Genetica medica: genoma umano, DNA, cromosomi e malattie genetiche

Il genoma umano

Il nostro genoma, presente in tutte le nostre cellule somatiche, presenta un corredo genetico diploide (abbiamo cioè due copie di materiale genetico, metà di derivazione materna e metà paterna). Per quanto riguarda i tessuti germinali, quando cioè parliamo di gameti, il corpo produce delle cellule aploidi, quindi con metà del contenuto genetico (prodotti da ovogoni e spermatogoni).

Le divisioni cellulari

• MITOSI: divisione cellulare che mantiene il corredo genomico diploide, con produzione di due cellule figlie dalla cellula madre.
• MEIOSI: nei tessuti germinali, da una cellula diploide originaria (oogonio o spermatogonio) si producono quattro gameti aploidi che, successivamente, unendosi, producono lo zigote permettendo lo sviluppo di un nuovo individuo con corredo cromosomico diploide.

2n 2n 4n 4n I 1 2n 2n II 1 1 gameti 2n 2n diploidi n n n n aploidi

Cellula uovo e spermatozoi

Il nostro DNA diploide è contenuto nel nucleo, con struttura a doppia elica, cromosoma cellula DNA nucleare nucleo Mitocondrio collana di perle di 10 nm anse DNA DNA mitocondriale doppia clica 100-400 nm matrice contiene tutte le info su come le cellule dovranno essere. La doppia elica non è totalmente srotolata nel nucleo ma organizzata intorno agli ISTONI, proteine attorno a cui si avvolge il DNA, per organizzarsi in compartimenti: più il DNA è spiralizzato e compatto, meno è attivo e accessibile ai fattori di trascrizione. Il DNA genomico non è presente come un unico filamento, ma si organizza in pezzi, i CROMOSOMI, unità precise di quantità di DNA, suddivise per agevolare la sua attività di trascrizione e duplicazione.

I cromosomi si visualizzano come una X solo in precisi momenti del ciclo cellulare, cioè durante la mitosi, quando la cellula deve dividere e duplicarsi: qui il DNA si compatta, distribuendosi in questo modo correttamente ed equamente tra le due cellule figlie, permettendo una segregazione del materiale genetico corretta tra le due cellule figlie.

Contenuto delle cellule

All'interno delle nostre cellule abbiamo:

• DNA nucleare
• DNA mitocondriale: i mitocondri sono organelli che producono energia. Il DNA qui è piccolo e circolare, non organizzato in cromosomi (importante perché si associano delle patologie legate alla sordità). Contiene 37 geni.

Dal PROGETTO GENOMA sappiamo attualmente che il genoma umano contiene circa 21mila geni che vengono trascritti ed organizzati in introni ed esoni. Una volta trascritti avviene lo slicing, il processo di eliminazione degli introni per produrre un mRNA maturo contenente solo materiale codificante; I'mRNA maturo passa quindi nel citoplasma per raggiungere i ribosomi ed essere tradotto in proteina.

Il codice genetico si compone di quattro basi azotate (A, C, T, G) che si combinano in codoni o triplette, generando quindi 64 possibili codoni (43), che però codificano per soli per 20 AA. Abbiamo quindi un codice genetico degenerato, il che significa che ad ogni AA possono corrispondere più triplette.

Il nostro genoma non è tuttavia formato unicamente da questi 21mila geni, i quali occupano solo l'1% del genoma.

• Questa piccolissima fetta di genoma rappresenta gli ESONI, le parti mature codificanti per le proteine, ma anche esoni non codificanti (sequenze regolatrici 5'UTR e 3'UTR, dove UTR = untranslated region), parti iniziali e finali del gene, regioni necessarie per la trascrizione e la traduzione ma che difatto non vengono tradotte. 1La parte codificante e funzionale, occupa quindi solo l'1% del nostro genoma: abbiamo 3,2 miliardi di paia di basi per genoma aploide, ma essendo l'uomo diploide abbiamo quindi 6,4 miliardi, contenute in un nucleo ed organizzate in cromosomi.
• Tutto il resto è composto da SEQUENZE GENE-RELATED: introni, sequenze uniche non codificanti - non sono geni, hanno perso la loro attività, pseudogeni (35%).
• Circa un 65% è invece composto da SEQUENZE RIPETUTE INTERSPERSE, che non codificano e sono sparse lungo il genoma, sono pezzi di DNA molto uguali tra di loro sparsi e ripetuti nel genoma. Alcuni esempi sono le sequenze LINE (20%), SINE (13%), LTR (8%), Transposoni a DNA (3%), e sequenze ripetute in tandem dette DNA satellite (9%), che costituiscono i centromeri e i telomeri. Nel DNA satellite è contenuto l'RNA ribosomiale, le sequenze alpha satellite e beta satellite che costituiscono centromeri e telomeri; inoltre contengono i minisatelliti e microsatelliti (4%), particolarmente associati a patologie umane.

Queste sequenze vengono paragonate a dei junk-DNA: in realtà se sono state mantenute nel corso dell'evoluzione è perché queste sequenze servono, in particolare per organizzare strutturalmente i cromosomi, per l'attività di trascrizione dei geni organizzando meglio l'attività della cromatina.

Il DNA ripetitivo in tandem (satellite)

Il DNA ripetitivo in tandem (satellite) si trova:

• O nella porzione terminale (TTAGGG), parliamo di TELOMERI, una sequenza ripetuta migliaia di volte che fa come da tappo, impedendo l'attacco di enzimi che possono degradare o accorciare il cromosoma, quindi una sorta di protezione dei cromosomi. Nell'invecchiamento avviene un accorciamento di questi.
• CENTROMERI: diversi per ogni cromosomi, cambia la sequenza ripetuta in tandem tra i cromosomi. Questi permettono l'attacco del DNA ai microtubuli durante la divisione cellulare e quindi l'attacco dei cromosomi al citoscheletro per essere trasportati alle due cellule figlie nel corso della mitosi, dividendo equamente il materiale genetico.

+ Telomero (unità ripetute in tandem del minisatellite TTAGGG) Lunghezza di diverse kb + Centromero (vari componenti di DNA satellite) Lunghezza di diverse kb + DNA minisatellite ipervariabile DNA satellite tipo & DNA satellite tipo ß DNA satellite 2 e 3 più il satellite 1 e altre unità ripetute Cromosoma 9 DNA satellite tipo ß rDNA DNA satellite tipo ß DNA satellite 2 e 3 DNA satellite tipo & Cromosoma 13

Organizzazione del DNA

Il DNA si organizza fisiologicamente intorno ai NUCLEOSOMI (ottameri di istoni H2A, H2B, H3 e H4, che formano come delle palline su cui si avvolge il DNA), che permette la riorganizzazione del DNA rendendolo più condensato (e quindi più inattivo) o più rilassato (e quindi più attivo e accessibile ai fattori di trascrizione).

La condensazione massima della cromatina è visibile solo in particolari momenti del ciclo cellulare, cioè quando la cellula si deve dividere, in quanto deve essere correttamente distribuito alle cellule figlie (ovviamente prima il DNA si è duplicato, solo successivamente si condensa e viene suddiviso nelle due cellule figlie).

Corta regione di Dna duplex 2 nm T Aspetto della cromatina a "filo di perle" 11 nm Fibra di cromatina di 30 nm impacchettata dai nucleosomi * 30 nm 1 Sezione di un cromosoma in forma estesa C C 300 nm Sezione condensata di un cromosoma 700 nm 1 Centromero Cromosoma mitotico 1.400 nm · 2017 Edra S.p.A. 2MITOSI

La mitosi

La MITOSI è il processo di divisione cellulare che avviene nelle cellule somatiche del corpo e nello sviluppo dello zigote e del feto stesso, determinando un accrescimento e una differenziazione cellulare.

Fasi del ciclo cellulare

La mitosi è solo un breve periodo del ciclo cellulare; la restante parte viene definita interfase. Il ciclo cellulare:

• INTERFASE:
  • FASE G1
  • FASE S: duplicazione DNA
  • FASE G2: si prepara alla mitosi
• MITOSI (FASE M): fase di duplicazione cellulare. Ogni cromosoma omologo (paterno+materno) si deve duplicare; ogni cromosoma è a sua volta formato da due cromatidi fratelli.
  • PROFASE: fase di preparazione, il DNA inizia a condensarsi, diventando sempre più compatto, organizzandosi. Iniziano a comparire i microtubuli ("rotaie" su cui si organizza il materiale genetico).
  • PROMETAFASE: rottura membrana nucleare, cromosomi ben visibili, si forma il fuso mitotico fatto da microtubuli su cui si posizionano i cromosomi.
  • METAFASE: i cromosomi si allineano e si posizionano sul piano equatoriale attaccandosi ai microtubuli attraverso il centromero.
  • ANAFASE: i due cromatidi fratelli di ogni cromosoma omologo devono separarsi per migrare.
  • TELOFASE: i due cromosomi raggiungono i poli e formano i due nuclei, formando due cellule uguali come contenuto alla cellula madre.

La mitosi garantisce quindi un corredo diploide.

La meiosi

La MEIOSI, invece, è un processo di divisione cellulare che avviene solo a livello di ovaie e testicoli perché si devono produrre i gameti, motivo per cui vi è la necessità di creare delle cellule aploidi. Qui cambiano alcune fasi:

• PROFASE I: a questo livello lo spermatogonio/oogonio è ancora una cellula diploide. Qui i due cromosomi omologhi si appaiono in coppia sul fuso mitotico, formando una tetrade (nella mitosi invece c'è un singolo cromosoma omologo che si posiziona sul fuso mitotico). Il DNA condensa.
• METAFASE I: si iniziano a posizionare sul piano equatoriale. Essendo molto XX XXX MEIOSI I XX XX Profase II 2 cellule aploidi (2n) derivanti dalla meiosi | X X X Crossing-over Anafase I Anafase II X X X X Telofase I 1 1 1 1 1 1 1 1 Telofase II Citodieresi 2 cellule aploidi (con DNA 2n) XX XX $1 11 11 Citodieresi 4 cellule aploidi (n) ravvicinati, qui avviene il crossing-over, cioè la rottura simmetrica in uno dei cromatidi di origine paterna Cromatidi fratelli Cinetocori Appaiamento dei cromosomi omologhi (bivalenti) e formazione di chiasmi o sinapsi e in uno di origine materna con scambio reciproco dei segmenti cromosomici corrispondenti. Questo processo avviene far scambiare e rimescolare il materiale genetico, ottenendo variabilità genetica nei gameti prodotti (tutti diversi) e l'unicità genetica di ciascun individuo (essendo però cromosomi omologhi si scambiano delle sequenze, non stravolgendo completamente il corredo genetico). I cinetocori agganciano il cromosoma sul fuso mitotico. Dato che il cromosoma paterno e materno sono molto appaiati, è possibile che vi sia uno scambio di DNA.
• ANAFASE I: fase di distacco e migrazione del materiale genetico. MEIOSI II Profase I Cellula diploide con DNA dulicato (4n) X X Metafase I Appaiamento dei cromosomi omologhi Metafase II Separazione dei cromatidi fratelli Chiasmi 3