Meccanismi molecolari alla base della regolazione dell'espressione genica. Flashcards
GENOMA
- È l’insieme del DNA genico ed intergenico (quindi DNA tra geni).
- Un particolare insieme di informazioni genetiche posseduto da ogni specie di organismi.
- Com’è organizzata l’informazione genica?
Un’enorme quantità di informazione dentro ogni singola cellula: il GENOMA
MOTIVO CONDENSAZIONE DEL DNA
DNA non è in configurazione distesa ma deve subire:
- ripiegamenti,
- torsioni e
- superavvolgimenti,
che gli fanno assumere la CONFORMAZIONE di MATASSA FILAMENTOSA + COMPATTA.
Questa organizzazione deve GARANTIRE il REGOLARE SVOLGIMENTO di REAZIONI BIOSINTETICHE (replicazione, trascrizione) che richiedono certo grado di accessibilità al materiale genetico.
Condensazione DNA mediante interazione con proteine basiche (mediante legami elettrostatici):
- NEUTRALIZZANO carica negativa del DNA => evitando forze di repulsione elettrostatica che impedirebbero la sua compattazione
- Essendo facilmente modificabili nel tempo, consentono alla cellula di REGOLARE livello di CONDENSAZIONE del genoma in funzione dell’esigenze biologiche del momento
CONFRONTO GENOMA FRA CELLULA PROCARIOTICA ED EUCARIOTICA
Cellule PROCARIOTICHE posseggono un UNICO CROMOSOMA CIRCOLARE.
Genoma di E.coli: formato quasi interamente da geni.
Cellule EUCARIOTICHE contengono PIÙ CROMOSOMI LINEARI.
GRANDEZZA genoma è CORRELATA alla COMPLESSITÀ dell’organismo.
GENOMA PROCARIOTICO
Spesso geni sono organizzati in OPERONI (geni adiacenti, trascritti insieme, espressi come un’unica unità trascrizionale).
Operone = un insieme di geni che vengono regolati in modo strettamente coordinato.
Un operone contiene sempre i seguenti elementi:
• GENI STRUTTURALI, ovvero geni che codificano per determinati enzimi necessari alla cellula (si trascrivono sequenzialmente, mRNA policistronico).
• Un PROMOTORE (sito di legame per RNA polimerasi), situato a monte dei geni, ovvero una sequenza di DNA che, legandosi all’RNA polimerasi permette l’inizio della trascrizione.
RNA polimerasi ha infatti bisogno di riconoscere la sequenza del promotore per iniziare il processo.
• Un OPERATORE, un frammento di DNA, che può essere situato:
- a monte,
- a valle o
- anche lontano dal promotore,
che regola l’espressione dei geni strutturali.
L’operatore svolge questa funzione interagendo con una specifica proteina chiamata proteina REPRESSORE o proteina ATTIVATORE, a seconda che impedisca o stimoli l’espressione.
• GENE REGOLATORE: codifica per le proteine. Funzione di attivare / reprimere legame della polimerasi con sito promotore (importante per permettere o no alla cellula di modulare la sua risposta).
Geni sono localizzati a stretto contatto tra loro, lasciando solo piccole aree non codificanti come spaziatori.
Genoma procariotico anche se NON organizzato in CROMOSOMI, mostra STRUTTURE COMPATTE che occupano circa 1/3 del volume della cellula. Occupa la REGIONE CENTRALE della cellula batterica e prende il nome di NUCLEOIDE: struttura in cui è localizzata l’informazione genetica delle cellule procariotiche.
DNA batterico è probabilmente organizzato in anse superavvolte. Ogni ansa sarebbe stabilizzata da una molecola di RNA.
GENOMA EUCARIOTICO
- Più grande di quello dei procarioti.
- Organizzato in cromosomi.
- Cromosomi terminano con i telomeri.
- Contiene sequenze RIPETITIVE.
- Possiede GENI INTERROTTI.
- Trascrizione + traduzione avvengono in ambienti separati.
GENOMA UMANO
Insieme di informazioni genetiche contenute nel DNA delle cellule umane.
Due genomi:
• genoma NUCLEARE, che comprende la quasi totalità dell’informazione genetica;
• genoma MITOCONDRIALE, che copre il rimanente (circa 0,0005%).
DIMENSIONE E COMPLESSITÀ GENOMA
Dimensione di un genoma, misurata come lunghezza in nucleotidi o paia di basi, non è soltanto influenzata dal nr di geni che esso contiene. Genomi non contengono soltanto geni ma anche regioni SPAZIATRICI di DNA che si interpongono tra i vari geni: DNA INTERGENICO o EXTRAGENICO.
Maggiore complessità del genoma eucariotico rispetto a quello procariotico.
Geni rappresentano una piccola porzione del DNA:
• AUMENTO delle DIMENSIONI dei GENI
- INTRONI = regioni non codificanti intersperse all’interno delle seq codificanti
- SEQUENZE REGOLATIVE = regioni di DNA utilizzate per dirigere + regolare trascrizione
• AUMENTO della QUANTITÀ di DNA tra GENI
- Sequenze intergeniche
PSEUDOGENI: geni ripetuti, ma le copie sono mutate o inattive, quindi non funzionali!
DISTRIBUZIONE GENOMICA DEI GENI NEGLI EUCARIOTI
- Negli eucarioti UNICELLULARI, la selezione, per AUMENTARE EFFICIENZA, ha mantenuto BASSA la quantità di DNA NON-codificante.
- DNA non-codificante è invece MOLTO rappresentato negli organismi MULTICELLULARI; dove fornisce materiale “grezzo” per duplicazione genica + divergenza (evoluzione).
Nr GENI CODIFICATI all’interno di un tratto di DNA della stessa lunghezza DIMINUISCE con l’AUMENTARE della COMPLESSITÀ dell’organismo.
- Studiare “Suddivisione genoma umano”
In base all’attività, si parla di:
• GENI / RNA NON-CODIFICANTI (cioè che non sintetizzano proteine);
• GENI / RNA CODIFICANTI (che invece sintetizzano proteine, dunque mRNA + traduzione genica).
FUNZIONE DEI GENI CHE CODIFICANO PEPTIDI
• Di ≈ metà dei geni umani NON si CONOSCE ancora la FUNZIONE.
• L’altra metà dei geni codifica per proteine coinvolte:
- nella TRASDUZIONE del SEGNALE o
- nel LEGAME agli ACIDI NUCLEICI.
GENI NON CODIFICANTI PROTEINE
In base alla funzione, possono:
• avere un ruolo nella REGOLAZIONE GENICA:
- che intervengono a vari livelli;
- possono modificare l’espressione genica.
• RNA che svolgono un ruolo di TRADUZIONE GENICA: traducono informazione del DNA in proteine.
- Lezione 10 - Bruni - pg. 5
GENERALITÀ DNA RIPETITIVO
Risultante dalla ripetizione di sequenze di DNA denominate UNITÀ RIPETITIVE.
Sulla base della ripetitività un genoma eucariotico può essere suddiviso in:
• DNA unico / non ripetitivo (55% genoma umano):
• DNA moderatamente ripetitivo (30% genoma umano);
• DNA altamente ripetitivo (15% genoma umano).
* Proporzione delle ≠ sequenze varia in specie diverse
AMPLIFICAZIONE GENICA: fenomeno che ha portato nel corso dell’evoluzione alla formazione di sequenze ripetute nei genomi eucariotici.
Deriva da errori casuali che si verificano durante i processi di replicazione + ricombinazione del DNA.
N.B. DNA ripetitivo tende ad espandersi nel corso dell’evoluzione!
DNA UNICO / NON RIPETITIVO
- Si tratta di una frazione significativa di frammenti di DNA che è TALMENTE lenta nel trovare il FILAMENTO COMPLEMENTARE, da far pensare che sia presente in singola copia nel genoma.
- Geni che CODIFICANO per caratteristiche che mostrano EREDITARIETÀ MENDELIANA.
- Ogni gene è presente in un’UNICA COPIA. Si trova localizzato sempre in un sito particolare detto LOCUS GENICO (su uno specifico cromosoma).
- Contengono la MAGGIORE QUANTITÀ di informazione genetica.
- Sequenze di DNA che codificano le proteine, salvo gli istoni.
DNA ALTAMENTE RIPETITIVO
Localizzato in REGIONI CIRCOSCRITTE del genoma, all’interno delle quali le unità ripetitive sono:
- RIPETUTE un numero MOLTO elevato di volte;
- disposte l’una di seguito all’altra, cioè “in tandem”.
Queste regioni del genoma vengono chiamate RIPETIZIONI A SEQUENZA SEMPLICE (SSR, Single Sequence Repeats):
• DNA satellite
- Elevata lunghezza dei raggruppamenti (“cluster”) di ripetizioni (milioni di bp)
- Situato nelle regioni centromeriche: durante il ciclo cellulare offre siti di attacco per strutture che divideranno i cromatidi fratelli portandoli a poli opposti.
• DNA minisatellite
- Sequenze telomeriche: preservano la vita di una cellula controllando il nr di duplicazioni del materiale.
• DNA microsatellite
- Disperse nei cromosomi.
DNA RIPETITIVO
DNA RIPETITIVO
Risultante dalla ripetizione di sequenze circoscritte di DNA denominate UNITÀ RIPETITIVE.
Sulla base della ripetitività un genoma eucariotico può essere suddiviso in:
• DNA unico o non ripetitivo
• DNA moderatamente ripetitivo:
a) codificante:
- Geni per gli RNA di trasferimento (tRNA)
- Geni per gli RNA ribosomiali (rRNA)
- Geni per gli istoni
- Copie di geni presenti sotto forma di copie multiple: CLUSTER DI GENI (generate per duplicazione genica)
b) non codificante:
- SINE (short interspersed elements) < 500 bp
- LINE (long interspersed elements) > 1000 bp
- Elementi LTR (Long Terminal Repeat)
• DNA altamente ripetitivo
DNA MODERATAMENTE RIPETITIVO
Le SEQUENZE ripetute sono disperse nel genoma, ovvero “INTERSPERSE”.
Questo DNA è costituito da elementi trasponibili che hanno la proprietà di migrare da un sito all’altro del genoma attraverso un meccanismo enzimatico:
• Elementi trasponibili a DNA (trasposoni):
- Processo di migrazione all’interno del genoma viene denominato TRASPOSIZIONE.
- Avviene ad opera della TRASPOSASI, proteina codificata da un gene contenuto nei trasposoni.
* guardare slide 52, Bruni
• Elementi trasponibili a RNA (retrotrasposoni):
- Processo di migrazione all’interno del genoma viene denominata RETROTRASPOSIZIONE.
- Retrotrasposoni sono sequenze di DNA che si copiano in un intermedio ad RNA.
- Questo elemento è trasponibile, si sposta in una nuova posizione del genoma ma ne rimane sempre una copia nella posizione originaria.
- L’intermedio ad RNA, successivamente, reverte in DNA (attraverso la trascrittasi inversa) integrandosi in una nuova posizione all’interno del genoma.
Questo meccanismo permette ai trasposoni di:
- incrementare notevolmente + rapidamente la presenza delle loro copie all’interno del genoma,
- aumentando conseguentemente anche la grandezza del genoma stesso.
N.B. Come altri tipi di elementi trasponibili, i retrotrasposoni possono indurre mutazioni inserendosi casualmente all’interno di geni funzionali, alterandone o, in alcuni casi, impedendone l’espressione.
