Riassunto esame Biologia, Prof. Frabetti Flavia, libro consigliato Biologia e Genetica - Manuale completo per il semestre filtro, Alessandro, Bucci, Fasano

Argomenti del file: cromosoma, tipi di geni e DNA extragenico

Unità 2 del Syllabus, capitolo 1 e 5 del libro

Organizzazione del cromosoma

Il cromosoma si forma dal compattamento della cromatina ed è completamente visibile

sulla piastra metafasica associato al suo omologo. L’unità fondamentale della cromatina è il

nucleosoma, composto da DNA arrotolato su una proteina detta istone. Gli istoni sono

3+

basici con carica positiva dovuta a NH che serve ad avere affinità con il DNA che ha carica

negativa. Gli istoni H2A, H2B, H3 e H4 sono quelli attorno cui si avvolge il filamento e si

associano in ottameri, mentre l’istone H1 serve a stabilizzare il legame tra il filamento e il

suo istone. Inoltre l’istone H1 serve a compattare i rocchetti per formare la fibra di 30nm

anche detta solenoide (elica irregolare a zig-zag). Il tratto di DNA tra un nucleosoma e

l’altro si chiama DNA linker.

La cromatina può essere distesa nelle zone dove il DNA è trascrizionalmente attivo e viene

eucromatina mentre nelle zone in cui è compattata si chiama eterocromatina e può

detta

trovarsi in una condizione permanente (eterocromatina costitutiva) o momentanea

(eterocromatina facoltativa).

Modifiche della cromatina

Per rendere il cromosoma accessibile o inaccessibile si modifica la compatibilità del DNA

con gli istoni:

-​ metilazione del DNA (eterocromatina) in posizione 5 è funzionale a legare MeCP2

-​ deacetilazione degli istoni (eterocromatina) la proteina MeCP2 lega il DNA e lo

evidenzia come sito da deacetilare

-​ acetilazione degli istoni (eucromatina) HAT si occupa di acetilare l’istone

Geni umani

Con il termine gene si intende convenzionalmente un’unità trascrizionale, è quindi inclusa

tutta la porzione di filamento che viene trascritta, anche se questa non viene tradotta. Nel

genoma umano ci sono diverse tipologie di sequenze geniche che codificano per percorsi

molto diversi fra loro e ci sono sequenze di basi che talvolta non sono nemmeno soggette a

trascrizione:

1.​ geni codificanti per proteine

2.​ geni per RNA non codificanti (ncRNA) funzionali

3.​ pseudogeni

4.​ sequenze ripetute

La famiglia genica è un insieme di geni con sequenze simili. I cluster di geni con sequenze

simili (geni che si trovano affiancati sul cromosoma) sono un’eccezione perché di solito i

geni della stessa famiglia sono interspersed. L’ipotesi è che i cluster di geni della stessa

famiglia siano dovuti ad errori di replicazione.

Pseudogeni

Gli pseudogeni sono copie non funzionali di geni umani che non vengono né trascritte né

tradotte. Per la loro somiglianza con altri geni attivi, si pensa che siano il risultato di un gene

che ha accumulato troppe mutazioni e si è inattivato. Ci sono 3 tipi di pseudogeni:

1.​ non processati copie di tratti genomici di geni funzionanti. Queste copie hanno

→

accumulato mutazioni e non sono più funzionali, contengono introni ed esoni mutati

2.​ processati (retropseudogeni) copie di trascritti maturi che si sono reintegrate nel

→

filamento. Possono essere anche vantaggiose e diventare retrogeni funzionali

3.​ unitari residui di geni che si trovano funzionali in altre specie ma non nell’uomo

→

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DNA extragenico

Sono sequenze di DNA che non fanno parte dei geni codificanti e si dividono principalmente

sequenze uniche non geniche (che probabilmente sono residui di elementi trasposonici

in sequenze ripetute.

che hanno accumulato troppe mutazioni) e

Sequenze ripetute

Le sequenze ripetute si dividono in sequenze ripetute in tandem (nelle regioni di

sequenze ripetute disperse (derivate da

cromatina costitutiva come i centromeri) e

trasposoni). Da notare che le sequenze interspersed sono classificate in base al trasposone

da cui derivano e se ne parla nel paragrafo successivo.

Le sequenze ripetute in tandem sono:

-​ DNA satellite lunghi blocchi di sequenze ripetute localizzate nei centromeri

→

-​ DNA minisatellite sequenze ripetute e localizzate nei telomeri (l’espansione di

→

una di queste sequenze sui telomeri causa la corea di Huntington)

-​ DNA microsatellite corte ripetizioni presenti in tutto il genoma

→

I trasposoni

Le sequenze trasposoniche (da cui derivano le sequenze ripetute disperse non coding) sono

autonome se codificano per enzimi in grado di mediare la trasposizione (come la

retrotrascrittasi), mentre non sono autonome se devono appoggiarsi ad enzimi codificati da

altre sequenze.

Trasposoni a DNA

Sono ormai molto rari e si basano sul taglia e cuci perché viene escissa una sequenza di

basi per essere reintegrata in un’altra zona.

Retrotrasposoni a RNA

Durante la trascrizione, una retrotrascrittasi riconverte un trascritto in cDNA e lo integra

in un’altra regione rispetto a quella d’origine. Ci sono tre tipi:

1.​ LINE sono i più diffusi trasposoni autonomi (abbiamo detto sopra che vuol dire

→

che codificano per gli enzimi che li trasportano)

2.​ SINE sono sequenze più corte e non autonome

→

3.​ con LTR sono antiche sequenze di retrovirus

→

2 di 2 Argomenti del file: replicazione, trascrizione, traduzione

Unità 3 del Syllabus, capitolo 4 e 5 del libro

Replicazione del DNA

La replicazione è un processo semiconservativo e inizia nei siti detti origine di replicazione.

Per far sì che ogni origine di replicazione presente sulla doppia elica sia usata una sola volta

per ogni ciclo cellulare, intervengono le proteine licensing factor:

1.​ i licensing factors legano l’origine di replicazione e così permettono alle proteine del

complesso di riconoscimento dell'origine (ORC) di legarsi

2.​ le elicasi che fanno parte del ORC usano ATP per rompere i legami a idrogeno che

uniscono i due filamenti e iniziano a srotolare la doppia elica

3.​ quando la replicazione è iniziata i licensing factors si staccano e sono espulsi, in

modo che l’origine di replicazione non possa essere riutilizzata

Man mano che l’elicasi srotola la doppia elica si formano le bolle di replicazione (una per

forcelle di replicazione.​

ogni elicasi) con ai lati le o

Per mantenere separati i due filamenti ci sono le single strand binding proteins (SSBP)

HDP che mantengono il DNA denaturato, mentre la topoisomerasi diminuisce la tensione

di srotolamento.​

Per aprire la doppia elica è necessario che gli istoni si dissocino momentaneamente grazie

a proteine chaperon che li allontanano e nonappena il filamento è sintetizzato ritornano,

mischiandosi agli istoni nuovi che nel frattempo sono stati sintetizzati.

4.​ l’elicasi recluta la DNA primasi che sintetizza un primer a RNA

5.​ negli eucarioti la polimerasi lega il primer per sintetizzare le prime basi, poi il

α

PCNA e il fattore di replicazione C (RF-C) tolgono il complesso primasi/polimerasi

6.​ PCNA e RF-C favoriscono l’attacco della polimerasi che è quella che replica tutto il

ε

resto del DNA

La replicazione del DNA eucariotico è semidiscontinua perché la polimerasi percorre il

leading

filamento solo in direzione 3’ 5’ e sintetizza solo in 5’ 3’ quindi ci sarà un

→ →

e un lagging strand lento su cui si formano i frammenti di Okazaki.

strand veloce

Terminata la replicazione i frammenti di Okazaki sono saldati dalla DNA ligasi.

Nei procarioti la DNA polimerasi III riesce a sintetizzare in maniera continua su entrambi i

filamenti perché crea un’ansa e replica in contemporanea.

L’allungamento dei telomeri

I telomeri sono le estremità del cromosoma e servono a proteggere il DNA, si tratta di

sequenze ripetute non codificanti. Ad ogni replicazione all’estremità 3’ rimane un buco

quando viene tolto il primer, ma la polimerasi non può coprire il buco perché avrebbe

telomerasi allunga la sequenza

bisogno di un altro primer per sintetizzare. Allora l’enzima

in modo che la polimerasi possa avere il suo primer. L’allungamento avviene perché la

telomerasi ha una subunità TERC ribonucleotidica che si appaia all’estremità e poi la

TERT sintetizza le basi.

componente

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Trascrizione del DNA

Possiamo definire gene l’unità trascrizionale che codifica per l’mRNA da cui nascerà la

monocistronici se l'mRNA che codificano porta l'informazione

proteina. I geni si definiscono policistronici se l'mRNA trasporta le istruzioni per

per una singola proteina, mentre sono

più proteine. Questo è un modo per organizzare i geni e si trova tipicamente negli eucarioti

(monocistronico) e nei procarioti (policistronico).

Il promotore è la sequenza sul filamento stampo in cui si lega la RNA polimerasi, spesso

aiutata da enzimi e altri fattori di trascrizione. Il promotore solitamente contiene ripetizioni di

appaiamenti T-A perché contengono solo 2 legami a idrogeno mentre gli appaiamenti C-G

ne hanno 3 e ci vuole più energia per romperli.

Tipi di RNA

Gli RNA coding che sono coinvolti nella sintesi proteica sono mRNA (RNA messaggero

fatto di codoni a tripletta che codificano per gli amminoacidi), rRNA (RNA ribosomiale che si

associa a proteine per formare le subunità dei ribosomi) e tRNA (RNA transfer che lega un

amminoacido specifico e il tratto di mRNA compatibile con l’anticodone).

RNA non codificanti per proteine coinvolti nella duplicazione del DNA, nel compattamento

della cromatina, nello splicing, nella maturazione dell’rRNA e nel “sorting” delle proteine:

-​ TERC (TElomerase RNA Component), coinvolto nella duplicazione del DNA

-​ Xist (X inactive-specific transcript), coinvolto nella formazione del corpo di Barr

-​ snRNA (small nuclear RNA), componenti degli SNURP, coinvolti nello splicing

-​ snoRNA (small nucleolar RNA), coinvolti nella maturazione dell’rRNA

-​ scRNA (small cytoplasmic RNA), componente di SRP, coinvolto nel “sorting” delle

proteine

Alcuni RNA non codificanti coinvolti nel controllo del­l’espressione genica:

-​ siRNA (small interfering RNA), piccolissimi RNA derivati da lunghe molecole di RNA

a doppio filamento che inibiscono la traduzione, promuovendo la degradazione

dell’mRNA

-​ miRNA (microRNA), piccolissimi RNA trascritti da geni specifici che inibiscono

l’apparato di traduzione in piante ed animali, ma assenti in lieviti e funghi.

Promuovono anche il decapping e la deadenilazione. Controllano l’espressione di 1/3

dei geni umani

-​ piRNA (PiwiRNA), piccolissimi RNA che sono generati da lunghi precursori a singolo

filamento. Agiscono grazie alla proteina Piwi e sono essenziali per lo sviluppo delle

cellule germinali

I long non coding RNA sono costituiti da un numero variabile di nucleotidi che va da 70 a

qualche migliaio, la cui attività è relativa alla regolazione dell’espressione genica. Più in

dettaglio, essi sono trascritti principalmente dalla RNA pol II e possono essere soggetti al

capping, alla poliadenilazione e allo splicing. In alcuni casi possono essere anche tradotti

assumendo anche il ruolo di coding RNA. Le loro azioni, come non-coding RNA (NR), di

regolazione dell’espressione genica sono:

1)​ Partecipano alla protein-protein interaction

2)​ legano fattori di trascrizione inibendoli (decoy role)

3)​ sono trascritti da un “sito enhancer” e agiscono come enhancers (eRNAs)

partecipando al “bending” del DNA.

Trascrizione nei procarioti

La RNA polimerasi procede in direzione 3’ 5’ come la DNA polimerasi. La polimerasi

→

della trascrizione batterica ha 6 subunità e si lega al promotore con la specifica subunità σ.

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I procarioti regolano l’espressione genica tramite il sistema degli operoni, ovvero complessi

di geni per la stessa via metabolica che vengono attivati insieme (geni policistronici).

All’inizio dell’operone c’è il promotore che può contenere la sequenza dell’operatore, in cui

si lega un repressore che impedisce alla polimerasi di trascrivere il gene. Gli operoni

reprimibili sono quelli anabolici (come l’operone trp del triptofano) e sono sempre trascritti a

meno che una molecola regolatrice leghi il repressore consentendogli di posizionarsi

sull’operatore. L’operone lac (catabolismo del lattosio) è invece inducibile. Quando è

assente il lattosio c’è il repressore è fisso sull’operatore, mentre se nella cellula c’è il

lattosio la molecola di lattosio stessa si lega al repressore cambiandone la conformazione e

liberando l’operatore. Un altro strumento di attivazione dell’operone inducibile lac è

cAMP/proteina CAP che si associano solo in assenza di glucosio (quindi

l’associazione

finchè il lattosio non è degradato e bisogna trascrivere altri enzimi).

Maturazione dell’RNA batterico All’estremità 3’ talvolta è aggiunta una coda di poli-a

per stabilizzare, mentre se l’estremità 5’ inizia con un’adenina è possibile che sia aggiunto

+

un NAD tramite capping. Gli eventi di maturazione non si verificano sempre perché appena

l’RNA viene trascritto entra subito nei ribosomi per la traduzione dal momento che non c’è il

nucleo.

Trascrizione negli eucarioti

Le RNA polimerasi che si occupano della trascrizione negli eucarioti (Ⅰ, e sono

Ⅱ Ⅲ)

formate da un core che polimerizza e da proteine chiamate fattori generali di trascrizione

(GTF). La DNA polimerasi trascrive gli mRNA. I promotori sul DNA possono contenere

Ⅱ

la TATA box, ovvero una sequenza di adenine e timine, ma esistono anche promotori

TATA-less, inoltre ci sono gli enhancer che sono

sequenze del DNA che legano delle proteine

regolatrici per aumentare l’efficienza della

trascrizione. La trascrizione inizia con:

1.​ TFⅡD riconosce la TATA box tramite la

TBP (TATA binding protein)

sua

2.​ al TFⅡD si attaccano TFⅡA e TFⅡB,

quest’ultimo lega un attivatore a monte

del promotore e crea una curva sul DNA

(bending)

3.​ si legano le subunità TFⅡE, TFⅡH,

TFⅡF e TFⅡJ e inizia la trascrizione

4.​ la trascrizione termina con l’aiuto dei

fattori di taglio

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Gli elementi regolatori in cis sono sequenze di DNA che controllano l'espressione di un

gene e possono trovarsi adiacenti al gene, al suo interno o a migliaia di paia di basi di

distanza. A differenza degli elementi in trans (che sono proteine), gli elementi in cis sono

parti della stessa sequenza di DNA e agiscono come siti di legame per i fattori di

trascrizione, i quali possono essere di tipo prossimale (come i promotori) o distale (come gli

enhancer o i silencer).

Maturazione dell’RNA eucariotico Per uscire dal nucleo e andare nel citoplasma, il

pre-mRNA di nuova sintesi deve subire alcuni rimaneggiamenti per essere più stabile:

capping, metilazione, poliadenilazione, splicing e editing. ​

Il capping-5’ consiste nell’ aggiunta di un GMP in 4’ al primo nucleotide dell’estremità 5’

dell’RNA e serve a proteggere l’estremità dalle ribonucleasi. Successivamente il cap5’

subisce metilazione per dare stabilità.​

poliadenilazione è l’aggiunta di una coda di adenine (poli-A) all’estremità 3’. La coda di

La

poliA serve alla stabilità, infatti quando viene degradata inizia la degradazione anche del

cap5’ e il filamento può associarsi al ribosoma.​

splicing serve per togliere gli introni dal trascritto e saldare gli esoni. A compiere lo

Lo

splicing è il complesso dello spliceosoma, che contiene snRNA associati a proteine Sm. Le

uridine del snRNA legano l’introne e ne avvicinano le estremità formando un’ansa che poi si

stacca. Da uno stesso pre-mRNA possono formarsi degli mRNA maturi diversi, perché

dipende da quali sequenze sono considerate introniche, questo meccanismo si chiama

splicing alternativo e consente di avere un trascritto maturo differente grazie alle proteine

fattori di splicing alternativo che accompagnano e guidano lo spliceosoma.​

è il sistema che cambia la sequenza di basi dell’RNA dopo la trascrizione. Si basa

L’editing

sulla formazione di un duplex gRNA-mRNA (dove g-RNA è l’RNA guida) per cui piccoli

RNA di origine intronica fanno da guida al filamento principale per cambiare le basi che non

risultano appaiate con la guida.

Traduzione dell’mRNA

La traduzione del messaggero in catena amminoacidica sfrutta due strutture, i tRNA e i

ribosomi, che a loro volta contengono rRNA. La traduzione avviene leggendo il filamento in

direzione 5’ 3’ (opposto alla polimerasi) e il legame amminoacidico tra i polipeptidi si

→

instaura in direzione NH COOH.

→

2

Ribosomi e tRNA

I ribosomi sono complessi ribonucleoproteici formati da una subunità maggiore e una

minore. Il ribosoma ospita il tRNA durante la traduzione e ha un ruolo fondamentale nella

formazione del legame peptidico. La subunità maggiore del ribosoma ha 3 siti chiamati A,

P e E. Il sito A è dove si attacca i tRNA, poi scorre nel sito P e poi è espulso tramite il sito E.

I tRNA hanno una forma a 4 braccia più il braccio variabile. In alto ci sono le due estremità

3’ e 5’ del filamento di RNA da cui è costituito, e servono a legare l’amminoacido specifico

grazie all’enzima amminoacil-tRNA- sintetasi. A destra c’è l’ansia TΨC (tipsici) che àncora

il tRNA al ribosoma, poi c’è il braccio variabile che mantiene costanti le dimensioni dei vari

braccio dell’ anticodone che contiene una tripletta complementare a

tRNA. In basso c’è il

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quella che codifica per l’amminoacido sull’mRNA. A sinistra c&rsquo