Il materiale genetico: genetica formale e molecolare, caratteri ereditari

Il Materiale Genetico

Genetica: Variazioni Ereditarie e Trasmissione dei Caratteri

SCIENZA CHE STUDIA LE VARIAZIONI (I CARATTERI) EREDITARIE TRA GLI INDIVIDUI MODALITA' DI TRASMISSIONE DEI CARATTERI EREDITARI DA UNA GENERAZIONE AD UN'ALTRA

Basi Molecolari dei Caratteri Ereditari

GENETICA MOLECOLARECARATTERI NORMALI PATOLOGICICARATTERI NORMALI Colore occhi colore capelli gruppo sanguigno altezza peso QI

Caratteri Patologici

Anemia Falciforme emofilia fibrosi cistica distrofia muscolare tumori infarto infezioni sclerosi multipla Sindrome di DownFENOTIPO GENI GENI+AMBIENTE AMBIENTEFENOTIPO GENI GENI+AMBIENTE AMBIENTE

Esempi di Caratteri Ereditari

• ABO
• Rh
• emofilia
• fibrosi cistica
• malattie cardiovascolari
• tumori
• diabete-obesità-ipertensione
• labio-palatoschisi
• Q.I.
• Fratture scheletriche
• Ustioni
• Infezioni ???FENOTIPO GENI GENI+AMBIENTE AMBIENTE

Caratteri Monofattoriali e Multifattoriali

ABO malattie cardiovascolari tumori fratture scheletriche Rh emofilia fibrosi cistica diabete-obesità-ipertensione ustioni labio-palatoschisi Q.I. infezioni ?? CARATTERI MONOFATTORIALI CARATTERI MULTIFATTORIALI Malattie da aberrazioni cromosomicheDNA

DNA: Struttura e Funzione

Desossiribonucleic Acid

DesossiriboNucleic Acid coppia base Elica DNA

Il Gene

Un gene è una sequenza di DNA che contiene le istruzioni per produrre una proteina o un RNA, e che quindi determina un «carattere»

Flusso dell'Informazione Genetica

Processo di Espressione Genica

Regolazione della traduzione NUCLEO Segnali di terminazione della trascrizione Regolazione della trascrizione Esone 1 Introne 1 Esone 2 Introne 2 Esone 3 DNA RASSO 5 3' Trascritto primario AUG UAA An Cap RASSO Cap AUG UAA An 2 Rimozione degli introni mRNA Cap AUG Codone di inizio UAA A Codone di terminazione 3 Trasporto al citoplasma mRNA Cap AUG Codone di inizio UAA A n QASS 4 Traduzione Polipeptide N C CITOPLASMA DNA trascrizione 1 Trascrizione I RNA maturazione traduzione Codone di terminazione proteine

Vari Tipi di RNA

Funzioni degli RNA

• RNA messaggeri (mRNA): sono gli intermedi che trasportano l'informazione dal DNA ai ribosomi, dove vengono sintetizzate le proteine. SONO GLI UNICI CHE SONO TRADOTTI IN PROTEINE
• RNA ribosomali (rRNA): costituiscono i ribosomi. Hanno funzione sia strutturale che catalitica.
• RNA trasfer (+RNA): piccoli RNA che fanno da adattatori tra I'mRNA e gli amminoacidi durante la traduzione.
• Piccoli RNA nucleari (snRNA): componenti strutturali degli spliceosomi (maturazione del mRNA).
• RNA non codificanti lunghi (long ncRNA): lunghi alcune centinaia di basi, importanti per la regolazione dell'espressione di altri geni
• microRNA (miRNA) e small interference RNA (siRNA): RNA di 20-22 basi, tagliati a partire da piccoli precursori a forcina, che si legano a sequenze complementari sui mRNA e controllano l'espressione.

Il Destino degli RNA

Trascrizione, Maturazione e Traduzione

La trascrizione e la maturazione dell'RNA avvengono nel nucleo. TRASCRIZIONE NUCLEO Regione genica del DNA Trascrizione Maturazione del trascritto di RNA Poro nucleare La traduzione avviene nel citoplasma. TRADUZIONE CITOPLASMA Ribosoma I < TEPAT mRNA 5 C 1 Catena polipeptidica Al Met Leu Ala 1-mnet -- Ala Ala U1 Spliceosoma snRNA U4 U5 Ala 0 Aminoacidi, tRNA e subunità ribosomali citoplasmatiche 0 tRNA O Met Ala mRNA - G Phe Met Ala 0 Phe Aminoacidi Leu Pre-miRNA Met Involucro nucleare HUL miRNA Dicer O mRNA AAAA RISC RISC Taglio dell'mRNA Repressione della traduzione (a) (b) Phe Met Met Ala Leu U2 U6 Subunità ribosomali rRNA Leu tRNA Phe

Il Genoma

Definizione del Genoma

IL DNA ( e quindi i geni) costituisce il nostro genoma Il genoma è l'informazione ereditabile di un organismo

Localizzazione del DNA

DNA nelle Cellule Eucariotiche

Cellule degli eucarioti: a) Cellula vegetale b) Cellula animale Grande vacuolo centrale Citoscheletro Perossisoma Mitocondri Ribosomi Membrana nucleare Poro nucleare Cromatina Centrioli Nucleolo Reticolo endo- plasmatico rugoso Nucleo Tonoplasto Reticolo endoplasmatico liscio Cloroplasto Apparato del Golgi Plasmodesmi Lisosoma Parete cellulare Citoplasma Membrana plasmatica - Figura 1.5 Le cellule eucariote. Schemi di sezioni trasversali che illustrano le caratteristiche di organizzazione e gli organelli principali di (a) una tipica cellula vegetale e (b) una tipica cellula animale.

Genoma Umano

Componenti del Genoma Umano

MITOCONDRIALE 16.6 Kb 37 Geni NUCLEARE 3300 Mb ~ 25.000 Geni

Organizzazione del Genoma

Informazioni Genetiche Ereditabili

La serie completa di informazioni genetiche ereditabili di un organismo, contenute nel suo DNA, costituisce il genoma dell'organismo

Genoma degli Eucarioti

Tutte le cellule di un organismo pluricellulare hanno lo stesso genoma, anche se sono morfologicamente diverse Le differenze tra cellule di tessuti diversi dipende da quali geni sono effettivamente espressi (TRASCRITTI e poi TRADOTTI per produrre le proteine codificate da qui geni)

Dimensioni del Genoma Umano

Caratteristiche del Genoma Umano

GENOMA 3x109 bp GENI 20-25.000 27 x 103 bp DNA NUCLEOTIDI A,C,G,T bp

Regioni del Genoma Eucariotico

Regioni Codificanti e Non Codificanti

REGIONI CODIFICANTI GENOMA EUCARIOTICO REGIONI NON CODIFICANTIGENOMA EUCARIOTICO

Geni Codificanti per Proteine

• Geni che codificano per proteine (circa 20.000) DNA= contiene l'informazione trascrizione RNA messaggero traduzione PROTEINE = responsabili della manifestazione del «carattere»

Geni Codificanti per RNA non Tradotti

• Geni che codificano per molecole di RNA che NON vengono tradotte (RNA ribosomiali, RNA transfer, altri RNA)

Regioni Non Codificanti

Ruolo e Componenti

GENOMA EUCARIOTICO Ruolo incerto. Alcune regioni hanno un ruolo regolatorio Regioni INTERGENICHE: · Sequenze ripetute • Sequenze NON ripetute PSEUDOGENI All'interno del gene: INTRONI

Dettaglio delle Regioni Non Codificanti

REGIONI NON CODIFICANTIHuman genome Nuclear genome ~3000 Mb 25000 genes Mitochondrial genome 16.6 kb 37 genes ~25% ~75% Genes and gene- related sequences Extragenic DNA Two rRNA genes 22 tRNA genes 13 polypeptide- encoding genes Unique or moderately repetitive ~ 5% ~95 % ~60% ~40% Coding DNA ~1,2% Noncoding DNA Unique or low copy number Moderate to highly repetitive Pseudogenes Gene fragments Introns, untranslated sequences, etc. Tandemly repeated or clustered repeats Interspersed repeats

Organizzazione del Gene Eucariotico

Introni ed Esoni

INTRONI promotore ATG regione 5'UTR regione 3'UTR ESONI Gli ESONI sono le sequenze codificanti del gene, quelle che verranno tradotte per formare una proteina. Gli INTRONI sono sequenze, talvolta anche molto lunghe, che non saranno tradotte in proteina, dal ruolo ancora incerto. Possono contenere sequenze regolatorie. Regioni regolatorie: promotore, 5' UTR (untranslated) e 3' UTR. Stimolano la trascrizione a RNA, regolano la trascrizione e la traduzione in proteine

Regioni 5' e 3' UTR

Regioni 5' e 3' UTR INTRONI promotore ATG regione 5'UTR regione 3'UTR ESONI Regioni 3' e 5' UTR: Vengono TRASCRITTE in RNA, per cui si trovano nell'RNA messaggero, ma NON vengono tradotte in proteina

Confronto Genoma Umano e Altri Organismi

Differenze nelle Dimensioni del Genoma

Il numero di geni nell'uomo non è tanto diverso da quello di alcuni protozoi o altri organismi molto semplici come il nematode C. Elegans, ma il genoma umano è molto più grande: La differenza è data soprattutto dall'estensione delle sequenze introniche e intergeniche. La maggior parte delle sequenze intergeniche è fatta da sequenze ripetute. Geni piccoli Operone Batterio 20 kb Geni piccoli Lievito 20 kb Geni grandi Drosophila 20 kb Introni Esoni Uomo 20 kb Geni grandi FIGURA 15.3 Organizzazione dei geni in diversi organismi. Negli eucarioti, durante l'evoluzione si osserva un aumento delle dimensioni medie dei geni e del numero degli esoni (in azzurro), un aumento della dimensione degli introni (in arancione) e un incremento della quantità di DNA intergenico (in bianco).

Organizzazione dei Geni nel Genoma Eucariotico

Copia Singola e Copie Multiple

Organizzazione dei geni nel genoma eucariotico-1 v I geni possono essere in copia singola oppure presenti in tante copie identiche tra loro Esempio: geni per gli RNA ribosomiali (Homo Sapiens): ci sono circa 300 geni organizzati in 5 cluster (gruppi) di 40-60 geni

Geni per gli RNA Ribosomiali nei Mammiferi

Geni per gli RNA ribosomiali - mammiferi a) 45 5 rDNA locus rDNA unit .15 1151 1752 185 5,85 285 IGS b) 55 rDNA locus rDNA unit 55 NT5 NTS:DOVE SONO NELL'UOMO I GENI PER GLI rRNA: B 1 5 C 15 D a) 45 $ rDNA locus 13 14 15 12 10 rDNA unit E 185 5.85 285 22 X Y Cromosoma acrocentrico rRNA 185, 5.8S e 28S (RNA polimerasi I): Braccio corto cromosomi acrocentrici (13, 14, 15, 21,22) Su ciascuno dei 5 cromosomi sono presenti molte copie disposte in tandem del precursore dei 3 rRNA

Famiglie Geniche e Pseudogeni

Organizzazione dei geni nel genoma eucariotico-2 v I geni possono essere in copia singola oppure presenti in tante copie identiche tra loro Esempio: geni per gli RNA ribosomiali (Homo Sapiens): ci sono circa 300 geni organizzati in 5 cluster (gruppi) di 40-60 geni V Esistono famiglie geniche: geni con sequenze SIMILI (NON identiche) e/o funzioni simili / correlate. Spesso questi geni sono organizzati in cluster (gruppi di geni relativamente vicini sul genoma). Esempio: cluster dei geni globinici, cioè che codificano per le subunità dell'emoglobina (Homo Sapiens) V Esistono PSEUDOGENI: nel nostro genoma ci sono anche alcuni geni parte di certe famiglie geniche che non sono funzionanti, in NESSUN organismo della specie. Esempio: pseudogeni nel cluster delle globine.

Organizzazione del Cromosoma Eucariotico

DNA e Cromosomi

Il DNA nel nucleo delle cellule eucariotiche è organizzato in lunghe molecole di DNA (decine/centinaia di milioni di basi) che sono i CROMOSOMI Il numero di cromosomi nel nucleo di una cellula è caratteristico di ciascuna specie La sostanza contenuta nel nucleo è detta anche CROMATINA e non è altro che DNA + proteine Nucleo 1 8 Cromosoma

Il Cromosoma Eucariotico

IL CROMOSOMA EUCARIOTICO coppia di cromatidi nucleo 1 1 cromosoma coppia di basi Elica DNA gene Cromosoma duplicato in metafase Cromatina condensata DNA 32

Dimensioni dei Cromosomi nell'Uomo

Impacchettamento del DNA

Mb METAFASE INTERFASE CR 1 Necessità di impacchettamento! 250Mb 10μ 8.5cm CR 21 48Mb 2u 1.7cm condensazione 10.000 x

Composizione Chimica della Cromatina

Componenti della Cromatina

Cromatina RNA DNA ISTONI: PROTEINE BASICHE ricche in lisina e arginina Costituenti nucleari non cromatinici Istoni Proteine non istoniche PROTEINE NON ISTONICHE (GRAN PARTE ACIDE) Figura 9.16 Composizione chimica della cromatina in funzione del contenuto nucleare totale. Il contenuto di DNA e di istoni nella cromatina è pressoché costante, mentre quello di proteine non istoniche dipende dalle procedure utilizzate per isolarla (freccia tratteggiata).

Nucleosoma e Compattazione del DNA

CROMATINA Lo stadio di compattazione più semplice della cromatina è DNA avvolto su gruppi di proteine basiche dette ISTONI. Il complesso formato da 8 istoni e dal DNA forma il NUCLEOSOMA (a) 50 nm Nucleosomi 11 nm Nucleosome DNA H1 Histone 8-Histone Core Figura 9.21 - Fotografia al microscopio elettronico (a) e schema a bassa risoluzione (b) della substruttura nucleosomica a "collana di perle" della cromatina isolata da nuclei interfasici. In vivo, i lin- ker di DNA sono probabilmente avvolti tra i nucleosomi a formare una fibra condensata di 11 nm. H2A H2B 8 istoni H4 H3 "Core" nucleosomico, 146 coppie di nucleotidi di DNA avvolte per un giro e 3/4 intorno a un ottamero istonico DNA linker, che varia in lunghezza da 8 a 114 coppie di nucleotidi (b)