Genetica

GENETICA

La genetica studia diversi aspetti: 1 Genetica formale/mendeliana → meccanismi che spiegano in

che modo i caratteri vengono trasmessi dai genitori alla progenie - meccanismo di ereditarietà

2 Genetica molecolare che si occupa di studiare il materiale genetico (materiale in cui l’info genetica

è contenuta): struttura, modalità con cui l’info presente nel DNA viene letta e usata per costruire

l’organismo - natura del materiale genetico e le modalità con cui i geni controllano le funzioni

dell’organismo

3 Genetica della popolazione che si occupa di capire come i geni si distribuiscono nella

popolazione (colore degli occhi e capelli diversi) e il comportamento dei geni nelle popolazioni

4 Genetica applicata: usa le scoperte nel campo della genetica per applicazioni nella biologia e nella

medicina: ad esempio nella genetica forense per l’identificazione personale/test di paternità - nella

ricerca.

TAPPE STORICHE DELLA RICERCA GENETICA

1865: Le leggi dell'ereditarietà (Gregor MENDEL)

Gregor Mendel, prete tedesco, viveva in un monastero della Reppubblica Ceca e ha iniziato a

giocare con le piante di piselli ed è arrivato a formare dei postulati: i caratteri fenotipici (i caratteri di

queste piante) venivano trasmessi dai “genitori” alla progenie in maniera prevedibile e questi

caratteri che venivano ereditati, sono controllati da “unità discrete di eredità” (geni). I geni esistono

in ciascuno di noi in coppia → e quando si formano i gameti, le due cellule si separano.

Le leggi di Mendel furono riconosciute come le basi per la trasmissione dei caratteri ereditari solo

nel 900.

fenotipo è ciò che osserviamo

genotipo ciò che si eredita

1869: Individuazione del DNA (Johann Friedrich MIESCHER)

Anni ‘60 si ha l’osservazione della molecola che contiene il materiale genetico DNA.

All'interno delle cellule è presente una sostanza, NUCLEINA, ricca di fosforo, fortemente acida,

ribattezzata poi ACIDO NUCLEICO. Grandi quantità di questa sostanza furono trovate all'interno dei

nuclei degli spermatozoi: l'acido nucleico potrebbe essere strettamente legato all'ereditarietà.

1902: Il materiale ereditario è rappresentato dai cromosomi (Theodor BOVERI e Walter SUTTON)

Vengono confermati gli esperimenti di Mendel grazie a due studiosi che usano come modelli dei ricci

di mare → si è potuto comprendere che il materiale genetico è organizzato sui cromosomi i quali

rimangono integri come unità organizzate durante tutto il ciclo cellulare e anche durante la

divisione + sia spermi che oociti contribuiscono con lo stesso numero di cromosomi.

Da qui deriva la teoria cromosomica dell’eredità: durante la formazione dei gameti, le cellule

materne contribuiscono in ugual misura a quelle maschili alla formazione dell’individuo →

l’associazione dei cromosomi paterni e materni in coppia e la successiva separazione durante la

formazione dei gameti costituisce la base fisica dell’eredità 1

1911: I geni sono localizzati sui cromosomi (Thomas Hunt MORGAN e Alfred STURTEVANT)

I geni sono arrangiati in maniera lineare sui cromosomi: ogni cromosoma contiene quindi più geni +

determinazione della distanza tra i geni e la definizione del grado di associazione dei caratteri: si

comprese che alcuni caratteri si ereditano sempre perchè i geni sono molto vicini tra loro.

1927: Primi esperimenti di mutagenesi (Hermann MULLER)

Si hanno i primi esperimenti di mutagenesi, fondamentale perché uno dei modi più efficaci per

studiare i geni è proprio quello di andare a danneggiarlo per vederne gli effetti → alcune mutazioni si

dimostrarono letali mentre altre si manifestavano nella progenie. Le mutazioni interessano i

cromosomi, avvenivano all’interno dei geni, rendendoli non operativi o alterandone le funzioni.

Nel 1946 riceve il premio Nobel per la Fisiologia e la Medicina.

1941: UN GENE – UN ENZIMA (George BEADLE e Edward TATUM)

Teoria “un gene, un enzima". Lavorarono su Neurospora crassa (muffa arancione) e ha permesso di

studiare ciò che succede durante la meiosi. Hanno mutagenizzato la neurospora: volevano

individuare i geni che potevano sintetizzare le proteine → funzione dei geni: dirigono la sintesi /

producono gli enzimi che sono poi necessari per i vari processi metabolici.

1944: I geni sono costituiti da DNA (Oswald T. AVERY, Maclyn McCARTY e Colin MacLEOD)

La nucleina scoperta da Mischer è la molecola che contiene i geni.

I geni sono costituiti da DNA che è il “principio trasformante” (ciò che viene ereditato), responsabile di

caratteristiche metaboliche specifiche.

1953: James WATSON e Francis CRICK

Ci furono varie scoperte che hanno portato questi due studiosi a individuare la struttura del DNA a

doppia elica, formata dalle basi azotate appaiate a coppie. Questa struttura spiega tutte le

caratteristiche del dna: quella sostanza che porta l’info genetica e che poi viene duplicata e replicata

in maniera fedele.

Il gene è quindi quell’unità che contiene l’info genetica → è una porzione di DNA che serve per la

sintesi proteica.

Anni dopo si è arrivati a capire COME

l’info genetica venisse letta e come i geni fossero

regolati.

1961: L'operone Lac (François JACOB e Jacques MONOD)

Dallo studio di alcuni batteri, è stato possibile individuare l’operone: unità genetica integrata, ovvero

gruppo di geni che vengono attivati e disattivati coordinatamente → quando arriva un particolare

segnale, veniva attivato un’insieme di geni.

Successivamente negli anni 1970, viene scoperto il prima enzima di restrizione sito-specifico: enzimi

in grado di tagliare il DNA a livello di sequenze specifiche + questi enzimi vengono naturalmente

prodotti dai batteri che sono in grado di degradare il DNA del virus, impedendo così ad esso di

duplicarsi e espandersi nel corpo. Era del DNA ricombinante: si può tagliare e “ricucire” in maniera

specifica il DNA.

1977: Sequenziamento rapido del DNA (Walter GILBERT e Frederick SANGER)

DNA è l’info genetico ed è contenuta nei geni ma non si capì ancora come si poteva leggere queste

info. Vengono scoperte modalità per sequenziare il DNA. 2

Fine anni ‘80 si ha l’era genomica: si possono sequenziare interi genomi grazie alla tecnologia del

DNA ricombinante.

Per sequenziare il DNA devo avere dei frammenti del DNA che vengono mantenuti nelle “librerie

genomiche”: collezioni di cloni che contengono un intero genoma → grazie alla ricombinazione io

posso tagliare il dna in frammenti, inserire quest’ultimi in cellule batteriche (cloni) che li mantengono

stabili e che li copia → da qui posso avere un intero genoma racchiuso in questi cloni.

All’inizio la ricerca genetica si effettua su organismi modelli come topi, pesci, batteri, i quali hanno

alcune caratteristiche: facile da allevare, piccole dimensioni, sviluppo rapido per vedere presto i

risultati → progenie abbondante, disponibilità di tecniche di manipolazione genetica e trattabilità

sperimentale, disponibilità di avere informazioni su quel genoma.

Dei geni umani: - l’80% è condiviso con il topo e il 96% è in comune con gli scimpanzé - il 50% è

presente anche in Drosophila - il 40% è presente anche in C. elegans - il 30% è presente anche in S.

cerevisiae. Circa 100 geni umani sono condivisi con i batteri: ogni individuo presenta 20/23.000 geni.

2005-2011: Il sistema CRISPR/Cas9 (Francisco MOJICA, Emmanuelle CHARPENTIER & Jennifer

DOUDNA)

Era del “genome editing”: possibilità di andare a modificare a livello del DNA, di un singolo

nucleotide (e non più gene) → sistema CRISP/Cas9: una piccola molecola di RNA complessata con

questo complesso enzimatico, riconosce una base specifica del DNA e di tagliare a quel livello.

IL MATERIALE GENETICO (dna)

Il materiale genetico che contiene l’informazione genetica è il DNA: essa è la molecola responsabile

di contenere il materiale genetico → ciò è stato scoperto tramite alcuni esperimenti.

Il materiale genetico è una molecola che soddisfa alcuni requisiti:

● contenere informazione genetica in modo stabile (= preservarla da eventuali danni) →

questa informazione genetica serve per la struttura, la funzione, lo sviluppo e la riproduzione

di un organismo

● Garantire l’ “espressione” dell’ informazione immagazzinata: ci devono essere dei

meccanismi che possano esprimere l’info contenuta nel DNA

● Questo materiale deve anche essere replicato in modo accurato perché la progenie

cellulare abbia la stessa informazione genetica della cellula progenitrice

● Essere capace di andare incontro a variabilità tramite “mutazione”/variabilità perchè la

variabilità genetica è essenziale per garantire l'evoluzione non essere una entità sempre

stabile

Il DNA ha come unità base il NUCLEOTIDE che

ha 3 componenti base:

zucchero pentoso perchè ha 5 atomi di carbonio

(centrale): desossiribosio → ad esso è legato un gruppo 3

fosfato e una delle quattro basi azotate: purine (adenina e guanina) o pirimidine (timina e citosina)

Il nucleotide dell’ RNA è invece formato da un gruppo fosfato, dallo zucchero pentoso ribosio e da

una base azotata: purine (adenina e guanina) o pirimidine (uracile e citosina)

I nucleotidi hanno un sistema di numerazione convenzionale:

● gli atomi di carbonio (dello zucchero)

vengono numerati dal 1’ al 5’

● la base azotata è legata al 1’ atomo di

carbonio

● il gruppo fosfato è legato in posizione 5

● mentre in posizione 3’ dello zucchero c’è il gruppo OH

→ gruppo ossidrile

Formazione di un polinucleotide

Importante che ci sia questo sistema di numerazione convenzionale perché serve nella formazione

dei legami tra i nucleotidi: legame fosfodiesterico perché il gruppo fosfato lega 2 zuccheri.

● i nucleotidi sono legati covalentemente

● il legame tra nucleotidi coinvolge il gruppo fosfato del nucleotide in questione e il gruppo

ossidrile OH (in posizione 5’) dello zucchero/nucleotide precedente

● mentre il legame idrogeno è quello che unisce

le basi azotate, le quali sono perpendicolari

rispetto allo scheletro formato dai fosfati e dagli zuccheri

● la direzione con cui avviene l’aggiunta dei nucleotidi è

5’ → verso 3’ perchè il primo nucleotide avrà sempre

il gruppo fosfato al 5’ (sopra) libero mentre l’ultimo ha

l’OH 3’ libero

● il polinucleotide rappresentato di fianco è rappresentato

da 4 nucleotidi (con le rispettive 4 basi azotate) che si

indica come 5’ - TACG - 3’

Modello della doppia elica (modello scoperto da Watson e Crick, 1953)

Il DNA è formato da una doppia elica: scala a pioli in cui le due ante della scala sono gruppi fosfati +

zuccheri, mentre i pioli sono formati da legami a idrogeno che uniscono le basi azotate che sono

perpendicolare allo scheletro e proiettate all'interno

● le due eliche del DNA sono antiparallele: un’elica

va in direzione 5’ → 3’, mentre l’altra all’inverso.

Lo scheletro zucchero - fosfato è all’esterno

mentre all’interno ci sono le basi azotate

● Le due eliche si mantengono unite grazie ai

legami idrogeno che si formano

tra le basi azotate: A con T (2 legami

idrogeno) G con C ( 3 legami idrogeno)

● ci sono 10 paia di basi per giro

● i due filamenti di DNA sono complementari

: 5’ – GCGGATTT – 3’ / 3’ – CGCCTAAA – 5’ 4

● i due filamenti di DNA sono anti paralleli

L’avvolgimento dell’elica avviene in modo tale che si formino dei solchi, ad ogni giro: solco maggiore

è quello più importante perchè è dove si legano le proteine + solco minore

Livelli di struttura del DNA

1. i nucleotidi (zucchero + fosfato + base) sono le unità costituenti il DNA

2. i nucleotidi poi si uniscono e formano un filamento di DNA

3. due filamenti dormano la doppia elica

4. nelle cellule vive il DNA non si trova libera ma è associato a con una serie di proteine (istoni)

per formare i cromosomi

5. un genoma è l’intero materiale genetico di un indviduo (→ il gene invece è un porzione di

DNA che contiene una determinata info per la sintesi delle proteine)

REPLICAZIONE/DUPLICAZIONE DEL DNA

= da una molecola di DNA se ne formano due identiche

La struttura stessa del DNA suggerisce come avviene la

sua trasmissione da una generazione all’altra.

La complementarietà dei due filamenti permette che ogni filamento funga da stampo per la sintesi

del suo filamento complementare → e ciò avviene anche grazie alla complementarità che c’è tra le

basi azotate. I due filamenti tenuti insieme dai legami a idrogeno (basi azotate), si aprono e subentra

un complesso enzimatico che usa ciascuno dei due filamenti come rispettivi stampi per sintetizzare il

suo complementare.

Modalità di replicazione

1.conservativa: i filamenti

neoformati si uniscono tra loro e i

filamenti parentali si riassociano. I due filamenti

parentali si dividono e ognuno funge da stampo

per i neofilamenti: una volta avvenuta la sintesi,

i due filamenti parentali si RIuniscono (prima

molecola) e i due filamenti neoformati formano una seconda molecola.

2.semiconservativa: ciascuna delle due molecole di nuova formazione (di DNA replicato)

è formata da un filamento vecchio (parentale) e uno “nuovo”.

3.dispersiva: ciascuna delle molecole contiene PORZIONI di filamenti nuovi e PORZIONI di quelli

vecchi → i due filamenti parentali vengono “dispersi” nelle due nuove doppie eliche/nelle nuove due

molecole. Ognuno dei 4 filmanti contiene sia vecchio che nuovo DNA.

Avviene la semi conservativa e è stato provato da una serie di esperimenti da Meselson e STahl:

hanno usato il fosforo 32 per marcare il DNA e per capire come avvenisse la replicazione → per

arrivare alla conclusione che la molecola originaria veniva aperta, ciascuno dei due filamenti originari

si comporta come stampo e le due nuove molecole sono formate da uno originario e dall’altro

filamento nuovo. 5

Enzimi e fattori coinvolti nella replicazione

Sono coinvolti una serie di enzimi e fattori che partecipano al meccanismo di replicazione a diversi

livelli:

● Elicasi che destabilizzano la doppia elica e la aprono per permettere la fase di “stampo” → la

molecola si deve quindi srotolare

● SSB (single-strand binding) proteins: stabilizzano la conformazione aperta

● DNA Topoisomerasi: se io ho un nastro avvolto, se lo snodo da una parte → all’altra

estremità si annoda in modo ancora più stretto → importante che questi superavvolgimenti

creati dallo srotolamento vengano rilassati.

● Primasi: innescano la sintesi → i primi nucleotidi che vengono incorporati sono di RNA e poi

vengono eliminati

● Dna polimerasi: enzima che polimerizza = unisce più nucleotidi per formare polinucleotidi e

quindi aggiunge più nucleotidi alla catena nuova → avviene la copiatura dello filamento

stampo

● DNA ligasi: unisce frammenti sintetizzati in modo discontinuo (frammenti formati da due punti

di origine diversi che poi si uniscono grazie a dna ligasi)

COME avviene la duplicazione del DNA

PROCARIOTI

Il DNA è una molecola molto lunga e la replicazione avviene in più punti specifici chiamati punti di

origine della replicazione: negli eucarioti la replicazione avviene in più siti/punti di origine,

contemporanemente - mentre nei procarioti (es. batteri) c’è solo un punto di origine.

1) replicazione sulla doppia elica. In questi punti di origine il DNA viene snodato/aperto dalle elicasi

e si forma la bolla di duplicazione (che poi verrà risolta) → la duplicazione ha origine: all’inizio si ha

una bollicina e poi si estende sempre di più fino a che due bolle adiacenti non si incontrano e i

filamenti di nuova sintesi vengono cuciti dal DNA ligasi.

2) L’inizio della sintesi richiede un innesco a RNA. Viene inizialmente sintetizzato un breve

frammento a RNA complementare, ad opera della primasi (enzima)→ questa regione viene poi

eliminata e sostituita dai nucleotidi di DNA.

3) Filamenti (che fungono da stampo) antiparalleli vengono sintetizzati in maniera continua e

discontinua questo a causa del fatto che la sintesi della molecola deve avvenire sempre in direzione

5’ e 3’ solamente. I frammenti discontinui (frammenti di Okazaki) vengono riuniti da una LIGASI. 6

Questa modalità di replicazione è valida per i procarioti e gli eucarioti, con vari livelli di complessità.

Negli eucarioti la replicazione avviene in più punti contemporaneamente, mentre nei procarioti

(batteri) parte da un unico sito specifico.

Negli eucarioti quindi:

● la complessità aumenta perché aumenta il numero di fattori coinvolti (ci sono VARI DNA

polimerasi) → quantità maggiore

● i cromosomi sono lineari e non circolari come quelli dei batteri e quindi ci sarà il problema

delle estremità

● Nei batteri la molecola è libera mentre negli eucarioti il DNA è complessato ad istoni: queste

proteine sono importanti

● ci sono origini multiple di replicazione, necessarie per completare la replicazione in tempi

ragionevoli: alcune bolle sono più piccole di altre → quindi la replicazione non avviene in

maniera sincrona da tutte le parti. Queste origini multiple sono state scoperte nel lievito.

EUCARIOTI

BATTERI escherichia coli: DNA formato da una unica molecola circolare piccola di 4,6 milioni di bp

e la replicazione ha origina dal punto oriC che permette l’ingresso e l’as