Riassunto esame Genetica, Prof. Fabbrini Marco, libro consigliato Alberts , Alberts - Johnson - Lewis - Morgan - Raff - Roberts - Walter - Pagano

Genetica – Alberts capitoli 4-5-6-7 Santagostini Bietti Silvia

Università San Raffaele/ 2022-2023

Capitolo 4

Dna cromosomi e genomi

• Geni = gli elementi che contengono informazioni che determinano le caratteristiche di una specie nel suo insieme
• Cromosomi = strutture filamentose presenti nel nucleo di una cellula eucariotica che diventano visibili quando la cellula inizia a dividersi

DNA composto da 4 subunità con 2 eliche antiparallele legate insieme da legami idrogeno.

à è composto da una polarità che viene indicata con estremità 3’ e 5’

A = T G ≡ C permette alle coppie di basi di compattarsi nel modo più favorevole à

In che modo l’informazione che specifica un organismo può essere portata in forma chimica?

DNA è un polimero lineare di 4 diversi tipi di monomeri allineati in una sequenza definita

In che modo l’informazione viene duplicata e copiata negli eredi?

Ogni filamento di DNA contiene una sequenza di nucleotidi che è esattamente complementare alla sequenza nucleotidica del suo filamento partner, ogni filamento può agire da stampo per la sintesi di un nuovo filamento à complementare.

Genoma = serie completa delle informazioni 21.000 geni che codificano per proteine à

Il DNA nucleare degli eucarioti è diviso in cromosomi = DNA associato a proteine che ne permettono il superavvolgimento cromatina à

Ciascun gene è associato alle sequenze regolatrici di DNA = responsabili del fatto che un gene sia accesso o spento al momento giusto

Sequenze specializzate

• Origine di replicazione
• Centromero = permette a una copia di ciascun cromosoma duplicato e condensato di essere tirata in ciascuna cellula figlia quando la cellula si divide. Un complesso proteico chiamato cinetocore si forma sul centromero e attacca i cromosomi duplicati al fuso mitotico permettendone la separazione
• Telomeri = proteggono l’estremità della cellula come una molecola di DNA spezzato che ha bisogno di essere riparata

Nucleosomi

Le proteine che si legano al DNA per formare i cromosomi eucariotici sono

• Istoni creano il nucleosoma. L’ottamero di istoni forma un nucleo proteico intorno al quale è avvolto il DNA à a doppio filamento. Tra un istone e un altro c’è il DNA linker. Il DNA si avvolge per 1,7 giri in avvolgimento sinistrorso.
• H2A
• H2B
• H3
• H4
• Composti principalmente da lisina o arginina (basici e positivi per annullare carica DNA).

Il percorso del DNA attorno al nucleo non è rettilineo, le curve richiedono una compressione del solco à minore dell’elica. 1

Ciascun istone del nucleo ha una lunga coda amminoacidica N-terminale che si estende fuori dal nucleo à soggette a modificazioni covalenti

Gli istoni sono le proteine istoniche più conservate

• Proteine cromosomiche non istoniche

Esperimenti han mostrato che il DNA di un nucleosoma isolato si svolge a partire da ciascuna estremità circa 4 volte al secondo, rimanendo esposto per 10-50 millisecondi prima che la struttura si richiuda DNA di un nucleosoma isolato à è disponibile per il legame con altre proteine.

Complessi di rimodellamento della cromatina dipendenti da ATP. La subunità dei complessi si à lega sia al nucleo proteico sia al DNA a doppio filamento avvolto attorno.

Si può catalizzare lo scorrimento dei nucleosomi tirando il nucleo del nucleosoma lungo la doppia elica del DNA à rendendolo disponibile ad altre proteine.

La posizione dei nucleosomi lungo il tratto di DNA dipendono dalla presenza e dalla natura di altre proteine legate al DNA a causa della presenza di complessi di rimodellamento dipendenti da ATP, la disposizione dei nucleosomi sul à DNA può essere dinamica

I nucleosomi sono compattati l’uno sull’altro generando schiere regolari in cui il DNA è ancora più condensato

I collegamenti nucleosoma-nucleosoma formati dalle code degli istoni costituiscono un fattore importante ↳ nella super-condensazione.

Istone H1 istone linker più grande dei singoli istoni. Si lega a ciascun nucleosoma entrando in contatto sia à col DNA che con le proteine e cambiando il percorso del DNA quando esce dal nucleosoma.

Struttura e funzione della cromatina

Eredità epigenetica = la memoria cellulare si basa sulla struttura ereditata della cromatina e non su un cambiamento delle sequenza del DNA. Gli istoni quindi hanno un effetto sull’espressione genetica à

• Eterocromatina altamente condensata soprattutto nei centromeri e telomeri. à

Un segmento cromosomatico può essere trasportato nelle vicinanze di un tratto di eterocromatina per mezzo di una rottura e riunione del cromosoma silenziamento dei geni effetto di posizione = riflette una à à diffusione dello stato eterocromatico nella regione originariamente eucromatica

• Eucromatina

Modificazione istoni

Nonostante l'assemblaggio uniforme del DNA cromosomi con i nucleosomi, negli organismi coreutici è possibile una grande varietà di strutture diverse dalla cromatina. Questa varietà si basa su un'ampia serie di modificazioni covalenti reversibili dei quattro istoni del nucleo del nucleosoma. Queste pianificazioni comprendono mono-, di- e tri-metilazione di molte catene laterali di lisine diverse, una reazione importante che è incompatibile con l'acetilazione delle stesse lisine. Combinazioni specifiche delle modificazioni marcano molti nucleosomi, governando così la loro interazione con altre proteine.

Queste marcature vengono lette quando moduli proteici che fanno parte di un complesso proteico più grande si legano hai nucleosomi modificati in una regione di cromatina.

Queste proteine che leggono il codice attraggono quindi ulteriori proteine che svolgono funzioni diverse.

Alcuni complessi di proteine ti leggono il codice contengono un enzima che modifica gli istoni, come un istone metilasi che descrive lo stesso segno recepito dal lettore del codice.

Un complesso di lettura-scrittura-rimodellamento di questo tipo può diffondere una forma specifica di cromatina a grandi distanze lungo un cromosoma.

In particolare, si pensa che i grandi regioni dietro cromatina condensata si formano in questo modo.

L'eterocromatina si trova comunemente intorno ai centromeri e vicino ai telomeri, ma è presente anche in molte altre posizioni sui cromosomi. Lo stretto compattamento della linea in eterocromatina di solito silenzia i geni al suo interno.

Il fenomeno della variegatura da effetto di posizione fornisce una buona prova dell'ereditarietà dirette di forme 2 condensate di cromatina da una generazione cellulare all'altra.

Sembra che un meccanismo simile sia responsabile del mantenimento della cromatina specializzata dei centromeri. Più in generale la capacità di trasmettere strutture specifiche di cromatina da una generazione cellulare alla successiva fornisci le basi di un processo di memoria cellulare epigenetico che probabilmente cruciale per il mantenimento della complessa serie di diversi stati cellulari richieste dagli organismi pluricellulari complessi.

Struttura globale dei cromosomi

I cromosomi sono generalmente decondensati durante l’interfase, cosicché i dettagli della loro struttura sono difficili da visualizzare direttamente. Eccezioni notevoli sono i cromosomi specializzati a spazzola degli oociti dei vertebrati e i cromosomi politenici delle cellule secretorie giganti degli insetti.

Studi su questi due tipi di cromosomi interfasici suggeriscono che ciascuna lunga molecola di DNA in un cromosoma si è divisa in un gran numero di domini distinti organizzati in ansie di cromatina che sono state compattate da un'ulteriore ripiegamento. Quando i geni contenuti in un'ansa sono espressi, l'ansia si condensa e permette al macchinario della cellula un facile accesso al DNA.

I cromosomi interfasici occupano un territorio distinti nel nucleo della cellula; cioè non si intrecciano estesamente.

L’eucromatina compone la maggior parte dei cromosomi interfasici e, quando non è trascritta, probabilmente sotto forma di fibre strettamente ripiegate di nucleosomi compattati. Tuttavia l’eucromatina è interrotta la tratti di eterocromatina in cui i nucleosomi sono soggette a ulteriori livelli di compattamento che di solito la rendono resistente all'espressione genica.

Eterocromatina esiste in diverse forme, alcune delle quali sono presenti in grandi blocchi dentro e intorno ai centromeri vicino ai telomeri, ma è presente anche in altre posizioni sui cromosomi, dove serve a regolare i geni importanti per lo sviluppo.

L'interno del nucleo è altamente dinamico, con l’eterocromatina spesso posizionata vicino all'involucro nucleare e ansie di cromatina che si spostano dal territorio del loro cromosoma quando i geni sono espressi a un livello molto alto. Ciò riflette l'esistenza di sotto compartimenti nucleari, in cui serie diverse di reazioni biochimiche sono facilitate da una maggiore concentrazione di proteine e RNA selezionati.

I componenti coinvolti nella formazione di un quinto possono assemblarsi in organelli distinti come i nucleoli o i corpi di Cajal e possono essere attaccati tramite guinzagli a strutture fisse come l'involucro nucleare.

Durante la mitosi l'espressione igienica si spegne e tutti i cromosomi adottano una conformazione altamente condensata in un processo che comincia all'inizio della fase M e che serve a compattare le due molecole di DNA di ciascun cromosoma replicato in due cromatidi e ripiegati separatamente. Il processo di condensazione accompagnato da modificazioni degli istoni che facilitano il compattamento della cromatina.

Tuttavia il completamento soddisfacente di questo processo ordinario, che riduce la lunghezza di ciascuna molecola di DNA rispetto alla lunghezza interfasica di un'ulteriore fattore dieci, richiede azioni di proteine aggiuntive.

Il modo in cui evolvono i genomi

I confronti delle sequenze nucleotidiche dei genomi odierni hanno rivoluzionato la nostra conoscenza dell'evoluzione dei geni e dei genomi. A causa della fedeltà estremamente alta della replicazione del DNA e dei processi di riparazione del DNA, errori casuali nel mantenimento delle sequenze nucleotidiche avvengono così raramente che soltanto nucleotide su 1000 è alterato ogni un milione di anni in ogni particolare linea di discendenza eucariotica.

Non è perciò sorprendente che un confronto fra i cromosomi umani e quelli degli scimpanzé riveli pochissimi cambiamenti.

Non soltanto i nostri geni sono essenzialmente gli stessi, ma il loro ordine e su ciascun cromosoma è identico. Sebbene nel corso di questi sei milioni di anni sia avvenuto un numero sostanziale di duplicazione di elezioni segmentali, persino le posizioni degli elementi trasponibili che costituiscono una posizione principale del nostro DNA non codificante sono in gran parte invariate. 3

Quando si confrontano i genomi di due organismi correlati in modo più distante si trovano molti più cambiamenti. Oggi si possono vedere chiaramente gli effetti della selezione naturale - tramite la selezione purificatrice - sia in regioni regolatrici che in sequenze codificanti (esoni) - sono stata altamente conservate.

Le sequenze non essenziali sono state invece alterate al punto tale che spesso non è possibile riscontrare alcuna similarità fra famiglie. A causa della selezione purificatrici il confronto delle sequenze genomiche di molte specie correlate è un modo particolarmente efficace di trovare sequenze di DNA con funzioni importanti.

Sebbene soltanto il 5% del genoma umano sia stato conservato come risultato dalla soluzione purificatrice, la funzione della maggioranza di questo DNA resta misteriosa.

Altri confronti di sequenza si mostrano che gran parte della complessità genetica degli organismi odierni è dovuta all'espansione di famiglie geniche antiche. La duplicazione del DNA seguita da divergenza della sequenza è stata chiaramente una fonte principale di novità genetica durante l'evoluzione. I genomi di due esseri umani qualunque differiscono fra loro sia a causa di sostituzioni nucleotidiche (polimorfismi a singolo nucleotide, SNP punti nella à sequenza del genoma in cui una grande frazione della popolazione umana ha un nucleotide) sia a causa di guadagni e di perdite di DNA ereditati che provocano varianti del numero di copie (CNV).

Capitolo 5

Replicazione, riparazione e ricombinazione del DNA

In tutte le cellule le sequenze di DNA vengono mantenute e replicate on alta fedeltà. La frequenza di mutazione è all’incirca la stessa per organismi così diversi come batteri ed esseri umani.

A causa di questa accuratezza, la sequenza del genoma umano non cambia o cambia soltanto i pochi nucleotidi ogni volta che una cellula umana si divide. Ciò permette la maggior parte degli esseri umani di trasmettere istruzioni genetiche accurate da una generazione a quella successiva e anche di evitare i cambiamenti nelle cellule somatiche che portano al cancro.

• Appaiamento delle basi

DNA come stampo la elica si apre, richiede il riconoscimento di ogni nucleotide del DNA dei filamenti à stampo da parte di un nucleotide complementare libero

Il primo enzima che polimerizza i nucleotidi è la DNA polimerasi

• Forcella di replicazione del DNA (asimmetrica)

Nella forcella le DNA POL possono essere sintetizzate soltanto in 5’ 3’ à

Da 3’ à 5’ ci sono i frammenti di Okazaki

Struttura asimmetrica = il filamento leader è quello sintetizzato in modo continuo mentre quello ritardato in modo discontinuo (ed è più corto)

• Correzione bozze

Se la DNA Pol non entrasse in azione quando avviene un appaiamento sbagliato fra deossiribonucleoside trifosfato in arrivo e il DNA stampo, un nucleotide non corretto verrebbe spesso incorporato nella catena di DNA, producendo frequenti mutazioni.

• DNA Pol aggiunge nucleotidi. Se il nucleotide è corretto sarà facile da inserire per la sua alta affinità definita dalla stabilità energetica.
• Prima di inserire il nucleotide, la Pol deve subire un cambiamento conformazionale in cui si stringe attorno al sito attivo

Correzione di bozze esonucleolitica

• Le molecole di DNA con un nucleotide sbagliato all’estremità 3’-OH del filamento primer non sono efficaci come stampi perché la polimerasi non può estendere un filamento di questo tipo.
• Queste esonucleasi eliminano qualunque residuo non appaiato in corrispondenza del terminale del 4 primer, continuando finchè non sono stati rimossi abbastanza nucleotidi da rigenerare un terminale 3’-OH

DNA POL senza primer non iniziano à

RNA POL siccome non tramettono alla prole, sono capaci di sintetizzare senza Primer. à

• Replicazione 5’ à 3’ permette una correzione efficiente degli errori

Gli errori di polimerizzazione non potrebbero essere semplicemente idrolizzati perche l’estremità 5’ nuda così creata terminerebbe immediatamente la sintesi del DNA possibile solo se la base è stata aggiunta in 3’ à

Nel processo possono essere anche corretti dal processo “riparazione degli appaiamenti sbagliati (mismatch) diretta dal filamento.

• DNA primasi

Sul filamento ritardato, ogni volta che una DNA polimerasi completa un breve frammento di Okazaki, deve iniziare a sintetizzare un frammento completamente nuovo in un sito più a valle lungo il filamento stampo

DNA primasi = usa ribonucleosidi trifosfato per sintetizzare RNA primer sul filamento ritardato

Sintesi di un nuovo RNA primer da parte della DNA primasi

• La DNA polimerasi si aggiunge al nuovo RNA primer per iniziare un nuovo frammento di Okazaki
• La DNA polimerasi completa il frammento di DNA
• Il vecchio RNA primer viene rimosso e sostituito da DNA
• Le interruzioni sono sigillate dalla DNA ligasi che unisce il nuovo frammento di Okazaki alla catena in crescita

Si preferisce usare un RNA primer cancellabile un enzima che inizia catene nuove non può avere à una autocorrezione efficiente

• DNA elicasi

Quando incontrano una regione di doppia elica continuano a muoversi lungo il loro filamento, aprendo così l’elica.

Si muove da 5’ 3’ sul filamento stampo ritardato à

SSB (proteine che legano il DNA a singolo filamento) si legano cooperativamente con forza a filamenti esposti di DNA a singolo filamento senza coprire le basi che rimangono disponibili per lo stampo.

• Anello scorrevole trattiene una molecola in movimento di DNA POL sul DNA

La tendenza a dissociarsi rapidamente da una molecola di DNA permette a una molecola di DNA polimerasi che ha appena finito di sintetizzare un frammento sul filamento Okazaki ritardato di essere riciclata velocemente in modo da iniziare la sintesi del frammento di Okazaki successivo sullo stesso filamento.

Questa rapida dissociazione rende difficile produrre lunghi filamenti PINZA SCORREVOLE = tiene legata Pol al à DNA.

La pinza forma un anello intorno alla doppia elica del DNA. Un lato dell’anello si lega alla parte posteriore della DNA polimerasi e l'interno anello scorre liberalmente lungo il DNA man mano che la polimerasi si muove.

L'assemblaggio della pinza richiede idrolisi di ATP da parte di un complesso proteico speciale chiamato caricatore della pinza.

• Le proteine a livello di una forcella di replicazione cooperano per formare una macchina di replicazione

La maggior parte delle proteine è tenuta insieme in un grande complesso multi enzimatico ordinato che sintetizza rapidamente il DNA.

Il complesso di replicazione resta fermo rispetto all'ambiente immediatamente circostante.

Davanti alla forcella di replicazione la DNA elicasi apre l’elica del DNA

• Due molecole di DNA polimerasi sono in funzio