule

Introni e esoni

•Esoni: sequenze rappresentate nell’RNA maturo

•Introni: sequenze rimosse dal trascritto primario

Introni

•Assenti nei procarioti (qualche eccezione)

•Pochi negli archeobatteri e nei lieviti

•Molti negli eucarioti complessi

Gene per il collagene 1a2 di pollo

DNA genomico e cDNA

Origine degli introni

•Antica: gli introni sono stati eliminati in alcuni genomi

•Moderna: gli introni si sono inseriti in alcuni genomi

Origine degli introni

Non si è ancora certi dell’origine di tutti gli introni, ma si portano tre spiegazioni che tuttavia non soddisfano l’intera massa

Alcuni introni sono “residui fossili” di virus (retrovirus) che hanno lasciato il loro patrimonio inserito

nelle cellule ospiti, le quali sono riuscite a evitarne la successiva trascrizione, rendendoli inattivi.

La riattivazione di alcuni di questi tratti virali, può indurre gravi malattie genetiche. (antica)

Alcuni sono la rimanenza di esoni che, a causa di gravi mutazioni, sono stati silenziati “volontariamente” dalla cellula.(antica)

Molti possono essere il risultato del processo di “exon shuffling”, tale teoria ipotizza che gli introni permettano

l'assemblaggio delle diverse unità funzionali di una proteinain nuove combinazioni evolutivamente vantaggiose

(ad esempio quando un certo genoma ha "imparato" la sequenza che codifica un sito ATPasico, lo inserisce

in altri geni che codificano proteine che necessitano di idrolizzare ATP per la loro funzione) (moderna)

L’idea che i geni siano stati assemblati per aggregazione di esoni implica che gli introni fossero presenti nei geni degli organismi primitivi.

La teoria esonica dei geni I brevi geni dei primi genomi probabilmente codificavano proteine a singolo dominio che, per produrre un enzima attivo, dovevano associarsi formando proteine a molte subunità. Più tardi la sintesi di questo enzima può essere stata resa più efficiente dall’unione dei brevi geni, a formare un gene discontinuo codificante una singola subunità proteica con molti domini.

Piccoli geni

Genoma primordiale

Singola subunità proteica con molti domini

Singolo gene discontinuo

Proteina con molte subunità

Ruolo degli introni nell’evoluzione

(teoria del “mescolamento degli esoni”)

Splicing alternativo

Famiglie geniche

Più della metà dei geni di lievito non sono indispensabili

•Geni ridondanti (famiglie geniche) •Funzioni accessorie

Le famiglie geniche si evolvono per duplicazione di uno o più geni seguita da divergenza tra le

copie. Alcune copie subiscono mutazioni inattivanti e

diventano pseudogeni

Famiglie geniche

• Famiglie geniche classiche (istoni, globine)

• Geni codificanti prodotti con domini altamente conservati (Homeobox, Paired box, Forkhead, ecc.)

• Geni codificanti proteine contenenti corti motivi conservati, correlati ad una comune funzione (DEAD box, WD domain, ecc.).

• Superfamiglie (immunoglobuline, recettori G protein coupled, ecc.) .

Famiglie geniche

• Raggruppate

• Disperse (geni PAX, NF1)

Gruppo singolo (alfa-globine, geni GH) Gruppi multipli (geni HOX, istoni)

Organizzazione delle unità di ripetizione dei geni per gli istoni in diverse specie

Famiglia dei geni della globina nell’uomo e altri primati

SUBUNITA'

di tipo

di tipo

tetrameri

EMBRIONE

22(Gower 1)

22(Gower 2)

22(Portland)

FETO

G, A

22(HbF)

ADULTO

22(HbA)

22(HbA2)

Le emoglobine umane

800 milioni di anni

500 milioni di anni

200 milioni di anni

40 milioni di anni 100 milioni di anni

Mioglobina 2 2 1 G A d

-globine -globine

Duplicazioni geniche nell’evoluzione della famiglia genica delle globine umane

Il confronto delle sequenze nucleotidiche permette la deduzione delle relazioni evolutive tra i geni delle globine

PSEUDOGENI

Pseudogeni = geni non funzionali

•Con introni

•Maturati

• copie difettive dell’intera sequenza di un gene funzionale (o della sua porzione codificante)

• copie troncate, mancanti di porzioni al 5’, al 3’

• frammenti interni.

Pseudogeni non-processati

• Contengono tutte le regioni funzionali del gene

• Presentano codoni di stop inappropriati

• Originati per duplicazione genica o crossingover ineguale

Pseudogeni processati

• Contengono solo le sequenze esoniche e una sequenza oligo dA/dT

• Copiati dall’mRNA in cDNA e reintegrati nel genoma

• Se sono espressi sono detti retrogeni

Origine degli pseudogeni

PROTEOMA