Genoma Flashcards
Cosa e` il genoma?
E` l’insieme delle informazioni genetiche presenti nell’organismo
Cosa e` il proteoma?
E` l’insieme delle proteine espresse
Quali sono le caratteristiche generali dei genomi batterici?
- 500 000 - pochi milioni di nucleotidi
- cromosomi a singola copia
- maggior parte del DNA codificante
Quali sono le caratteristiche generali del genoma eucariotico?
- miliardi di nucleotidi
- cromosomi a due o piu` copie
- geni discontinui
- maggior parte del DNA non codificante
Quali sono le caratteristiche dei genomi degli archebatteri?
- proteine informazionali piu` simili agli eucarioti
- strutture simili a istoni
- strutture promotrici simili ad eucarioti
- traduzione inizia per metionina
- geni per tRNA e rRNA possono contenere introni
Come si chiama la componente genomica comune dei genomi procariotici?
Endogenoma
Quali sono i tre possibili meccanismi di trasferimento laterale?
Trasformazione
Coniugazione
Trasduzione
Come si chiama il tratto genico che conferisce le proprietà patogene e quali sono le sue caratteristiche?
Isola di patogenicità.
Contenuto anomalo G+C
Quali sono le caratteristiche dei geni codificanti?
Circa 85%
Non sono interotti da operoni
Uno stesso promotore può controllare l’espressione di più geni correlati
Genoma più compatto
Quali sono le caratteristiche dei geni non codificanti procariotici?
15%; contiene rRNA, tRNA sncRNA
Cosa sono i sncRNA?
Small non coding RNA, sono prodotti da promotori canonici; si legano senza subire processamento a chaperonina Hfq in forma esamerica, formano appaimento complementare a mRNA bersaglio, determinando effetti sull’espressione del trascritto
Quali sono le caratteristiche dei geni eucariotici?
SOno più complessi, hanno un’organizzazione multicellulare e presentano differenziazione cellulare; hanno enormi quantità di DNA spazzatura
Cos’è il valore C?
Tutte le cellule di una stessa secie animale hanno una quantità costante di DNA
Cos’è il paradosso del valore C?
Non è correlato alla complessità dell’roganismo (oggi spiegato con porzione non codificante)
Qual è il ruolo degli introni nell’evoluzione dei geni eucariotici?
Processo di splicing e splicing alternativo
Origine antica degli introni
Sono stati eliminati in alcuni genomi, residui fossili di retrovirus. Se riattivati possono produrre malattie genetiche
Origine moderna degli esoni e exon shuffling
le proteine possono essere generate attraverso nuove combinazioni di esoni che possono realizzarsi se due geni si scambiano i rispettivi esoni, formando nuovi geni con un nuovo assortimento di esoni. Il riassortimento degli esoni può avere luogo in seguito a crossing over diseguale, per azione di elementi mobili che provocano co-traslocazione
Teoria del mescolamento degli esoni
inserzioni casuali possono dare origine ai geni funzionanti. Gli introni sono molto più lunghi degli esoni -> una sequenza contenente un esone si inserisce in un sito bersaglio casuale
Quali sono le principali regioni non codificanti?
- Introni
- UTRs (untraslitted regions)
- Regioni intergeniche (regolano funzioni in cis, promotori, enhancer, insulators) oppure in trans, attraverso RNA non codificanti di varie classi
Quali sequenze o frammenti possono essere considerate pseudogeni?
- Frammenti interni (con introni o maturati)
- Copie difettive dell’intera sequenza di un gene funzionale (o della sua porzione codificante)
- Copie troncate, mancanti da porzioni da 5’ a 3’
QUali sono le carattristiche dei pseudogeni?
Geni inattivi non funzionali, incapaci di esprimere proteine, possono essere riconosciuti in base alla similarità di sequenza con i relativi geni funzionali. Possono essere riconosciuti come tali sia per la presenza di mutazioni che determinano l’inserimento di codoni di stop prematuri, frameshift o estese delezioni/inserzioni, sia per l’assenza di un promotore funzionale che ne impedisce la trascrizione. Non appena un gene perde la sua attività funzionale comincia ad accumulare mutazioni “deleterie” che non sarebbe possibile osservare in un gene funzionale soggetto al controllo della selezione negativa
Origine dei pseudogeni: duplicazione genica
Può originare una nuova copia del gene che conserva la struttura in esoni e introni del gene originario e può rimanere inattiva se non viene integrata a valle di un promotore funzionale. Conservati come sequenza evolutiva, potrebbero essere ripristinati in caso di necessità, anche diversi dall’inizio.
Origine dei pseudogeni: retrotrasposizione
Privi di introni, mantengono le vestigia della coda di poli-A, presentano alle estremità piccole ripetizioni dirette che marcano tipicamente le stremità degli inserti dopo la retrotrasposizione
Cosa sono i pseudogeni duplicati?
hanno origine quando, in seguito a duplicazione genica, una seconda copia di un gene viene integrata in una nuova localizzazione genomica. inizialmente vicini ai geni di origine, possono poi traslocare in varie parti del genoma; contengono tutte le regioni funzionali del gene, codoni di stop inappropriati; genati per duplicazione genica o crossing over ineguale
Cosa sono i pseudogeni processati?
vanno a integrarsi a caso in qualsiasi parte del genoma. Derivano in genere da geni housekeeping o espressi nelle cellule germinali. Contengono solo sequenze esoniche e una sequenza oligo dA/dT; si formano a partire dall’RNA generato in seguito alla trascrizione del gene funzionale, che viene retrotrascritto in cDNA (complementary, DNA originato da sequenza di DNA processato) e reintegrati nel genoma
Cosa determina l’inattivazione dei geni? Puoi fare un esempio per l’uomo?
L’inattivazione di un gene può essere dovuta a duplicazioni, retrotrasposizioni o mutamenti nella pressioe selettiva su determinati caratteri durante il corso dell’evoluzione (es. riduzione numero geni per i recettori dell’olfatto nell’uomo, si sono trasformati in pseudogeni, mentre è stata potenziata la capacità di visione tricromatica).
Perchè i procarioti non presentano sequenze ripetute? Qual è l’unica eccezione?
I genomi procariotici non presentano sequenze ripetute; anche nel caso dovessero formarsi due copie della stessa sequenza per duplicazione di un tratto di DNA, queste tenderebbero a ricombinare, lasciando una sola copia del gene. L’unica eccezione è rappresentata dalla presenza di più copie del rRNA, ad esempio in E.coli ci sono 7 copie. Non sono però organizzate in tandem, come invece avviene negli eucarioti
Quali sono le sequenze ripetute presenti negli eucarioti?
- Uniche (maggior parte dei geni, contengono quasi la totalità dei geni che codificano per le proteine)
- Mediamente ripetute: in tandem (geni reiterati come RNA, 5SRNA, TRNA, istoni) e interdisperse (alcune sequenze regolative o a funzione speciale)
- Altamente ripetute (DNA satellite, sequenze semplici)
DNA satellite
Nell’ultracentrifugazione del DNA appare come una o più bande minori, più dense o meno dense del DNA principale. I DNA satelliti costituiscono la frazione altamente ripetitiva del genoma, e sono detti anche DNA a “sequenza semplice”. Sono costituiti da numerose ripetizioni in tandem di una breve sequenza in blocchi distribuiti in vari siti e in vari cromosomi. Non sono trascritti e si trovano nelle regioni eterocromatiche dei cromosomi. Essendo brevi, hanno una composizione in basi che devia dal contenuto in basi G+C del 40% tipico del grosso del DNA genomico.
Nel caso del satellite criptico, per pura coincidenza, la sequenza monomerica ha una composizione in basi uguale o molto simile a quella del DNA totale e non si separa come base individuale nel gradiente del CsCl. Le sequenze satellite sono prevalentemente centromeriche. Nel caso dell’uomo sono stati identificati anche in regioni eterocromatiche, tra cui i DNA satellite α. Questi sono il risultato della duplicazione e divergenza di sequenze più corte.
L’evoluzione dei DNA satelliti è il risultato di occasionali eventi di successive duplicazioni in tandem, che determinano una divergenza tra le copie dovuta al rapido aumento del numero di copie ripetute, alternati con eventi mutazionali. Blocchi di sequenze ripetute possono facilmente essere perse per escissione conseguente a ricombinazione tra diverse copie della sequenza.
Questo meccanismo di espansione, mutazione e perdita delle sequenze di DNA fa sì che i DNA satelliti cambino molto rapidamente, sia come sequenza nucleotidica che come livello di ripetitività. Specie affini hanno DNA satelliti ben distinguibili.
Microsatelliti e minisatelliti
Sono generalmente situati ai telomeri.
Microsatelliti: costituiti da monomeri di 1-10 pb, ripetuti in tandem circa 10-30 volte. Detti anche SSR (simple sequence repeats) o STR (short tandem repeats)
Minisatelliti: dimensioni di 11-100 pb, formano blocchi più estesi.
Sono entrambi caratterizzati da un elevato grado di polimorfismo nella popolazione umana; il numero di ripetizioni all’interno di uno specifico locus può variare da individuo a individuo a causa dello scivolamento della replicazione. Per questo sono usati come marcatori dell’individualità genetica nel test del DNA.
Quali sono le sequenze di DNA ripetitivo interdisperse nel genoma?
Retrotrasposoni e trasposoni a DNA
Retrotrasposoni
elementi mobili di classe I: originati dall’attività della trascrittasi inversa a partire da un intermedio a RNA, si suddividono a loro volta in:
- elementi LTR (long terminal repeats)
- elementi non LTR, che comprendono i
a) SINE
b) LINE
Elementi LTR retrotrasposoni
Vi appartengono anche i retrovirus; dimensioni di 6-9 kpb, essendo privi del gene Env non sono in grado di formare particelle virali. Abbondanti in funghi, piante ed insetti.
Cosa sono i SINE?
(short intersperde nuclear elements): elementi mobili non autonomi, lunghezza 100-400 pb. Promotore interno per la RNA polimerasi III e regione ricca in A all’estremità 3’. La loro trasposizione richiede una trascrizione inversa sintetizzata da altri retroelementi come i LINE.
SINE nell’uomo: elemento Alu (ancora attivo), elementi MIR e Ther2/MIR3 (inattivi)
Cosa sono i LINE?
(long interspersed nuclear elements): lunghezza di 6-7 kpb, hanno un promotore per l’RNA polimerasi II, una o due ORF e un segnale di poliadenilazione al 3’.
ORF1 -> codifica per proteina in grado di legare il proprio RNA
ORF2 -> proteina dotata sia dell’attività di trascrittasi inversa che dell’endonucleasi.
Nella retrotrasposizione si forma un complesso ribonucleoproteico costituito dal LINE legato ai prodotti di ORF1 e ORF2. Una volta traslocato nel nucleo, il complesso effettua un taglio endonucleotidico a livello del sito di inserzione -> processo di retrotrasrcrizione a partire dall’estremità 3’. Il processo risulta spesso inattivo, incorporazione elementi LINE inattivi, tronchi al 5’. Il processo di incorporazione è poi completato con la saldatura a livello dei tagli sfalsati, prodotti dall’attività endonucleasica, che genera piccole sequenze ripetute all’estremità dell’elemento mobile integrato.
Trasposoni a DNA
elementi mobili di classe II): non utilizzano un intermedio a RNA, possono avere propagazione conservativa o replicativa (a seconda che il numero di copie dell’elemento trasposto sia lasciato immutato o raddoppi). Contengono una sequenza codificante per la trasposasi, enzima che si lea all’estremità del trasposone, mobilizzandolo in un’altra regione genomica o con un meccanismo di trasposizione conservativa di tipo “taglia e cuci” (conservativa) o con un meccanismo replicativo (la copia originale rimane al suo posto).
Trasposoni più importanti: elementi Ac e Ds del granturco, elementi P della Drosophila.
Importanza elementi trasponibili
- contribuiscono sia in modo attivo che passivo alla continua generazione di novità genetiche che saranno poi sottoposte al vaglio del genoma, che saranno poi sottoposte al vaglio della selezione naturale.
- integrano in diversi punti del genoma, formando nuovi geni, o parti di essi per parziale esonizzazione, oppure disseminando elementi di regolazione dell’espressione genica (ruolo attivo)
- favoriscono processi ricombinativi alla base dei riarrangiamenti genomici (ruolo passivo)
Duplicazioni segmentali
Componente ripetitiva del genoma. Non sono riconducibili ad elementi trasponibili; lunghezza di più di 10000 pb e identità > 90%.
Possono essere intracromosomiche (in tandem) o intercromosomiche (prodotte da duplicazione in tandem seguita da traslocazione). Sono localizzate prevalentemente in regioni adiacenti ai centromeri e raramente presenti in regioni più distali.
Le duplicazioni sono un importante fenomeno di variabilità genetica tra individui della popolazione umana, comportano la variazione del numero di copie di determinati geni, che a sua volta determina variazioni del livello di espressione genica determinando patologie come il cancro alla mammella, l’autismo e malattie autoimmuni.
Famiglie geniche
la maggior parte dei geni non è presente in una singola copia; due o più copie di uno steso gene costituiscono la famiglia genica.
Numero di geni all’interno di un genoma = numero geni unici + numero famiglie geniche costituite da due o più membri. Le piante hanno un numero maggiore di geni perché contengono appunto un gran numero di geni duplicati.
Quali sono le principali famiglie geniche
- Famiglie geniche classiche (globine, istoni)
- Geni codificanti prodotti con domini altamenti conservati
- Geni codificanti proteine contenenti corti motivi conservati, correlati ad una funzione (DEAD box, WD domain etc)
- Superfamiglie (immunoglobuline), recettori G protein coupled
Geni reiterati ed evoluzione parallela
Negli eucarioti i geni ripetuti, o reiterati, sono organizzati in tandem (come, ad esempio, rRNA, tRNA ed istoni), con un arrangiamento testa-coda e costituiscono gruppi anche molto numerosi.
Il gene precursore degli rRNA vede le sue copie organizzate in tandem in un locus cromosomico chiamato organizzatore nucleolare o NOR. In alcune specie tutte le copie del gene per l’rRNA sono raggruppate in un unico locus NOR, in altre sono ripartite in più loci NOR.
I geni per l’rRNA presentano alcune differenze tra le diverse specie. In ciascuna specie le copie reiterate sono sostanzialmente identiche in modo da produrre rRNA omogeneo.per evitare che con il passare del tempo le mutazioni casuali facciano sì che le copie geniche diventi divergenti tra loro, esiste un meccanismo di evoluzione parallela che fa sì che le mutazioni geniche siano trasmesse in uguale misura in tutta le copie.
Tre possibili modelli di meccanismi genetici:
1. Crossing over ineguale: ossia crossing over tra due copie non corrispondenti. Processo sicuramente esistente, implicato nell’evoluzione delle famiglie geniche per duplicazione o divergenza. In un gruppo di sequenze reiterate come i geni per l’rRNA fa sì che una cellula figlia riceva una o più copie geniche in meno, così si omogenizzano le copie
2. Conversione genica: processo ricombinativo attraverso il quale una di due sequenze omologhe ma non identiche viene corretta sull’altra
3. Perdita e sostituzione delle copie reiterate: ipotizza che in alcune occasioni gran parte o l’intero gruppo di copie geniche vada perso (es. escissione conseguente a ricombinazione intramolecolare), sostituito da nuovo gruppo derivato per replicazione da una o più copie
Tutti questi meccanismi servono a mantenere l’omogeneità delle copie reiterate
Genoma mitocondriale
Si ritiene che i mitocondri si siano originati endosimbioticamente a partire da un alfa-protobatterio. L’origine molto probabilmente coincide con la creazione della cellula eucariotica (ipotesi più accreditata per l’origine della cellula eucariotica vede endosimbiosi tra archebatterio produttore di H molecolare e archebatterio consumatore di H molecolare).
I genomi mitocondriali sono costituiti da un’unica molecola di DNA circolare e hanno forma e dimensioni diverse, nel corso dell’evoluzione si è mano a mano compattato. Presenza di 2 o 3 rRNA, numero variabile di tRNA e geni che codificano per subunità del complesso per la catena respiratoria.
In molte specie appartenenti a diversi gruppi tassonomici il genoma mitocondriale adotta un codice genetico specifico che presenta alcune deviazioni rispetto al codice genetico universale. Queste deviazioni pongono una barriera al trasferimento dei geni dal genoma mitocondriale a quello nucleare.
I tRNA mitocondriali sono più piccoli dei tRNA nucleari e possono avere strutture secondarie insolite; hanno un ruolo di elementi di punteggiatura per guidare il processing dell’RNA precursore. Vacillamento più ampio dato che l’interazione codone-anticodone è sostanzialmente basata su due soli nucleotidi (U nella prima posizione riconosce tutti e 4 i nucleotidi nella terza posizione del codone). Ci sono più molecole di DNA mitoconcdraile per mitocondrio e molti mitocondri per cellula. Il genoma mitocondriale è aploide e viene ereditato per via materna.
Moltissime malattie genetiche correlate a disfunzioni del mitocondrio che normalmente comportano gravissimi deficit a livello neuromuscolare.
