biologia molecolare i - uniupo.it
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lezione_1Elia Ranzato E-mail: [email protected] Tel:
0131360260
Il campo della biologia molecolare si interseca anche con altre discipline non biologiche: per esempio con l'informatica per l'elaborazione dell'enorme mole di dati che vengono prodotti con tecniche ad high-throughput o con la fisica nello studio delle biomolecole a livello di struttura tridimensionale (biologia strutturale)
Definizioni
segmento di DNA che codifica per una catena polipeptidica
insieme delle sequenze di DNA di un organismo
Biologia Molecolare
• Come viene decodificata l’informazione contenuta nel materiale genetico?
IL GENOMA
Il Il Il Il genomagenomagenomagenoma è l'insieme di tutte le informazioni biologiche necessarie alla costruzione e è l'insieme di tutte le informazioni biologiche necessarie alla costruzione e è l'insieme di tutte le informazioni biologiche necessarie alla costruzione e è 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
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, è costituito da due componenti animali pluricellulari, è costituito da due componenti animali pluricellulari, è costituito da due componenti animali pluricellulari, è 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....
lineari (Cromosomi):
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
cioè solo una copia per cromosoma (23 cromosomi in cioè solo una copia per cromosoma (23 cromosomi in cioè solo una copia per cromosoma (23 cromosomi in cioè 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 è fatto di DNA, molecola costituita da 4 diversi Il Genoma è fatto di DNA, molecola costituita da 4 diversi Il Genoma è fatto di DNA, molecola costituita da 4 diversi Il Genoma è 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 (estremità 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)
tra un individuo ed un altro)
LA SEQUENZA DEL GENOMA
La sequenza nucleotidica del genoma è presente La sequenza nucleotidica del genoma è presente La sequenza nucleotidica del genoma è presente La sequenza nucleotidica del genoma è 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'
Dato un filamento è possibile costruire l'altro per Dato un filamento è possibile costruire l'altro per Dato un filamento è possibile costruire l'altro per Dato un filamento è possibile costruire l'altro per complementarità: ciascun filamento contiene complementarità: ciascun filamento contiene complementarità: ciascun filamento contiene complementarità: ciascun filamento contiene la stessa informazione!la stessa informazione!la stessa informazione!la stessa informazione!
COSA C'È 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'È 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 è apparentemente La sequenza di un Genoma è apparentemente La sequenza di un Genoma è apparentemente La sequenza di un Genoma è 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
realtà sono distinguibili diversi tipi di elementi, realtà sono distinguibili diversi tipi di elementi, realtà sono distinguibili diversi tipi di elementi, realtà 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
MicrosatellitiMicrosatellitiMicrosatellitiMicrosatelliti
I GENI
Un Un Un Un genegenegenegene è un segmento di genoma contenente l'informazione per la sintesi di una è un segmento di genoma contenente l'informazione per la sintesi di una è un segmento di genoma contenente l'informazione per la sintesi di una è 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)
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 affinché avvenga la sintesi della viene tradotta affinché avvenga la sintesi della viene tradotta affinché avvenga la sintesi della viene tradotta affinché avvenga la sintesi della
proteina (nei proteina (nei proteina (nei proteina (nei ribosomiribosomiribosomiribosomi).).).).
Non tutti i geni però codificano proteine.Non tutti i geni però codificano proteine.Non tutti i geni però codificano proteine.Non tutti i geni però 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 più codificante, alcuni dei quali verranno introdotti più codificante, alcuni dei quali verranno introdotti più codificante, alcuni dei quali verranno introdotti più
avanti.avanti.avanti.avanti.
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 più mutazioni nella loro sequenza seguito ad una o più mutazioni nella loro sequenza seguito ad una o più mutazioni nella loro sequenza seguito ad una o più 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 è diventato è diventato è diventato è diventato
completamente non funzionale si degraderà per completamente non funzionale si degraderà per completamente non funzionale si degraderà per completamente non funzionale si degraderà 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 più riconosciuto come relitto addirittura non essere più riconosciuto come relitto addirittura non essere più riconosciuto come relitto addirittura non essere più riconosciuto come relitto
genico.genico.genico.genico.
JUNK DNA
Circa il 62% del genoma umano è costituito da regioni Circa il 62% del genoma umano è costituito da regioni Circa il 62% del genoma umano è costituito da regioni Circa il 62% del genoma umano è 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 è sconosciuta.geni e la cui funzione è sconosciuta.geni e la cui funzione è sconosciuta.geni e la cui funzione è 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), perché non se ne conosceva la funzione.spazzatura), perché non se ne conosceva la funzione.spazzatura), perché non se ne conosceva la funzione.spazzatura), perché 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 è detto che ciò di cui non numerosi processi: non è detto che ciò di cui non numerosi processi: non è detto che ciò di cui non numerosi processi: non è detto che ciò 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 è è è è
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 può essere diviso in due può essere diviso in due può essere diviso in due può essere diviso in due
categorie:categorie:categorie:categorie:
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
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'unità ripetuta è l'unità ripetuta è l'unità ripetuta è l'unità ripetuta è 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 è correlata al numero di geni che esso La dimensione del genoma è correlata al numero di geni che esso La dimensione del genoma è correlata al numero di geni che esso La dimensione del genoma è correlata al numero di geni che esso
contiene?contiene?contiene?contiene?
Non è detto!Non è detto!Non è detto!Non è 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
Genoma: 3200 Mb
IL PARADOSSO DEL VALORE C
Con Con Con Con valore Cvalore Cvalore Cvalore C si intende la quantità di DNA per genoma; si intende la quantità di DNA per genoma; si intende la quantità di DNA per genoma; si intende la quantità di DNA per genoma; non c’è un'ovvia correlazione fra la complessità degli non c’è un'ovvia correlazione fra la complessità degli non c’è un'ovvia correlazione fra la complessità degli non c’è un'ovvia correlazione fra la complessità degli organismi e la quantità di DNA del genoma. organismi e la quantità di DNA del genoma. organismi e la quantità di DNA del genoma. organismi e la quantità di DNA del genoma.
In realtà nei genomi degli organismi meno complessi si In realtà nei genomi degli organismi meno complessi si In realtà nei genomi degli organismi meno complessi si In realtà nei genomi degli organismi meno complessi si risparmia spazio in quanto i geni sono più vicini tra risparmia spazio in quanto i geni sono più vicini tra risparmia spazio in quanto i geni sono più vicini tra risparmia spazio in quanto i geni sono più 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 è molto emerge che l'organizzazione di quest'ultimo è molto emerge che l'organizzazione di quest'ultimo è molto emerge che l'organizzazione di quest'ultimo è molto più economica di quella del genoma umano:più economica di quella del genoma umano:più economica di quella del genoma umano:più economica di quella del genoma umano:
I geni sono più compatti
Le sequenze intergeniche sono più piccole
Le ripetizioni disperse e le altre sequenze non codificanti occupano molto meno spazio
Il genoma del lievito è più "concentrato"!Il genoma del lievito è più "concentrato"!Il genoma del lievito è più "concentrato"!Il genoma del lievito è più "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 più piccoli
Sono molto più compatti
molecola di DNA circolare
Alcuni geni possono essere
localizzati su molecole indipendenti
plasmidi.
I GENI
Il Il Il Il genegenegenegene è l'unità ereditaria e funzionale degli organismi è l'unità ereditaria e funzionale degli organismi è l'unità ereditaria e funzionale degli organismi è l'unità 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 può giocare un ruolo non codificante, che può giocare un ruolo non codificante, che può giocare un ruolo non codificante, che può 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 può Parte del contenuto dei geni non viene trascritto, ma può Parte del contenuto dei geni non viene trascritto, ma può Parte del contenuto dei geni non viene trascritto, ma può 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 ....
DNADNADNADNA PERCORSO 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 unità 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 è causata dal “crossing-over”
1944 Il DNA è 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 è costituito da triplette di basi
1977 Sequenziamento del DNA
Un passo indietro… Johan Friedrich Miescher (1844 – 1895)
è stato un biologo svizzero, che isolò per la prima volta gli acidi nucleici. Egli evidenziò 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 denominò nucleina, aprì 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 dell’organismo? Nella frazione informazioni dell’organismo? Nella frazione informazioni dell’organismo? Nella frazione informazioni dell’organismo? 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 fattore Trasformante è il DNA” (per sei anni non gli crede Nessuno)
…conduce alla scoperta di un fattore in grado di trasformare pneumococchi non virulenti in pneumococchi virulenti.
Griffith lo chiamò FATTORE TRASFORMANTE, fattore in grado di contenere le informazioni di un organismi
+estratto cellulare S
1903 I cromosomi sono unità 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 è causata dal “crossing-over”
1944 Il DNA è 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 è 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 quantità di A è uguale alla quantità di T la quantità di G è uguale alla quantità di C la quantità di G+A è uguale alla quantità di C+T
Rosalin Franklin(1952): ad un passo dalla soluzione
Rosalind Franklin 1952
LE SCOPERTE DELLA FRANKLIN
Il Dna è composto da due cateneIl Dna è composto da due cateneIl Dna è composto da due cateneIl Dna è 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 è 2 La distanza tra le due eliche è 2 La distanza tra le due eliche è 2 La distanza tra le due eliche è 2
nanometrinanometrinanometrinanometri
Struttura errata a tripla elica proposta da Pauling nel 1952
A-T
G-C
idrogenoidrogenoidrogenoidrogeno....
legamilegamilegamilegami idrogenoidrogenoidrogenoidrogeno....
OgniOgniOgniOgni coppiacoppiacoppiacoppia di di di di basibasibasibasi è è è è costituitacostituitacostituitacostituita da da da da unaunaunauna
purinapurinapurinapurina e e e e unaunaunauna pirimidinapirimidinapirimidinapirimidina....
Accoppiamenti complementari delle basi del DNA
Watson e Crick (1953): L’intelligenza della visione d’insieme 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 all’interno dell’elica, Le basi sono all’interno dell’elica, Le basi sono all’interno dell’elica, Le basi sono all’interno dell’elica,
perpendicolari all’asse dell’elica e formano perpendicolari all’asse dell’elica e formano perpendicolari all’asse dell’elica e formano perpendicolari all’asse dell’elica 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 è composto da 4 tipi di nucleotidi Il Dna è composto da 4 tipi di nucleotidi Il Dna è composto da 4 tipi di nucleotidi Il Dna è composto da 4 tipi di nucleotidi
Ogni nucleotide è composto da uno zucchero Ogni nucleotide è composto da uno zucchero Ogni nucleotide è composto da uno zucchero Ogni nucleotide è 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 quantità di In qualsiasi genoma cambia la quantità di In qualsiasi genoma cambia la quantità di In qualsiasi genoma cambia la quantità 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 può mantenere stabili le Il legame a idrogeno può mantenere stabili le Il legame a idrogeno può mantenere stabili le Il legame a idrogeno può mantenere stabili le strutture organichestrutture organichestrutture organichestrutture organiche
Il DNA è una doppia elica con distanza tra le due Il DNA è una doppia elica con distanza tra le due Il DNA è una doppia elica con distanza tra le due Il DNA è 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
O CH2OH
O
ZuccheroZuccheroZuccheroZucchero
FosfatoFosfatoFosfatoFosfato
NucleosideNucleosideNucleosideNucleoside
NucleotideNucleotideNucleotideNucleotide
NucleotideNucleotideNucleotideNucleotide
NucleotideNucleotideNucleotideNucleotide
NucleotideNucleotideNucleotideNucleotide
NucleotideNucleotideNucleotideNucleotide
Zucchero.
RNA contiene il
NucleosideNucleosideNucleosideNucleoside
Legame dell’N1 della Legame dell’N1 della Legame dell’N1 della Legame dell’N1 della Base AzotataBase AzotataBase AzotataBase Azotata
con il C1’ dello con il C1’ dello con il C1’ dello con il C1’ dello ZuccheroZuccheroZuccheroZucchero
N OOH
OH OH
Legame estereo dell’Acido FosforicoLegame estereo dell’Acido FosforicoLegame estereo dell’Acido FosforicoLegame estereo dell’Acido Fosforico
con l’ossidrile in C5’ dello con l’ossidrile in C5’ dello con l’ossidrile in C5’ dello con l’ossidrile in C5’ dello ZuccheroZuccheroZuccheroZucchero
FosfatoFosfatoFosfatoFosfato
NucleosideNucleosideNucleosideNucleoside
NucleotideNucleotideNucleotideNucleotide
OO
OH
P
O -
O -
Fosfato
Zucchero
Il Desossiribosio nel DNA
Il Ribosio nel RNA
Il Desossiribosio nel DNA
Il Ribosio nel RNA
I diversi nucleotidi sono legati tra loro attraverso il gruppo fosfato
Gruppo fosfato Zucchero pentoso Base azotata
DesossiribonucleotidiDesossiribonucleotidi
67
2’2’2’2’----Deossiadenosina 5’Deossiadenosina 5’Deossiadenosina 5’Deossiadenosina 5’----fosfatofosfatofosfatofosfato
2’2’2’2’----Deossicitidina 5’Deossicitidina 5’Deossicitidina 5’Deossicitidina 5’----fosfatofosfatofosfatofosfato 2’2’2’2’----Deossitimidina 5’Deossitimidina 5’Deossitimidina 5’Deossitimidina 5’----fosfatofosfatofosfatofosfato
2’2’2’2’----Deossiguanosina 5’Deossiguanosina 5’Deossiguanosina 5’Deossiguanosina 5’----fosfatofosfatofosfatofosfato
Ribonucleotidi
68
Citidina 5’Citidina 5’Citidina 5’Citidina 5’----fosfatofosfatofosfatofosfato Uridina 5’Uridina 5’Uridina 5’Uridina 5’----fosfatofosfatofosfatofosfato
Guanosina 5’Guanosina 5’Guanosina 5’Guanosina 5’----fosfatofosfatofosfatofosfato
Struttura primaria degli acidi nucleici
Come per le proteine, gli acidi nucleici hanno una struttura primaria, costituita dalla sequenza di basi e una direzionalità che presenta un’ estremità 5' libera da un lato ed una 3' libera dall'altro.
Per convenzione le sequenze degli acidi nucleici sono scritte a partire dalla 5' finendo alla 3'. Secondo questa convenzione i legami fosfodiesteri vanno dal 3' al 5'
Sequenza
Si descrive attraversoSi descrive attraversoSi descrive attraversoSi descrive attraverso
l’ordine delle Basi Azotatel’ordine delle Basi Azotatel’ordine delle Basi Azotatel’ordine delle Basi Azotate
partendo dall’estremità 5’ fino all’estremità 3’partendo dall’estremità 5’ fino all’estremità 3’partendo dall’estremità 5’ fino all’estremità 3’partendo dall’estremità 5’ fino all’estremità 3’
AdenosinaAdenosinaAdenosinaAdenosina
AdenosinaAdenosinaAdenosinaAdenosina
CitosinaCitosinaCitosinaCitosina
TiminaTiminaTiminaTimina
ZuccheroZuccheroZuccheroZuccheroFosfatoFosfatoFosfatoFosfato ZuccheroZuccheroZuccheroZuccheroFosfatoFosfatoFosfatoFosfato ZuccheroZuccheroZuccheroZuccheroFosfatoFosfatoFosfatoFosfato FosfatoFosfatoFosfatoFosfato
----AAAA----TTTT----CCCC----
Studi ai raggi X
certa periodicità
Le quantità di A e di T erano sempre uguali
e che le quantità di G e C erano uguali
Studi ai raggi X
certa periodicità
Le quantità di A e di T erano sempre uguali
e che le quantità di G e C erano uguali
Struttura secondaria del DNA
La struttura secondaria non è casuale ma è dovuta ai legami ad idrogeno che si formano tra le basi
Struttura secondaria DNA
- la spaziatura tra le macchie mostravano che c'erano
10 basi per giro d'elica
- la densità delle fibre indicava la presenza di due
molecole per elica.
T e G-C
Modello di Watson e Crick
Il DNA è 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 estremità 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) è sempre accoppiata conL'adenina (A) è sempre accoppiata conL'adenina (A) è sempre accoppiata conL'adenina (A) è 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) è sempre accoppiata con la citosina (C).guanina (G) è sempre accoppiata con la citosina (C).guanina (G) è sempre accoppiata con la citosina (C).guanina (G) è sempre accoppiata con la citosina (C).
L'adenina (A) è accoppiata con la timina (T) con due legami ad idrogeno
La guanina (G) è accoppiata con la citosina (C) con tre legami ad idrogeno.
80
81
2) Il DNA è costituito da undoppio filamento
Tra le basi dei due filamenti si formano legami idrogeno che li tengono uniti
Nel DNA le basi appartenenti ai due filamenti sono appaiate in modo caratteristico ( timina con adenina, guanina con citosina)
DNA
83
84
85
Il risultato è una lunga molecola di DNA
Un’appaiamento Guanina-Citosina caratterizzato da 3 legami idrogeno.
Un’appaiamento Adenina-Timina caratterizzato da 2 legami idrogeno.
Il diametro dell'elica è di 20 Å. Le coppie di basi adiacenti sono separate di 3,4 Å e si succedono ad ogni avanzamento dell'elica di 36º. Ci sono perciò 10 coppie di basi per ogni giro completo dell'elica (360º) e la struttura si ripete ogni 34 Å.
Non c'è nessuna limitazione alla sequenza di basi lungo una catena polinucleotidica. Dalla sequenza esatta però dipende l'informazione genetica.
Stabilità della doppia elica
Interazioni idrofobiche derivanti dall'impaccamento delle basi
dalla formazione di legami ad Idrogeno tra le coppie di basi.
La formazione della doppia elica è 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
Tipo d'elica destrosa destrosa destrosa
Diametro ~26 Å ~20 Å ~18 Å
Coppie/giro 11 10.5 12
L’ RNA è costituito da un singolo filamento
I nucleotidi non sono tutti uguali ma differiscono per la base
Ci sono 4 differenti tipi di basi:
• Adenina • Citosina • Guanina • Uracile
L’informazione contenuta negli acidi nucleici è codificata nella sequenza di basi che compongono il filamento (un alfabeto di 4 lettere)
RNA
RNA: struttura secondaria e terziaria
L'RNA esiste sottoforma di tre maggiori tipi: tRNA o RNAtransfer, rRNA o RNA ribosomiale, mRNA o RNA messaggero. Altre forme meno importanti servono nello splicing dell'RNA
RNAtransfer (tRNA)
sono costituiti da 73-90 nucleotidi e servono nella sintesi delle proteine.
DNA e RNA a singolo filamento tendono ad assumere una conformazione random coil. Comunque tali molecole a filamento singolo contengono regioni con sequenze auto complementari (tRNA)dove la molecola può formare zone a doppio filamento tRNA contiene basi modificate.
RNA Ribosomiale (rRNA)
Il ribosoma è un organello cellulare coinvolto nella sintesi proteica e consiste di due subunità, una piccola ed una grande, dove rRNA è parte integrante.
- RNA messaggero (mRNA)
Il mRNA è 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 fosfodiestere sono 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 è molto complessa. Comunque si possono discutere alcune strutture.
Superavvolgimento Il DNA di batteri, mitocondri, plastidi e alcuni virus è costituito da un anello chiuso. Il DNA circolare può 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
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 delle cellule contiene istruzioni complete per costruire un essere umano, il Dna è in gran parte nel nucleo, ma ce n’è dell’altro nei mitocondri delle cellule.
Cromosomi
Nel nucleo,il Dna è disposto in 23 coppie di “pacchetti” a forma di bastoncino, chiamati cromosomi (una serie proviene della madre, l’altra dal padre). Ogni cromosoma contiene un filamento di Dna. Se venisse svolto, il Dna di una cellula sarebbe lungo più di 2,04 metri
Il DNA nei cromosomi non e’ lineare
fibra di 30 nm
cromatina decondensata (collana di perle)
Il DNA, insieme a diverse proteine si organizza in una struttura che è 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 è 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 è tipico per ogni specie.
Specie umana: 46 cromosomi
OGNI COPPIA DI CROMOSOMI CONTIENE UN CROMOSOMA DI ORIGINE PATERNA E UN CROMOSOMA DI ORIGINE MATERNA
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 , cioè due serie di cromosomi, si dice che possiede un corredo cromosomico diploide; se invece è presente un cromosoma di ogni coppia di omologhi, si dice che il corredo è aploide.
Nell’uomo il numero diploide è 46 e il numero aploide è 23
Profase: Inizia quando i lunghi filamenti di cromatina cominciano a condensarsi mediante processi di spiralizzazione nel quale i cromosomi diventano contemporaneamente più corti e più spessi.
Ogni cromosoma è stato duplicato durante la precedente fase S e consiste di una coppia di unità identiche cromatidi
fratelli. Ogni cromatide contiene una regione chiamata centromero.
Metafase: i cromosomi sono allineati lungo il piano equatoriale della cellula (piastra metafasica) e prendono contatto con i microtubuli.
Il cinetocoro è un insieme di proteine che aderisce al centromero.
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 è 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 più 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, altre sono implicate nella regolazione dell’espressione genica (per es. RNA polimerasi). Al contrario degli istoni differiscono notevolmente in numero e tipo, tra un tipo cellulare ed un altro entro un organismo, in momenti diversi nello stesso tipo cellulare ed in organismi diversi.
Proteine associate al DNA
1. Fibra di cromatina di 30 nm
(avvolgimenti destrorsi impilati
Compattazione del DNA nel nucleo
11 nm 200 bp = 145 bp avvolte + 55 bp di DNA linker
3. Domini ad anse
300 nm
Watson et al., BIOLOGIA MOLECOLARE DEL GENE, Zanichelli editore S.p.A. Copyright
© 2005
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Regolazione della struttura della cromatina
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idrofobicità e la basicità delle porzioni N terminali degli
istoni: questo ne aumenta l’affinità per proteine
specifiche e fattori di trascrizione.
Le metilasi necessitano di cofattori: es. la s-
adenosilmetionina
della espressione genica, tuttavia ci sono esempi in cui la
metilazione si associa a attivazione della espressione genica
Metilazione degli istoni
PROCESSI DI ACETILAZIONE E
ASSOCIATA CON ACETILAZIONE
L’acetilazione dei residui di lisina al terminale NH degli istoni rimuove le cariche positive
riducendo quindi l’affinità degli istoni per il DNA: per questo l’acetilazione degli istoni
facilita i processi trascrizionali , al contrario, la deacetilazione reprime la
trascrizione
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: è stato riportato che la
fosforilazione degli istoni puo’ facilitare l’attacco 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
Il campo della biologia molecolare si interseca anche con altre discipline non biologiche: per esempio con l'informatica per l'elaborazione dell'enorme mole di dati che vengono prodotti con tecniche ad high-throughput o con la fisica nello studio delle biomolecole a livello di struttura tridimensionale (biologia strutturale)
Definizioni
segmento di DNA che codifica per una catena polipeptidica
insieme delle sequenze di DNA di un organismo
Biologia Molecolare
• Come viene decodificata l’informazione contenuta nel materiale genetico?
IL GENOMA
Il Il Il Il genomagenomagenomagenoma è l'insieme di tutte le informazioni biologiche necessarie alla costruzione e è l'insieme di tutte le informazioni biologiche necessarie alla costruzione e è l'insieme di tutte le informazioni biologiche necessarie alla costruzione e è 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
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, è costituito da due componenti animali pluricellulari, è costituito da due componenti animali pluricellulari, è costituito da due componenti animali pluricellulari, è 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....
lineari (Cromosomi):
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
cioè solo una copia per cromosoma (23 cromosomi in cioè solo una copia per cromosoma (23 cromosomi in cioè solo una copia per cromosoma (23 cromosomi in cioè 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 è fatto di DNA, molecola costituita da 4 diversi Il Genoma è fatto di DNA, molecola costituita da 4 diversi Il Genoma è fatto di DNA, molecola costituita da 4 diversi Il Genoma è 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 (estremità 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)
tra un individuo ed un altro)
LA SEQUENZA DEL GENOMA
La sequenza nucleotidica del genoma è presente La sequenza nucleotidica del genoma è presente La sequenza nucleotidica del genoma è presente La sequenza nucleotidica del genoma è 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'
Dato un filamento è possibile costruire l'altro per Dato un filamento è possibile costruire l'altro per Dato un filamento è possibile costruire l'altro per Dato un filamento è possibile costruire l'altro per complementarità: ciascun filamento contiene complementarità: ciascun filamento contiene complementarità: ciascun filamento contiene complementarità: ciascun filamento contiene la stessa informazione!la stessa informazione!la stessa informazione!la stessa informazione!
COSA C'È 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'È 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 è apparentemente La sequenza di un Genoma è apparentemente La sequenza di un Genoma è apparentemente La sequenza di un Genoma è 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
realtà sono distinguibili diversi tipi di elementi, realtà sono distinguibili diversi tipi di elementi, realtà sono distinguibili diversi tipi di elementi, realtà 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
MicrosatellitiMicrosatellitiMicrosatellitiMicrosatelliti
I GENI
Un Un Un Un genegenegenegene è un segmento di genoma contenente l'informazione per la sintesi di una è un segmento di genoma contenente l'informazione per la sintesi di una è un segmento di genoma contenente l'informazione per la sintesi di una è 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)
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 affinché avvenga la sintesi della viene tradotta affinché avvenga la sintesi della viene tradotta affinché avvenga la sintesi della viene tradotta affinché avvenga la sintesi della
proteina (nei proteina (nei proteina (nei proteina (nei ribosomiribosomiribosomiribosomi).).).).
Non tutti i geni però codificano proteine.Non tutti i geni però codificano proteine.Non tutti i geni però codificano proteine.Non tutti i geni però 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 più codificante, alcuni dei quali verranno introdotti più codificante, alcuni dei quali verranno introdotti più codificante, alcuni dei quali verranno introdotti più
avanti.avanti.avanti.avanti.
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 più mutazioni nella loro sequenza seguito ad una o più mutazioni nella loro sequenza seguito ad una o più mutazioni nella loro sequenza seguito ad una o più 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 è diventato è diventato è diventato è diventato
completamente non funzionale si degraderà per completamente non funzionale si degraderà per completamente non funzionale si degraderà per completamente non funzionale si degraderà 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 più riconosciuto come relitto addirittura non essere più riconosciuto come relitto addirittura non essere più riconosciuto come relitto addirittura non essere più riconosciuto come relitto
genico.genico.genico.genico.
JUNK DNA
Circa il 62% del genoma umano è costituito da regioni Circa il 62% del genoma umano è costituito da regioni Circa il 62% del genoma umano è costituito da regioni Circa il 62% del genoma umano è 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 è sconosciuta.geni e la cui funzione è sconosciuta.geni e la cui funzione è sconosciuta.geni e la cui funzione è 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), perché non se ne conosceva la funzione.spazzatura), perché non se ne conosceva la funzione.spazzatura), perché non se ne conosceva la funzione.spazzatura), perché 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 è detto che ciò di cui non numerosi processi: non è detto che ciò di cui non numerosi processi: non è detto che ciò di cui non numerosi processi: non è detto che ciò 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 è è è è
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 può essere diviso in due può essere diviso in due può essere diviso in due può essere diviso in due
categorie:categorie:categorie:categorie:
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
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'unità ripetuta è l'unità ripetuta è l'unità ripetuta è l'unità ripetuta è 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 è correlata al numero di geni che esso La dimensione del genoma è correlata al numero di geni che esso La dimensione del genoma è correlata al numero di geni che esso La dimensione del genoma è correlata al numero di geni che esso
contiene?contiene?contiene?contiene?
Non è detto!Non è detto!Non è detto!Non è 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
Genoma: 3200 Mb
IL PARADOSSO DEL VALORE C
Con Con Con Con valore Cvalore Cvalore Cvalore C si intende la quantità di DNA per genoma; si intende la quantità di DNA per genoma; si intende la quantità di DNA per genoma; si intende la quantità di DNA per genoma; non c’è un'ovvia correlazione fra la complessità degli non c’è un'ovvia correlazione fra la complessità degli non c’è un'ovvia correlazione fra la complessità degli non c’è un'ovvia correlazione fra la complessità degli organismi e la quantità di DNA del genoma. organismi e la quantità di DNA del genoma. organismi e la quantità di DNA del genoma. organismi e la quantità di DNA del genoma.
In realtà nei genomi degli organismi meno complessi si In realtà nei genomi degli organismi meno complessi si In realtà nei genomi degli organismi meno complessi si In realtà nei genomi degli organismi meno complessi si risparmia spazio in quanto i geni sono più vicini tra risparmia spazio in quanto i geni sono più vicini tra risparmia spazio in quanto i geni sono più vicini tra risparmia spazio in quanto i geni sono più 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 è molto emerge che l'organizzazione di quest'ultimo è molto emerge che l'organizzazione di quest'ultimo è molto emerge che l'organizzazione di quest'ultimo è molto più economica di quella del genoma umano:più economica di quella del genoma umano:più economica di quella del genoma umano:più economica di quella del genoma umano:
I geni sono più compatti
Le sequenze intergeniche sono più piccole
Le ripetizioni disperse e le altre sequenze non codificanti occupano molto meno spazio
Il genoma del lievito è più "concentrato"!Il genoma del lievito è più "concentrato"!Il genoma del lievito è più "concentrato"!Il genoma del lievito è più "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 più piccoli
Sono molto più compatti
molecola di DNA circolare
Alcuni geni possono essere
localizzati su molecole indipendenti
plasmidi.
I GENI
Il Il Il Il genegenegenegene è l'unità ereditaria e funzionale degli organismi è l'unità ereditaria e funzionale degli organismi è l'unità ereditaria e funzionale degli organismi è l'unità 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 può giocare un ruolo non codificante, che può giocare un ruolo non codificante, che può giocare un ruolo non codificante, che può 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 può Parte del contenuto dei geni non viene trascritto, ma può Parte del contenuto dei geni non viene trascritto, ma può Parte del contenuto dei geni non viene trascritto, ma può 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 ....
DNADNADNADNA PERCORSO 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 unità 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 è causata dal “crossing-over”
1944 Il DNA è 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 è costituito da triplette di basi
1977 Sequenziamento del DNA
Un passo indietro… Johan Friedrich Miescher (1844 – 1895)
è stato un biologo svizzero, che isolò per la prima volta gli acidi nucleici. Egli evidenziò 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 denominò nucleina, aprì 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 dell’organismo? Nella frazione informazioni dell’organismo? Nella frazione informazioni dell’organismo? Nella frazione informazioni dell’organismo? 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 fattore Trasformante è il DNA” (per sei anni non gli crede Nessuno)
…conduce alla scoperta di un fattore in grado di trasformare pneumococchi non virulenti in pneumococchi virulenti.
Griffith lo chiamò FATTORE TRASFORMANTE, fattore in grado di contenere le informazioni di un organismi
+estratto cellulare S
1903 I cromosomi sono unità 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 è causata dal “crossing-over”
1944 Il DNA è 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 è 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 quantità di A è uguale alla quantità di T la quantità di G è uguale alla quantità di C la quantità di G+A è uguale alla quantità di C+T
Rosalin Franklin(1952): ad un passo dalla soluzione
Rosalind Franklin 1952
LE SCOPERTE DELLA FRANKLIN
Il Dna è composto da due cateneIl Dna è composto da due cateneIl Dna è composto da due cateneIl Dna è 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 è 2 La distanza tra le due eliche è 2 La distanza tra le due eliche è 2 La distanza tra le due eliche è 2
nanometrinanometrinanometrinanometri
Struttura errata a tripla elica proposta da Pauling nel 1952
A-T
G-C
idrogenoidrogenoidrogenoidrogeno....
legamilegamilegamilegami idrogenoidrogenoidrogenoidrogeno....
OgniOgniOgniOgni coppiacoppiacoppiacoppia di di di di basibasibasibasi è è è è costituitacostituitacostituitacostituita da da da da unaunaunauna
purinapurinapurinapurina e e e e unaunaunauna pirimidinapirimidinapirimidinapirimidina....
Accoppiamenti complementari delle basi del DNA
Watson e Crick (1953): L’intelligenza della visione d’insieme 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 all’interno dell’elica, Le basi sono all’interno dell’elica, Le basi sono all’interno dell’elica, Le basi sono all’interno dell’elica,
perpendicolari all’asse dell’elica e formano perpendicolari all’asse dell’elica e formano perpendicolari all’asse dell’elica e formano perpendicolari all’asse dell’elica 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 è composto da 4 tipi di nucleotidi Il Dna è composto da 4 tipi di nucleotidi Il Dna è composto da 4 tipi di nucleotidi Il Dna è composto da 4 tipi di nucleotidi
Ogni nucleotide è composto da uno zucchero Ogni nucleotide è composto da uno zucchero Ogni nucleotide è composto da uno zucchero Ogni nucleotide è 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 quantità di In qualsiasi genoma cambia la quantità di In qualsiasi genoma cambia la quantità di In qualsiasi genoma cambia la quantità 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 può mantenere stabili le Il legame a idrogeno può mantenere stabili le Il legame a idrogeno può mantenere stabili le Il legame a idrogeno può mantenere stabili le strutture organichestrutture organichestrutture organichestrutture organiche
Il DNA è una doppia elica con distanza tra le due Il DNA è una doppia elica con distanza tra le due Il DNA è una doppia elica con distanza tra le due Il DNA è 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
O CH2OH
O
ZuccheroZuccheroZuccheroZucchero
FosfatoFosfatoFosfatoFosfato
NucleosideNucleosideNucleosideNucleoside
NucleotideNucleotideNucleotideNucleotide
NucleotideNucleotideNucleotideNucleotide
NucleotideNucleotideNucleotideNucleotide
NucleotideNucleotideNucleotideNucleotide
NucleotideNucleotideNucleotideNucleotide
Zucchero.
RNA contiene il
NucleosideNucleosideNucleosideNucleoside
Legame dell’N1 della Legame dell’N1 della Legame dell’N1 della Legame dell’N1 della Base AzotataBase AzotataBase AzotataBase Azotata
con il C1’ dello con il C1’ dello con il C1’ dello con il C1’ dello ZuccheroZuccheroZuccheroZucchero
N OOH
OH OH
Legame estereo dell’Acido FosforicoLegame estereo dell’Acido FosforicoLegame estereo dell’Acido FosforicoLegame estereo dell’Acido Fosforico
con l’ossidrile in C5’ dello con l’ossidrile in C5’ dello con l’ossidrile in C5’ dello con l’ossidrile in C5’ dello ZuccheroZuccheroZuccheroZucchero
FosfatoFosfatoFosfatoFosfato
NucleosideNucleosideNucleosideNucleoside
NucleotideNucleotideNucleotideNucleotide
OO
OH
P
O -
O -
Fosfato
Zucchero
Il Desossiribosio nel DNA
Il Ribosio nel RNA
Il Desossiribosio nel DNA
Il Ribosio nel RNA
I diversi nucleotidi sono legati tra loro attraverso il gruppo fosfato
Gruppo fosfato Zucchero pentoso Base azotata
DesossiribonucleotidiDesossiribonucleotidi
67
2’2’2’2’----Deossiadenosina 5’Deossiadenosina 5’Deossiadenosina 5’Deossiadenosina 5’----fosfatofosfatofosfatofosfato
2’2’2’2’----Deossicitidina 5’Deossicitidina 5’Deossicitidina 5’Deossicitidina 5’----fosfatofosfatofosfatofosfato 2’2’2’2’----Deossitimidina 5’Deossitimidina 5’Deossitimidina 5’Deossitimidina 5’----fosfatofosfatofosfatofosfato
2’2’2’2’----Deossiguanosina 5’Deossiguanosina 5’Deossiguanosina 5’Deossiguanosina 5’----fosfatofosfatofosfatofosfato
Ribonucleotidi
68
Citidina 5’Citidina 5’Citidina 5’Citidina 5’----fosfatofosfatofosfatofosfato Uridina 5’Uridina 5’Uridina 5’Uridina 5’----fosfatofosfatofosfatofosfato
Guanosina 5’Guanosina 5’Guanosina 5’Guanosina 5’----fosfatofosfatofosfatofosfato
Struttura primaria degli acidi nucleici
Come per le proteine, gli acidi nucleici hanno una struttura primaria, costituita dalla sequenza di basi e una direzionalità che presenta un’ estremità 5' libera da un lato ed una 3' libera dall'altro.
Per convenzione le sequenze degli acidi nucleici sono scritte a partire dalla 5' finendo alla 3'. Secondo questa convenzione i legami fosfodiesteri vanno dal 3' al 5'
Sequenza
Si descrive attraversoSi descrive attraversoSi descrive attraversoSi descrive attraverso
l’ordine delle Basi Azotatel’ordine delle Basi Azotatel’ordine delle Basi Azotatel’ordine delle Basi Azotate
partendo dall’estremità 5’ fino all’estremità 3’partendo dall’estremità 5’ fino all’estremità 3’partendo dall’estremità 5’ fino all’estremità 3’partendo dall’estremità 5’ fino all’estremità 3’
AdenosinaAdenosinaAdenosinaAdenosina
AdenosinaAdenosinaAdenosinaAdenosina
CitosinaCitosinaCitosinaCitosina
TiminaTiminaTiminaTimina
ZuccheroZuccheroZuccheroZuccheroFosfatoFosfatoFosfatoFosfato ZuccheroZuccheroZuccheroZuccheroFosfatoFosfatoFosfatoFosfato ZuccheroZuccheroZuccheroZuccheroFosfatoFosfatoFosfatoFosfato FosfatoFosfatoFosfatoFosfato
----AAAA----TTTT----CCCC----
Studi ai raggi X
certa periodicità
Le quantità di A e di T erano sempre uguali
e che le quantità di G e C erano uguali
Studi ai raggi X
certa periodicità
Le quantità di A e di T erano sempre uguali
e che le quantità di G e C erano uguali
Struttura secondaria del DNA
La struttura secondaria non è casuale ma è dovuta ai legami ad idrogeno che si formano tra le basi
Struttura secondaria DNA
- la spaziatura tra le macchie mostravano che c'erano
10 basi per giro d'elica
- la densità delle fibre indicava la presenza di due
molecole per elica.
T e G-C
Modello di Watson e Crick
Il DNA è 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 estremità 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) è sempre accoppiata conL'adenina (A) è sempre accoppiata conL'adenina (A) è sempre accoppiata conL'adenina (A) è 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) è sempre accoppiata con la citosina (C).guanina (G) è sempre accoppiata con la citosina (C).guanina (G) è sempre accoppiata con la citosina (C).guanina (G) è sempre accoppiata con la citosina (C).
L'adenina (A) è accoppiata con la timina (T) con due legami ad idrogeno
La guanina (G) è accoppiata con la citosina (C) con tre legami ad idrogeno.
80
81
2) Il DNA è costituito da undoppio filamento
Tra le basi dei due filamenti si formano legami idrogeno che li tengono uniti
Nel DNA le basi appartenenti ai due filamenti sono appaiate in modo caratteristico ( timina con adenina, guanina con citosina)
DNA
83
84
85
Il risultato è una lunga molecola di DNA
Un’appaiamento Guanina-Citosina caratterizzato da 3 legami idrogeno.
Un’appaiamento Adenina-Timina caratterizzato da 2 legami idrogeno.
Il diametro dell'elica è di 20 Å. Le coppie di basi adiacenti sono separate di 3,4 Å e si succedono ad ogni avanzamento dell'elica di 36º. Ci sono perciò 10 coppie di basi per ogni giro completo dell'elica (360º) e la struttura si ripete ogni 34 Å.
Non c'è nessuna limitazione alla sequenza di basi lungo una catena polinucleotidica. Dalla sequenza esatta però dipende l'informazione genetica.
Stabilità della doppia elica
Interazioni idrofobiche derivanti dall'impaccamento delle basi
dalla formazione di legami ad Idrogeno tra le coppie di basi.
La formazione della doppia elica è 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
Tipo d'elica destrosa destrosa destrosa
Diametro ~26 Å ~20 Å ~18 Å
Coppie/giro 11 10.5 12
L’ RNA è costituito da un singolo filamento
I nucleotidi non sono tutti uguali ma differiscono per la base
Ci sono 4 differenti tipi di basi:
• Adenina • Citosina • Guanina • Uracile
L’informazione contenuta negli acidi nucleici è codificata nella sequenza di basi che compongono il filamento (un alfabeto di 4 lettere)
RNA
RNA: struttura secondaria e terziaria
L'RNA esiste sottoforma di tre maggiori tipi: tRNA o RNAtransfer, rRNA o RNA ribosomiale, mRNA o RNA messaggero. Altre forme meno importanti servono nello splicing dell'RNA
RNAtransfer (tRNA)
sono costituiti da 73-90 nucleotidi e servono nella sintesi delle proteine.
DNA e RNA a singolo filamento tendono ad assumere una conformazione random coil. Comunque tali molecole a filamento singolo contengono regioni con sequenze auto complementari (tRNA)dove la molecola può formare zone a doppio filamento tRNA contiene basi modificate.
RNA Ribosomiale (rRNA)
Il ribosoma è un organello cellulare coinvolto nella sintesi proteica e consiste di due subunità, una piccola ed una grande, dove rRNA è parte integrante.
- RNA messaggero (mRNA)
Il mRNA è 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 fosfodiestere sono 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 è molto complessa. Comunque si possono discutere alcune strutture.
Superavvolgimento Il DNA di batteri, mitocondri, plastidi e alcuni virus è costituito da un anello chiuso. Il DNA circolare può 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
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 delle cellule contiene istruzioni complete per costruire un essere umano, il Dna è in gran parte nel nucleo, ma ce n’è dell’altro nei mitocondri delle cellule.
Cromosomi
Nel nucleo,il Dna è disposto in 23 coppie di “pacchetti” a forma di bastoncino, chiamati cromosomi (una serie proviene della madre, l’altra dal padre). Ogni cromosoma contiene un filamento di Dna. Se venisse svolto, il Dna di una cellula sarebbe lungo più di 2,04 metri
Il DNA nei cromosomi non e’ lineare
fibra di 30 nm
cromatina decondensata (collana di perle)
Il DNA, insieme a diverse proteine si organizza in una struttura che è 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 è 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 è tipico per ogni specie.
Specie umana: 46 cromosomi
OGNI COPPIA DI CROMOSOMI CONTIENE UN CROMOSOMA DI ORIGINE PATERNA E UN CROMOSOMA DI ORIGINE MATERNA
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 , cioè due serie di cromosomi, si dice che possiede un corredo cromosomico diploide; se invece è presente un cromosoma di ogni coppia di omologhi, si dice che il corredo è aploide.
Nell’uomo il numero diploide è 46 e il numero aploide è 23
Profase: Inizia quando i lunghi filamenti di cromatina cominciano a condensarsi mediante processi di spiralizzazione nel quale i cromosomi diventano contemporaneamente più corti e più spessi.
Ogni cromosoma è stato duplicato durante la precedente fase S e consiste di una coppia di unità identiche cromatidi
fratelli. Ogni cromatide contiene una regione chiamata centromero.
Metafase: i cromosomi sono allineati lungo il piano equatoriale della cellula (piastra metafasica) e prendono contatto con i microtubuli.
Il cinetocoro è un insieme di proteine che aderisce al centromero.
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 è 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 più 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, altre sono implicate nella regolazione dell’espressione genica (per es. RNA polimerasi). Al contrario degli istoni differiscono notevolmente in numero e tipo, tra un tipo cellulare ed un altro entro un organismo, in momenti diversi nello stesso tipo cellulare ed in organismi diversi.
Proteine associate al DNA
1. Fibra di cromatina di 30 nm
(avvolgimenti destrorsi impilati
Compattazione del DNA nel nucleo
11 nm 200 bp = 145 bp avvolte + 55 bp di DNA linker
3. Domini ad anse
300 nm
Watson et al., BIOLOGIA MOLECOLARE DEL GENE, Zanichelli editore S.p.A. Copyright
© 2005
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Regolazione della struttura della cromatina
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idrofobicità e la basicità delle porzioni N terminali degli
istoni: questo ne aumenta l’affinità per proteine
specifiche e fattori di trascrizione.
Le metilasi necessitano di cofattori: es. la s-
adenosilmetionina
della espressione genica, tuttavia ci sono esempi in cui la
metilazione si associa a attivazione della espressione genica
Metilazione degli istoni
PROCESSI DI ACETILAZIONE E
ASSOCIATA CON ACETILAZIONE
L’acetilazione dei residui di lisina al terminale NH degli istoni rimuove le cariche positive
riducendo quindi l’affinità degli istoni per il DNA: per questo l’acetilazione degli istoni
facilita i processi trascrizionali , al contrario, la deacetilazione reprime la
trascrizione
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: è stato riportato che la
fosforilazione degli istoni puo’ facilitare l’attacco 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