L’INFORMAZIONE GENETICA, ELEMENTO BASILARE:Caratteristiche e alterazioni nei procarioti

IL LEGAME FOSFODIESTERE

O-

O = P – O – CH2 Adenina

O- OH HH

HH

O

O = P

O- O

CH2 Timina

OH H

HH

H

3’

5’

ESTREMITA’3’

ESTREMITA’5’

IL LEGAME FRA NUCLEOTIDI:IL LEGAME FRA NUCLEOTIDI:BASE STRUTTURALE DELL’INFORMAZIONE GENETICABASE STRUTTURALE DELL’INFORMAZIONE GENETICA

O-

O = P

O- O

CH2

OH H

HH

H

O

O = P

O- O

CH2

OH H

HH

H

A:T

G:C

H HH HH

O

OH

CH2

O

P = O

O O-

H HH HH

O

CH2

O

P = O

O O-

5’

3’

3’

5’

.

L’APPAIAMENTO DEGLI STRAND:L’APPAIAMENTO DEGLI STRAND:LE BASI COMPLEMENTARILE BASI COMPLEMENTARI

IL CODICE GENETICOIL CODICE GENETICO

UUU F

UUC F

UUA L

UUG L

UC S

UAU Y

UAC Y

UAA Stop(Ochre)

UAG Stop(Amber)

UGU C

UGC C

UGA Stop(Umber)

UGG W

CU L CC P

CAU H

CAC H

CAA Q

CAG Q

CG R

AUU I

AUC I

AUA I

AUG M

AC T

AAU N

AAC N

AAA K

AAG K

AGU S

AGC S

AGA R

AGG R

GU V GC A

GAU D

GAC D

GAA E

GAG E

GG G

IL GENEIL GENE

IL GENE PROCARIOTICOPROCARIOTICO E’ COSTITUITO DA UNA SEQUENZA DI TRIPLETTE ADIACENTIADIACENTI IN UN FILAMENTO DI DNA, IN GRADO DI CONTROLLARE LA SINTESI DI UN PRODOTTO SPECIFICO

CLASSIFICAZIONE DEI GENI

• STRUTTURALI: controllano la sintesi di una proteina enzimatica o strutturale

• REGOLATORI: controllano la sintesi di una proteina che controlla la trascrizione di uno o più geni agendo su una regione genomica adiacente detta operatore

• SOPPRESSORI: il loro prodotto sopprime l’espressione di uno o più geni agendo a livello della traduzione

• MUTATORI: il loro prodotto induce alterazioni strutturali in altri geni

TGTTGAACATCGATAATTATCTT

ACAACTTGTAGCTATTAATAGAAUGUUGAACAUCG

ppp

OH

5’

3’

TRASCRIZIONE

mRNA

PROMOTORE GENE TERMINATORE STRUTTURALE

Proteina

mRNA

TRASCRIZIONE

TRADUZIONE

GENE PROCARIOTICOGENE PROCARIOTICO

PROMOTORE ESONI INTRONI TERMINATORE

Proteina

TRASCRIZIONE

RIELABORAZIONE

TRADUZIONE

1 2 43

Trascrittoprimario

AAAAAG

G AAAAA Trascrittofunzionale

GENE EUCARIOTICOGENE EUCARIOTICO

1 2 43

LO SPLICINGLO SPLICING

1 2 3 4 1 2 4

TRASCRITTI FUNZIONALI ALTERNATIVI

IL CONTROLLO IL CONTROLLO DELL’ESPRESSIONE GENICADELL’ESPRESSIONE GENICA

NON TUTTI I PRODOTTI GENICI SONO NECESSARI ALLO STESSO MOMENTO

L’ESPRESSIONE PUO’ ESSERE

COSTITUTIVA REGOLATA

INDUCIBILE REPRIMIBILE

o A EC DB t

TRASCRIZIONE

mRNA

-35 -10 +1

P

TRADUZIONE

PROTEINE

RNApolimerasi

UNITA’ TRASCRIZIONALE (OPERON) COSTITUTIVAUNITA’ TRASCRIZIONALE (OPERON) COSTITUTIVA

UNITA’ TRASCRIZIONALE (OPERON) INDUCIBILEUNITA’ TRASCRIZIONALE (OPERON) INDUCIBILE

o A EC DB t-35 -10 +1

NESSUNA TRASCRIZIONE

RNApolimerasi

R

o A EC DB tmRNA-35 -10 +1

TRASCRIZIONE

RNApolimerasi

RI

UNITA’ TRASCRIZIONALE (OPERON) REPRIMIBILEUNITA’ TRASCRIZIONALE (OPERON) REPRIMIBILE

o A EC DB tmRNA-35 -10 +1

o A EC DB t-35 -10 +1

RNApolimerasi

TRASCRIZIONEIR

IR C

NESSUNA TRASCRIZIONE

RNApolimerasi

IRC

UNITA’ TRASCRIZIONALE (OPERON) A CONTROLLO +UNITA’ TRASCRIZIONALE (OPERON) A CONTROLLO +

o A EC DB tmRNA-35 -10 +1

o A EC DB t-35 -10 +1

RNApolimerasi

TRASCRIZIONE AUMENTATAAC

TmRNA

RNApolimerasi

TRASCRIZIONE NORMALE

AC

T E

AC

T E

IL DNA INVERTIBILEIL DNA INVERTIBILELE VARIAZIONI DI FASELE VARIAZIONI DI FASE

SHIFT DAL FLAGELLO H1 AD H2SHIFT DAL FLAGELLO H1 AD H2IN SALMONELLAIN SALMONELLA

H2 e H1rep non trascritti

Trascrizione di H1

Trascrizione di H2 e H1rep

Il repressore di H1 blocca latrascrizione

H2 H1rep

H2p

ro

H1 H1pro

ELEMENTO GENETICO INVERTIBILEDALLA DNA INVERTASI (meccanismo flip_flop)

H2 H1rep

H2p

ro

H1 H1pro

L’IMPIEGO DEL CODICE GENETICOL’IMPIEGO DEL CODICE GENETICOCODON AMINOACIDO FREQUENZA DI

UTILIZZO IN E.coliFREQUENZA DI UTILIZZO IN H.sapiens

CGG Arg 0,08 0,19

CGA Arg 0,05 0,1

CGU Arg 0,42 0,09

AGA Arg 0,04 0,21

CCG Pro 0,55 0,11

CCA Pro 0,2 0,27

CCU Pro 0,16 0,29

CCC Pro 0,1 0,33

UGA Stop 0,3 0,61

UAG Stop 0,09 0,17

UAA Stop 0,62 0,22

UTILIZZO DEI CODON E REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICA

PROMOTORE GENE 1 GENE2 TERMINATORE

mRNASTESSONUMERO DI COPIE

PROTEINA 1

CAI 0,6

tRNA sufficienti

CAI 0,1

tRNA limitati

PROTEINA 2

IL PATRIMONIO GENETICO DEI PROCARIOTI

NucleoideDNA extracromosomiale

SITO DI ANCORAGGIODEL CROMOSOMA ALLA MEMBRANA

IL PATRIMONIO GENETICO DEI PROCARIOTI

• GENERALMENTE 1 MOLECOLA CIRCOLARE DI DNA (eccezioni V.cholerae 2 cromosomi e Agrobacterium e Streptomyces cromosoma lineare)

• MEDIAMENTE 3-6 x 106 bp• PESO MOLECOLARE ± 2-4 x

109 Da• MOLECOLA SUPERAVVOLTA• LUNGHEZZA 1,1 mm

I PLASMIDII PLASMIDI

IN NUMEROSE SPECIE BATTERICHE SONO PRESENTI MOLECOLE DI DNA PIU’ PICCOLE DEL GENOMA, DOTATE DI CAPACITA’ REPLICATIVA AUTONOMA (PLASMIDI) TALORA IN GRADO DI INTEGRARSI NEL GENOMA (EPISOMI) CHE POSSONO CONFERIRE FENOTIPI RILEVANTI AI BATTERI (VIRULENZA – RESISTENZA)

PLASMIDI ARTIFICIALI:PLASMIDI ARTIFICIALI:LA BASE DELL’INGEGNERIA GENETICA

PLASMIDI ARTIFICIALI:PLASMIDI ARTIFICIALI:LA BASE DELL’INGEGNERIA GENETICA

VARIAZIONI FENOTIPICHEVARIAZIONI FENOTIPICHE

FENOMENO ADATTATIVO GRADUALE E REVERSIBILE CUI VA INCONTRO LA MAGGIOR PARTE DELLA POPOLAZIONE IN SEGUITO AD UNA DETERMINATA PRESSIONE AMBIENTALE

MUTAZIONIMUTAZIONI ALTERAZIONI DELLA SEQUENZA GENICA CHE VENGONO ALTERAZIONI DELLA SEQUENZA GENICA CHE VENGONO

EREDITATE DALLA PROGENIEEREDITATE DALLA PROGENIE ORIGINE DELLA VARIABILITA’ BATTERICA

ANCESTRALE COMUNEEVENTIMUTAZIONALI

NUOVI EVENTIMUTAZIONALI

EMERGEMUTAZIONE

VANTAGGIOSA

L’AMBIENTE SELEZIONAL’AMBIENTE SELEZIONALE MUTAZIONILE MUTAZIONI

FENOTIPOMUTAZIONE

VANTAGGIOSASELEZIONATASTABILMENTE

MUTAZIONI GENOTIPICHE

PRESSIONEAMBIENTALE

LA FREQUENZA MUTAZIONALELA FREQUENZA MUTAZIONALE1/101/1044 – 1/10 – 1/1099

PIASTRA SENZA ANTIBIOTICO

REPLICAPLATING

PIASTRE CON ANTIBIOTICI

DIVERSI

MUTAZIONIMUTAZIONI

SOSTITUTIVE

Errori polimerasi

ADDIZIONALI

Elementi mobli

Errori polimerasi(spesso nonsenso)

DELETIVE

Errori polimerasi

Fenomeni diricombinazione

MUTAZIONI ADDIZIONALIMUTAZIONI ADDIZIONALI

Atgaatagcagacatctgacaattacaatcattgccggcctctcc M N S R H L T I T I I A G L S

PROTEINA COMPLETAMENTE ALTERATAAtgaatGagcagacatctgacaattacaatcattgccggcctctccc M N E Q T S D N Y N H C R P L

PROTEINA SOPPRESSAAtgaatGGagcagacatctgacaattacaatcattgccggcctctccc M N G A D I - Q L Q S L P A S P

PROTEINA CON MUTAZIONE PUNTIFORMEAtgaatGGGagcagacatctgacaattacaatcattgccggcctctccc M N G S R H L T I T I I A G L S

+1

+2

+3

MUTAZIONI SOSTITUTIVEMUTAZIONI SOSTITUTIVE

Atgaattatagacatctgacaattacaatcattgccggcctctcc M N Y R H L T I T I I A G L S

PROTEINA NON ALTERATA (MUTAZIONE CONSERVATIVA)AtgaattatagacaCctgacaattacaatcattgccggcctctcc M N Y R H L T I T I I A G L S

PROTEINA MUTATA (MUTAZIONE DI SENSO)AtgaattatagacaActgacaattacaatcattgccggcctctcc M N Y R Q L T I T I I A G L S

PROTEINA SOPPRESSAAtgaattaGagacatctgacaattacaatcattgccggcctctcc M N - R H L T I T I I A G L S

MUTAZIONI E FENOTIPOMUTAZIONI E FENOTIPO

• MUTAZIONI IRRILEVANTI (non vi è sostituzione di amminoacido oppure la sostituzione è conservativa)

• MUTAZIONI LIEVI (vi è sostituzione di amminoacido non conservativa, ma la proteina mantiene almeno in parte la funzione)

• MUTAZIONI RILEVANTI (formazione di un prodotto alterato o inattivo o sostanzialmente diverso dall’originale)

MECCANISMI DI MUTAZIONEMECCANISMI DI MUTAZIONE

MUTAZIONE PUNTIFORME• CTA/CTC = V/V SILENTE

• CTA/GTA = V/L CONSERVATIVA

• CAT/CAA = Q/H NON CONSERVATIVA

• TAT/TAA = Y/STOP NON SENSO

ELEMENTI TRASPONIBILI

1. SEQUENZE DI INSERZIONE

2. TRASPOSONI

3. ALCUNI BATTERIOFAGI TEMPERATI (es. Mu)

MECCANISMI DI MUTAZIONEMECCANISMI DI MUTAZIONE

MECCANISMI DI MUTAZIONEMECCANISMI DI MUTAZIONESEQUENZE DI INSERZIONE

SONO UN IMPORTANTE MECCANISMO DI DISORGANIZZAZIONE DELLA SEQUENZA NUCLEOTIDICA, IN CUI UNA SEQUENZA PRESENTE IN UN’ALTRA PARTE DEL GENOMA SI INSERISCE IN UN GENE O NEL SUO PROMOTORE INTERROMPENDOLI O ALTERANDONE LA FUNZIONE. IN MOLTI CASI I SITI DI INSERZIONE NON SONO CASUALI E LE IS SI SPOSTANO IN RISPOSTA A STIMOLI BEN PRECISI. TRASPORTANO IL GENE DI UNA TRASPOSASI E ALLE ESTREMITA’ GLI “INVERTED REPEATS”

GENE WILD-TYPE

GENE INTERROTTO

ESPRESSIONEINTERROTTA OALTERATA

IS

IS

MECCANISMI DI MUTAZIONEMECCANISMI DI MUTAZIONE

TRASPOSONISONO UN IMPORTANTE MECCANISMO DI DISORGANIZZAZIONE DELLA SEQUENZA NUCLEOTIDICA. RISPETTO ALLE IS VEICOLANO GENI DI RILEVANTE INTERESSE PER L’ALTERAZIONE DEL FENOTIPO DEL MUTANTE, COME FATTORI DI RESISTENZA O GENI DI VIRULENZA.

INVERTED REPEATS

TRASPOSASI

GENI DI RESISTENZA O VIRULENZA

MECCANISMO DI TRASPOSIZIONEMECCANISMO DI TRASPOSIZIONETRASPOSONITRASPOSONI

TRASPOSIZIONE CONSERVATIVATRASPOSIZIONE CONSERVATIVAL’ELEMENTO TRASPONIBILE SI EXCIDE DAL CROMOSOMA E SI L’ELEMENTO TRASPONIBILE SI EXCIDE DAL CROMOSOMA E SI

INSERISCE IN UNA NUOVA POSIZIONE SENZA DUPLICARSIINSERISCE IN UNA NUOVA POSIZIONE SENZA DUPLICARSI

SEQUENZA TARGET

ELEMENTOTRASPONIBILE

MECCANISMO DI TRASPOSIZIONEMECCANISMO DI TRASPOSIZIONE

SEQUENZA TARGETELEMENTO

TRASPONIBILE

LA TRASPOSASIINDUCE IL NICKINGDEGLI STRAND

L’ELEMENTO TRASPONIBILESI LEGA AL TARGETSUI DUE STRAND

LA POLIMERASI RIPARA LE ZONESINGLE STRANDDUPLICANDO LESEQUENZE TARGET

MECCANISMO DI TRASPOSIZIONEMECCANISMO DI TRASPOSIZIONETRASPOSIZIONE REPLICATIVATRASPOSIZIONE REPLICATIVA

(es. FAGO Mu)(es. FAGO Mu)

ELEMENTOTRASPONIBILE

TARGET

COINTEGRAZIONENICKING SIINGLE STRAND DEL

TARGET E DI Tn E DUPLICAZIONEDI Tn

APPAIAMENTO E RICOMBINAZIONE DI Tn

SCAMBI GENETICI FRA SPECIESCAMBI GENETICI FRA SPECIE

P. putida

P. mirabilis

V. cholerae

Rhizobium trifolii

Rodospirillum rubrum

P. aeruginosa

Azotobacter spp

A. calcoaceticus

P. fluorescens

S. enterica

N. subflava

A. salmonicida

N. gonorrhoeae

E. coli

S. dysenteriae

A. tumefaciens

Rhizobium leguminosarum

H. influenzae

K. pneumoniae

S. marcescens

B. fragilisB. subtilis

B. pumilusS. aureus

LA RICOMBINAZIONE GENETICALA RICOMBINAZIONE GENETICA

PROCESSO MEDIANTE IL QUALE DUE MOLECOLE DI DNA REALIZZANO LO SCAMBIO DI REGIONI

CON ESTREMITA’ OMOLOGHE

ESTREMITA’OMOLOGHE

• TRASFORMAZIONE (il dna del donatore viene a contatto con il ceppo recettore)

• CONIUGAZIONE (contatto fisico fra ceppo donatore e ceppo recettore)

• TRASDUZIONE (il DNA del ceppo donatore è veicolato nel ceppo recettore da un batteriofago temperato)

TRE PROCESSI DI TRE PROCESSI DI RICOMBINAZIONERICOMBINAZIONE

TRASFORMAZIONETRASFORMAZIONE

RecA

1 2

4 3

DNA ETEROLOGO

CROMOSOMAPROTEINA SPECIFICAASSOCIATA ALLA COMPETENZA

DNA BINDING PROTEIN

NUCLEOTIDI

NUCLEASI

CONIUGAZIONECONIUGAZIONE

CONIUGAZIONECONIUGAZIONE

F-F+

PLASMIDE F

RETRAZIONE DEL PILO E NICKING DEL PLASMIDE

TRASFERIMENTO DI UNO STRAND DA F+ A F- E SINTESIDEGLI STRAND COMPLEMENTARI

F+F+

SEPARAZIONE

REPLICAZIONE E TRASFERIMENTO REPLICAZIONE E TRASFERIMENTO DEL PLASMIDE CONIUGATIVODEL PLASMIDE CONIUGATIVO

DONATORE

RICEVENTE

PARETICELLULARI

STRANDRITENUTO

STRANDTRASFERITOPRIMER

PRIMER

DNA POLIMERASI

PROTEINE DI MEMBRANACODIFICATE DAL PLASMIDE

OMP SPECIFICHEDEL RICEVENTE

PROTEINA TraINICKING & UNWINDING

FORMAZIONI DI CEPPI HfrFORMAZIONI DI CEPPI HfrI PLASMIDI CONIUGATIVI POSSONO ESSERE EPISOMI ED

INTEGRARSI NEL CROMOSOMA FAVORENDO LA SUCCESSIVA MOBILIZZAZIONE DEL CROMOSOMA

ISCROMOSOMAMOBILIZZABILE

ISoriT

IS

oriT

ISCROMOSOMASTABILE

RICOMBINAZIONE

TRASDUZIONETRASDUZIONE

DUE PROCESSI DISTINTI• TRASDUZIONE GENERALIZZATA

UN FRAMMENTO DEL DNA DELL’OSPITE, DERIVATO DA UN PUNTO QUALSIASI DEL SUO GENOMA VIENE INCORPORATO NEL GENOMA FAGICO E TRASFERITO

• TRASDUZIONE SPECIALIZZATANEL CASO DI ALCUNI FAGI TEMPERATI UNA REGIONE SPECIFICA DEL DNA DELL’OSPITE, IN PROSSIMITA’ DEL PUNTO DI INTEGRAZIONE DEL FAGO, VIENE OCCASIONALMENTE INCORPORATA NEL GENOMA FAGICO E TRASFERITA

TRASDUZIONE GENERALIZZATATRASDUZIONE GENERALIZZATA

FAGO

CICLO

LITICO

PARTICELLATRASDUCENTE

RICOMBINAZIONEFAGI

CEPPOTRASDOTTO

TRASDUZIONE SPECIALIZZATATRASDUZIONE SPECIALIZZATA

CEPPO LISOGENOCROMOSOMA DNA FAGICO

GENE CROMOSOMIALE

EVENTORARO

EVENTONORMALE