Il materiale genetico

I MOTORI
DELL’EVOLUZIONE
PT2
POMERIGGIO DI AGGIORNAMENTO 23.03.2011
PROF. M.A. ZORDAN, Ph.D
UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA
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IL MATERIALE
GENETICO
2
2
• Per svolgere il proprio ruolo, il materiale genetico deve
rispettare diversi criteri
– 1. Informazione: deve contenere l’informazione necessaria a
formare un intero organismo
– 2. Trasmissione: deve essere trasmesso dal parentale alla
progenie
– 3. Replicazione: deve essere copiato
• Per poter essere trasmesso dal parentale alla progenie
– 4.Variazione: deve essere in grado di cambiare
• Questo spiegherebbe le note variazioni fenotipiche di ciascuna specie
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La struttura degli acidi nucleici
• DNA e RNA sono grandi macromolecole con diversi
livelli di complessità
–
–
–
–
1. I nucleotidi rappresentano le unità ripetute
2. I nucleotidi sono legati tra loro e formano un filamento
3. Due filamenti interagiscono formano la doppia elica
4. La doppia elica si ripiega e si curva interagendo con
proteine. Si forma la struttura tridimensionale dei
cromosomi
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I nucleotidi
• I nucleotidi sono l’unità strutturale ripetuta di
DNA e RNA
• Essi hanno tre componenti
– Un gruppo fosfato
– Uno zucchero pentosio
– Una base azotata
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• Gli atomi indicati in rosso si trovano nei singoli nucleotidi
– Però essi vengono rimossi quando i nucleotidi si uniscono tra loro
per formare i filamenti di DNA o RNA
A, G, C or T
A, G, C or U
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• Base + zucchero ! nucleoside
– Per esempio
• Adenina + ribosio = Adenosina
• Adenina + deossiribosio = deossiadenosina
• Base + zucchero + fosfato/i ! nucleotide
– Per esempio
• Adenosina monofosfato (AMP)
• Adenosina difosfato (ADP)
• Adenosina trifosfato (ATP)
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• I nucleotidi sono legati covalentemente tra loro
mediante legami fosfodiesterici
– Un gruppo fosfato collega il carbonio in posizione 5’ di un
nucleotide al carbonio in posizione 3’ dell’altro nucleotide
• Perciò il filamento è orientato in direzione 5’ → 3’
• I gruppi fosfato e le molecole di zucchero formano lo
scheletro dell’acido nucleico
– Le basi sporgono all’esterno dello scheletro di zuccherofosfato
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IL MODELLO DELLA DOPPIA
ELICA
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Watson e Crick
• realizzarono che il legame idrogeno tra A e T dava
una struttura simile a quella che lega C e G
– Così essi costruirono dei modelli a sfere e bastoncini che
includevano delle interazioni AT e CG
• Questi modelli erano compatibili con tutti i dati noti sulla
struttura del DNA
• Watson, Crick e Maurice Wilkins ricevettero il
Premio Nobel nel 1962
– Rosalind Franklin morì nel 1958, e il premio Nobel non
viene assegnato in forma postuma
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La doppia elica di DNA
– Due filamenti sono avvolti attorno a un asse
comune
– Per giro completo ci sono 10 basi e 3,4 nm
– I due filamenti sono antiparalleli
• Uno corre in direzione 5’ → 3’ e l’altro in direzione
3’ → 5’
– L’elica è destrorsa
• Ovverosia si avvolge in direzione oraria
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La doppia elica di DNA
– La struttura a doppia elica è stabilizzata da
• 1. Legami idrogeno tra basi complementari
– A si lega a T mediante due legami idrogeno
– C si lega a G mediante tre legami idrogeno
• 2. L’orientamento delle basi
– Nel DNA le basi sono disposte in modo che le loro
strutture planari siano impilate lungo uno stesso asse
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La doppia elica di DNA
– All’esterno dell’elica sono presenti
due solchi asimmetrici
• 1. Il solco maggiore
• 2. Il solco minore
• Alcune proteine possono legarsi in
corrispondenza di questi solchi
– Interagendo così con una particolare
sequenza nucleotidica
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L’organizzazione tridimensionale del
DNA
• Per essere contenuto nelle cellule, la doppia
elica di DNA deve venire fortemente
compattata in una struttura tridimensionale
– A questo scopo agiscono delle proteine che
legano il DNA.
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LA STRUTTURA DELL’RNA
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La struttura dell’RNA
• La struttura primaria del filamento di RNA è molto
simile a quello del DNA
• I filamenti di RNA sono lunghi tipicamente da
diverse centinaia a diverse migliaia di nucleotidi
• Per la sintesi di RNA, viene usato come stampo uno
solo dei due filamenti di DNA
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L’EUCROMATINA E
L’ETEROCROMATINA
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Eterocromatina/eucromatina
• Il livello di condensazione dei cromosomi interfasici non
è del tutto uniforme
– Eucromatina
• Rappresenta le regioni meno condensate del cromosoma
• È trascrizionalmente attiva
• La fibra di 30 nm forma i domini ad ansa radiale
– Eterocromatina
• Rappresenta le regioni più condensate del cromosoma
• In generale è trascrizionalmente inattiva
• I domini ad ansa radiale sono ulteriormente condensati
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• Esistono due tipi di eterocromatina
– L’eterocromatina costitutiva
• Regioni che sono sempre eterocromatiche
• Permanentemente inattiva dal punto di vista trascrizionale
– L’eterocromatina facoltativa
• Regioni che possono essere reciprocamente convertite da
eucromatina a eterocromatina o viceversa
• Per esempio il corpo di Barr
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IL GENE E IL DOGMA
CENTRALE DELLA BIOLOGIA
MOLECOLARE
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• A livello molecolare il gene è un
segmento di DNA usato per sintetizzare
un prodotto funzionale
– un RNA oppure un polipeptide
• La trascrizione è il primo passaggio della
espressione genica
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Trascrizione
• Letteralmente trascrizione significa copiare
• In genetica, il termine si riferisce alla copia di una
sequenza di DNA in una sequenza di RNA
• La struttura di DNA non è alterata in
conseguenza di questo processo
– Può continuare a contenere l’informazione
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Espressione genica
• I geni strutturali codificano una sequenza
polipeptidica
– La trascrizione di un gene strutturale produce un RNA
messaggero, o mRNA
– La sequenza di mRNA determina la sequenza
aminoacidica del polipeptide
– La funzione della proteina determina il carattere
• Questo percorso dal gene al carattere viene
definito il dogma centrale della biologia
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Il dogma centrale della biologia
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La trascrizione
• Un concetto cruciale è che le sequenze
nucleotidiche definiscono l’inizio e la fine
del gene e regolano il livello della sintesi di
DNA
• L’espressione genica è il processo generale
mediante il quale l’informazione di un gene
viene usata per produrre un prodotto
funzionale che determina un carattere
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Segnala il termine
della sintesi
proteica
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L’espressione genica si basa su
sequenze nucleotidiche
• Il filamento che effettivamente viene trascritto si
chiama stampo oppure antisenso
• Il filamento opposto si chiama filamento di senso
o codificante
– La sua sequenza nucleotidica è identica al trascritto di
RNA
• Con l’eccezione che al posto della timina si trova l’uracile
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L’espressione genica si basa su
sequenze nucleotidiche
• I fattori di trascrizione riconoscono il promotore
e le sequenze di regolazione che controllano la
trascrizione
• Sequenze di mRNA come il sito di legame al
ribosoma e i codoni dirigono la traduzione
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Le fasi della trascrizione
• La trascrizione avviene in tre fasi
– Inizio
– Allungamento
– Terminazione
• Queste fasi coinvolgono delle interazioni DNAproteine
– Proteine quali l’RNA polimerasi interagiscono con le
sequenze di DNA
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I TRASCRITTI DI RNA (RUOLO DELL’mRNA)
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I trascritti di RNA hanno
diverse funzioni
• Una volta prodotti, i trascritti giocano ruoli
funzionali diversi
• Ben oltre il 90% dei geni sono geni strutturali che
producono un mRNA
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I trascritti di RNA hanno diverse
funzioni
• I trascritti di RNA da geni non strutturali
non sono tradotti
– Essi possiedono importanti funzioni cellulari
– E possono comunque conferire un carattere
– In alcuni casi il trascritto diviene parte di un
complesso proteico
– Ad esempio
– Ribosomi
– Spliceosomi
– Particelle di riconoscimento del segnale
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Le RNA polimerasi eucariotiche
• Il DNA nucleare viene trascritto da tre differenti
RNA polimerasi
– La RNA polimerasi I
• Trascrive i geni dell’rRNA con l’eccezione dell’rRNA 5S
– La RNA polimerasi II
• Trascrive tutti i geni strutturali
– Ovverosia sintetizza tutti gli mRNA
• Trascrive alcuni snRNA
– La RNA polimerasi III
• Trascrive tutti i geni dei tRNA
• E il gene dell’rRNA 5S
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I promotori dei geni strutturali
eucariotici
• I promotori eucariotici sono più variabili e più
complessi di quelli batterici
• Nella maggioranza dei promotori dei geni
strutturali si trovano perlomeno tre
caratteristiche
– Elementi di regolazione
– TATA box
– Sito di inizio della trascrizione
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Di solito A
• Il promotore centrale è relativamente breve
– Consiste nel TATA box
• E’ importante per determinare il sito preciso di inizio della
trascrizione
• Di per sè il promotore centrale assicura un livello di trascrizione
basso
– Che si definisce trascrizione basale
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• Gli elementi di regolazione influenzano il legame dell’RNA
polimerasi al promotore
– Ve ne sono di due tipi
• Gli enhancer
– Che stimolano la trascrizione
• I silenziatori
– Che la inibiscono
– La loro posizione è estremamente variabile anche se spesso
si trovano nelle regioni da –50 a –100
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I promotori dei geni strutturali
eucariotici
• I fattori che controllano l’espressione genica
possono essere divisi in due tipi, in base alla loro
posizione
– Elementi in cis
• Sequenze di DNA che agiscono solo su un
particolare gene
• Per esempio: TATA box, enhancer, silenziatore
– Elementi in trans
• Proteine di regolazione che si legano a queste
sequenze di DNA
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Modificazioni dell’RNA
• Al contrario le sequenze codificanti, dette esoni, sono
interrotte da sequenze interposte o introni
• La trascrizione produce l’intero prodotto genico
– Successivamente gli introni sono rimossi
– Gli esoni sono congiunti
• Questo fenomeno prende il nome di splicing, un termine
inglese che significa giustapporre
• Si tratta di un fenomeno genetico comune negli eucarioti
– Che talvolta avviene anche nei batteri
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Quali sono i vantaggi dell’esistenza
degli introni?
• Un vantaggio dell’organizzazione dei geni in
esoni-introni è il fenomeno dello splicing
alternativo
• Un pre-mRNA con più introni potrà essere
maturato in modi diversi
– Generando mRNA maturi con diverse combinazioni
di esoni
• Queste variazioni possono avvenire in diversi tipi
cellulari durante i diversi stadi dello sviluppo
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Quali sono i vantaggi dell’esistenza
degli introni?
• Se lo splicing alternativo consente di derivare
più polipeptidi da un solo gene…
• …allora un organismo può portare un numero
inferiore di geni nel proprio genoma
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LA SINTESI PROTEICA E IL
CODICE GENETICO
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• La traduzione dei codoni dell’mRNA in
sequenza aminoacidica porta alla sintesi
proteica
• Una varietà di componenti cellulari svolgono un
ruolo importante nella traduzione
– Tra questi proteine, RNA e piccole molecole
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Le basi genetiche della sintesi
proteica
• Le proteine sono attivi partecipanti alla struttura e
funzione della cellula
• I geni che codificano i polipeptidi sono detti geni
strutturali
– Essi sono trascritti in RNA messaggero (mRNA)
• La funzione principale del materiale genetico è quella
di codificare la produzione delle proteine
– Nella cellula corretta, al momento giusto, in quantità
adeguate
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Il codice genetico
• La traduzione implica l’interpetazione di un
linguaggio in un altro
– In genetica, il linguaggio nucleotidico dell’mRNA viene
tradotto nel linguaggio aminoacidico delle proteine
• Questo è ciò che si definisce il codice genetico
– Riferisciti alla Tabella 13.2
• L’informazione genetica è codificata nell’mRNA in
gruppi di tre nucleotidi detti codoni
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• Codoni speciali:
– AUG (specifica metionina) = codone di inizio
• AUG specifica metionina all’interno della sequenza
codificante
– UAA, UAG e UGA = codoni di stop (o terminazione)
• Il codice è degenerato
– Più di un codone può specificare uno stesso
aminoacido
• Per esempio: GGU, GGC, GGA e GGG codificano tutti per
lisina
– In molti casi la terza base è la base degenerata
• Talvolta la si definisce base vacillante
• Il codice è universale
– Sono state notate solo rare eccezioni
• Vedi la Tabella 13.3
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Una catena polipeptidica ha una
sua direzionalità
• La sintesi di un polipeptide ha una sua direzionalità
parallela all’orientamento 5’! 3’ dell’mRNA
– Durante ogni ciclo di allungamento, un legame peptidico
viene formato tra l’ultimo aminoacido della catena
polipeptidica e quello che deve essere aggiunto
• Il primo aminoacido ha un gruppo aminico esposto
– L’estremità N-terminale o amino-terminale
• L’ultimo aminoacido ha un gruppo carbossilico
esposto
– L’estremità C-terminale o carbossiterminale
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LE FUNZIONI DELLE
PROTEINE
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Le funzioni delle proteine
• Le caratteristiche delle cellule dipendono dai tipi
di proteine che esse producono
• Le proteine possono svolgere diverse funzioni
– Elencate nella Tabella 13.5
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• Gli organismi eucarioti regolando i loro geni godono di
molti vantaggi
• Per esempio:
– Possono rispondere a modificazioni della disponibilità di
nutrienti
– Possono rispondere a condizioni di stress ambientale
• Nelle piante e negli animali la pluricellularità, e il fatto che
la struttura cellulare sia più complessa, richiedono inoltre
un livello di regolazione genica più stringente
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LA REGOLAZIONE GENICA
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• La regolazione genica è necessaria per assicurare:
– 1. L’espressione dei geni nella modalità corretta
durante i vari stadi dello sviluppo e del ciclo vitale
• Alcuni geni sono espressi sono negli stadi embrionali, altri
solo negli stadi adulti
– 2. Le differenze tra tipi cellulari diversi
• Cellule muscolari e del sistema nervoso sono così diverse
perché ha avuto luogo la regolazione genica
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I fattori che regolano la
trascrizione
• Si chiamano fattori trascrizionali quelle proteine che
influenzano la capacità dell’RNA polimerasi di
trascrivere un determinato gene
• Li raggruppiamo in due tipi principali:
– Fattori generali di trascrizione
• Sono necessari per legare l’RNA polimerasi al promotore centrale
e per passare alla fase di allungamento
• Sono necessari per la trascrizione basale
– Fattori di regolazione della trascrizione
• Regolano la velocità della trascrizione dei geni adiacenti
• Influenzano la capacità dell’RNA polimerasi di iniziare la
trascrizione di un determinato gene
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• I fattori di regolazione della trascrizione riconoscono
degli elementi di regolazione in
cis localizzati vicino al promotore centrale
– Queste sequenze sono chiamate elementi di controllo
• Il legame dei fattori di regolazione della trascrizione
agli elementi di controllo influenza la trascrizione di
un particolare gene adiacente
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• Una proteina di regolazione che fa aumentare il
tasso della trascrizione si definisce attivatore
– La sequenza a cui si lega l’attivatore è chiamata enhancer
• Una proteina di regolazione che fa diminuire il tasso
della trascrizione si definisce repressore
– La sequenza a cui si lega il repressore è chiamata
sllenziatore
• Molti geni eucariotici sono regolati da diversi fattori
– Un fenomeno definito controllo combinatoriale
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Enhancer e silenziatori
• Il legame di un fattore di trascrizione a un
enhancer fa aumentare il tasso di trascrizione
– Questa sovraregolazione può essere dell’ordine di 101000 volte
• Il legame di un fattore di trascrizione a un
silenziatore fa diminuire il tasso di trascrizione
– Questo effetto si definisce sottoregolazione
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La modulazione dei fattori di
regolazione della trascrizione
• Ci sono tre modi comuni con i quali può essere
influenzata la funzione dei fattori di regolazione
della trascrizione
– 1. Il legame a piccoli effettori
– 2. Le interazioni proteina-proteina
– 3. Le modificazioni covalenti
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Ora il fattore di
trascrizione può
legarsi al DNA
Formazione di
omodimeri o
eterodimeri
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