Il materiale genetico: DNA e RNA, struttura e genetica di popolazione

Materiale genetico e cellule

Tutti gli organismi viventi sono costituiti da DNA, il materiale genetico universale che contiene tutte le informazioni necessarie per la crescita, lo sviluppo, il funzionamento e la riproduzione degli organismi. Il DNA è un polimero organico composto da monomeri chiamati nucleotidi, la cui sequenza codifica l'informazione genetica.

Le cellule possono essere di due tipi:

• Cellule procariote: prive di membrana cellulare e organelli cellulari
• Cellule eucariote: più complesse, con nucleo e organelli come cloroplasti e mitocondri

Il gene è l'unità fondamentale dell'ereditarietà, una sequenza specifica di DNA che codifica una proteina. I geni si presentano in diverse forme chiamate alleli e sono localizzati sui cromosomi.

Esperimenti sulla trasmissione ereditaria

Nella prima metà del XX secolo, i genetisti non erano concordi sul fatto che il DNA o le proteine fossero il materiale genetico responsabile della trasmissione ereditaria dei caratteri. Alcuni esperimenti hanno dimostrato che il DNA è il vettore dell'informazione genetica:

1. Esperimento di trasformazione batterica: il materiale iniettato da cellule batteriche morte può entrare in cellule batteriche vive e conferire loro nuove caratteristiche, che vengono ereditate dai discendenti.

Genetica di popolazione

La genetica di popolazione studia il materiale genetico che influenza lo sviluppo, il funzionamento e il comportamento degli organismi, analizzando gruppi di individui di una stessa specie e il modo in cui la popolazione cambia nel tempo e nello spazio.

Gli organismi modello utilizzati in genetica presentano caratteristiche utili per l'analisi genetica, come:

• Ciclo di vita breve
• Progenie numerosa
• Facilità di allevamento/coltivazione e manipolazione
• Possibilità di effettuare incroci genetici controllati
• Numerose varianti genetiche
• Conoscenza approfondita dei sistemi genetici
• Basso costo

Questi organismi permettono di studiare caratteristiche anatomiche, dimorfismo sessuale, fecondazione, embriogenesi, ciclo vitale e variazioni in relazione a fattori ambientali.

Scoperte e sviluppi della genetica

Le teorie sulla trasmissione ereditaria dei caratteri hanno avuto una lunga evoluzione, dalla teoria del plasma germinale (considerata l'unica vera) all'ipotesi della pangenesi.

Le principali scoperte relative alla genetica includono:

• Teorie di Mendel (1865, accettate nel 1900)
• Struttura del DNA scoperta da Watson e Crick (1953)
• Scoperta del codice genetico (1966)
• Sviluppo della tecnologia del DNA ricombinante (1972)
• Metodo Sanger per il sequenziamento del DNA (1977)
• Primo strumento automatizzato per il sequenziamento (1986)
• Sequenziamento dell'intero genoma umano (2003)

Organizzazione del DNA nelle cellule umane

Il genoma umano è organizzato in 24 cromosomi, ognuno contenente molti geni. I geni sono sequenze specifiche di basi che codificano le istruzioni per la produzione di proteine. Le regioni non codificanti del DNA svolgono un ruolo fondamentale nella regolazione della produzione proteica.

Le proteine, composte da amminoacidi, svolgono la maggior parte delle funzioni vitali e costituiscono la maggior parte delle strutture cellulari.

Espressione dell'informazione genica

L'informazione genetica contenuta nel DNA viene espressa attraverso i processi di trascrizione (sintesi di RNA) e traduzione (sintesi di proteine). Questo flusso di informazione è monodirezionale, dagli acidi nucleici alle proteine.

Tecnologie del DNA ricombinante

La tecnologia del DNA ricombinante permette di isolare, clonare ed esprimere geni in organismi eterologhi, conferendo nuove caratteristiche alle cellule riceventi. Questa tecnologia ha permesso lo sviluppo di numerosi farmaci e di organismi geneticamente modificati (OGM).

Genoma umano e complessità evolutiva

Nonostante il numero relativamente basso di geni trovati negli esseri umani rispetto ad altre specie, la superiore complessità della specie umana non dipende dal numero di geni, ma piuttosto dai tempi e dalle interazioni dei geni.

Il DNA può trasformare i batteri

Esperimenti sulla trasformazione batterica

Oswald Avery pubblicò una ricerca in cui mostrò che il DNA fosse l'unico composto capace di trasformare i batteri da non patogeni a patogeni. Per confermare che fosse il DNA il reale trasportatore dell'informazione genetica, condussero un esperimento in cui vennero inseriti preparati contenenti proteasi e DNasi. La DNasi eliminò la trasformazione da ceppo R a ceppo S nel preparato, quindi è il DNA la sostanza responsabile della trasformazione genetica e quindi il materiale genetico.

L'informazione genetica dei virus è contenuta nel DNA

Hershey e Chase determinarono che solo la porzione di DNA di un batterio vivo fosse responsabile della capacità di un batteriofago T2 di attaccare un batterio. Quando il batteriofago attacca un batterio, una parte del virus penetra nella cellula batterica, la cellula va incontro a lisi e libera decine di particelle virali. Hershey e Chase scoprirono che la maggior parte di 35S era contenuta nel liquido surnatante, mentre la maggior parte di 32P rimaneva all'interno dei batteri, quindi era proprio il DNA a trasferirsi nei batteri e a modificare il programma genetico della cellula batterica.

Struttura del DNA

Struttura primaria del DNA

Il DNA è un acido nucleico le cui unità strutturali sono i nucleotidi, formati da una base azotata, uno zucchero pentoso e un gruppo fosfato. Esistono due tipi di basi azotate: le purine (adenina e guanina) e le pirimidine (citosina, timina e uracile). Se una molecola è composta da una base purinica o pirimidinica e uno zucchero ribosio o deossiribosio, l'unità chimica è denominata nucleoside. Se un gruppo fosfato viene aggiunto al nucleoside, la molecola viene ora chiamata nucleotide.

Struttura secondaria del DNA

La struttura secondaria del DNA è costituita da due filamenti polinucleotidici avvolti l'uno intorno all'altro a formare una doppia elica. I filamenti hanno orientamento opposto, con l'estremità 5' di un filamento allineata con l'estremità 3' dell'altro filamento. Le basi azotate di ciascuna catena si accoppiano mediante legame idrogeno per formare solo coppie A-T o G-C, in accordo con la regola di Chargaff.

Proprietà della doppia elica

Alcune proprietà importanti della doppia elica includono la stabilizzazione chimica del DNA grazie ai legami idrogeno e la presenza di solchi maggiore e minore che rendono la molecola più flessibile e accessibile per le interazioni con altre molecole.

Diverse strutture secondarie del DNA

Oltre alla classica struttura a doppia elica (B-DNA), il DNA può assumere altre conformazioni come la Z-DNA (elica sinistrorsa), la H-DNA (tripla elica) e strutture secondarie complesse nelle molecole di RNA.

Funzioni del DNA

Duplicazione del DNA

Le molecole di DNA devono essere replicate e trasmesse alle cellule figlie, in modo che ogni cellula figlia contenga molecole di DNA identiche a quelle della madre. Durante la replicazione possono verificarsi errori.

Informazioni genetiche nel DNA

La molecola di DNA contiene l'informazione genetica nella sequenza dei nucleotidi. Avere a disposizione 4 basi azotate permette di avere milioni di possibili sequenze in una molecola di DNA. Alcune sequenze di DNA sono specifiche per il legame con proteine regolatrici, mentre altre vengono trascritte in RNA.

Il DNA nelle cellule

DNA nei procarioti

Nei procarioti, il DNA è ripiegato in una serie di anelli contorti all'interno del nucleoide. Il DNA batterico è generalmente costituito da una singola molecola circolare a doppio filamento, associata a diverse proteine leganti il DNA.

DNA negli eucarioti

Negli eucarioti, l'organizzazione del DNA è molto più complessa. Il DNA è impacchettato e organizzato in cromosomi, con un processo di compattazione che prevede diversi livelli di organizzazione, dalla formazione dei nucleosomi all'ulteriore ripiegamento in fibre di cromatina.

Problema dell'accessibilità della cromatina

Nelle fibre di cromatina, il DNA è inaccessibile all'interazione con importanti proteine non istoniche coinvolte nei processi di replicazione e trascrizione. Per consentire tali interazioni, la cromatina deve subire un processo di rimodellamento, regolato anche da modificazioni post-traduzionali degli istoni.

Nucleolo

Il nucleolo è il sito nel quale avviene la trascrizione dell'RNA ribosomiale e vengono prodotte le subunità dei ribosomi.

La replicazione del DNA

Il modello di replicazione proposto da Watson e Crick è semiconservativo: ogni filamento di DNA parentale è usato come modello per la sintesi di un nuovo filamento complementare. Dopo la replicazione, le due nuove doppie eliche di DNA contengono ciascuna un filamento parentale e un filamento di nuova sintesi.

Ipotesi sulla replicazione del DNA

Oltre all'ipotesi semiconservativa, erano state proposte anche l'ipotesi conservativa (in cui l'intera molecola di DNA fungeva da modello per la sintesi di una doppia elica completamente nuova) e l'ipotesi dispersiva (in cui i filamenti parentali si distribuivano casualmente tra le molecole figlie).

L'ipotesi dispersiva e l'ipotesi semiconservativa

L'ipotesi dispersiva

L'ipotesi dispersiva prevedeva un meccanismo di rottura della doppia elica parentale e sintesi che produceva due copie del DNA i cui filamenti erano formati da frammenti di DNA vecchio e neosintetizzato disperse lungo entrambe le nuove doppie eliche. Ogni filamento delle nuove molecole contiene una miscela di DNA nuovo e parentale.

L'ipotesi semiconservativa

L'ipotesi semiconservativa prevede che ogni molecola dopo la replica contenga un filamento parentale e uno nuovo. Questa ipotesi è risultata essere corretta.

Esperimento di Meselson e Stahl

Meselson e Stahl hanno studiato la composizione isotopica dei nucleotidi nel filamento di DNA neosintetizzato. Hanno fatto crescere E. coli in colture con isotopi 14N (normale) e 15N, e attraverso una particolare centrifugazione hanno separato il DNA 14N dal DNA 15N. Quando le cellule con DNA 15N puro sono state trasferite in terreno contenente 14N e si sono replicate una volta, il DNA delle risultanti cellule di prima generazione formava una banda