Flusso dell'Informazione Genetica

Flusso dell’informazione genetica

Il DNA contiene l’informazione genetica

• Griffith, 1928: esiste un “principio trasformante”, in grado di convertire ceppi innocui di Streptococcus pneumoniae in virulenti.
• Fino agli anni ’40 si pensava che le proteine fossero il materiale genetico!!!
• Avery, MacLeod & McCarty, 1944: il principio trasformante è identificato nella molecola di DNA.
• Hershey & Chase, ’50: il materiale ereditario, trasferito dai virus nei batteri infettati per produrre una nuova progenie fagica, è l’acido nucleico.
• Watson & Crick, 1953: proposta di un modello strutturale per il DNA coerente con la funzione di molecola depositaria dell’informazione genetica.

L’esperimento di Griffith sulla trasformazione genetica in pneumococco

Esiste un “principio trasformante”.

Il principio trasformante è il DNA.

Con esperimenti di frazionamento si dimostra che:

• La sola frazione di acidi nucleici può causare la trasformazione.
• Il trattamento con DNasi, ma non proteasi o RNasi, impedisce la trasformazione.

(Avery, MacLeod e McCarty, 1944)

La natura chimica del materiale genetico

L’esperimento di Alfred Hershey e Martha Chase dimostra che i fagi iniettano il loro DNA nei batteri.

Marcatura su proteine (S) o su DNA (P) nei fagi infettanti: la marcatura si ritrova nella progenie fagica solo in seguito a marcatura del DNA (e non delle proteine).

Marcatura proteine – supernatante.

Marcatura DNA – sedimento.

I virus “riprogrammano” le cellule ospiti per produrre nuovi virus, iniettando il proprio DNA dentro le cellule = materiale genetico.

DNA → Testa DNA

Coda

Fibre della coda

DNA e RNA sono polinucleotidi

DNA e RNA sono polinucleotidi: polimeri lineari di nucleotidi.

Basi purine (doppio anello: A, G).

Pirimidine (singolo anello: C, T, U).

Il DNA è un acido nucleico costituito da lunghe catene di deossiribonucleotidi.

Scheletro zucchero-fosfato.

Gruppo fosfato.

Base azotata A A Zucchero Base azotata.

Gruppo (A, G, C, o T) C C Nucleotide O fosfato del DNA H C H C³ C N O C C T T C H O O P H N O² Timina (T) – O O C H C H G G H H C C H O Zucchero (deossiribosio) T T Nucleotide del DNA.

Polinucleotide del DNA.

Il modello della doppia elica

Inizio anni ’50.

• Regole di Chargaff: A=T, C=G; somma purine (A+T)=somma pirimidine (G+C).
• Rosalind Franklin: quadri di diffrazione ai raggi X rivelano una struttura periodica.
• 1953: Watson e Crick propongono il modello della doppia elica.

Il modello del DNA di James Watson e Francis Crick

• 2 catene polinucleotidiche antiparallele si avvolgono su un’asse centrale con andamento destrorso.
• Basi azotate di filamenti opposti appaiate specificamente mediante legami idrogeno e formano strutture planari su piani perpendicolari all’asse.
• Alternanza di solchi maggiori e minori.
• Passo= 3.4 nm =10.4 coppie di basi.
• Diametro= 2.0 nm.

Conformazioni del DNA

DNA B: situazione fisiologica più diffusa.

DNA Z: (avvolgimento sinistrorso) in particolari regioni, probabile funzione regolativa (associata a metilazione delle citosine).

Il modello molecolare della doppia elica è coerente con la funzione di deposito dell’informazione genetica.

L’informazione genetica è rappresentata dalla sequenza di basi che è tradotta in sequenza di amminoacidi nelle proteine (codice genetico).

La complementarità specifica tra le basi è alla base dei processi di:

• Trasmissione (duplicazione).
• Trasferimento (trascrizione-traduzione).
• Evoluzione (ricombinazione) dell’informazione genetica.

Flusso dell’informazione genetica

3 macromolecole governano le funzioni vitali della cellula.

L’informazione viene trasferita da DNA ad altro DNA (duplicazione).

Dal DNA all’RNA (trascrizione).

Dall’RNA alle proteine (traduzione).

DNA → RNA → proteine.

Organizzazione dei genomi

GENE: segmento di DNA contenente una specifica informazione sottoforma di sequenza nucleotidica (es. informazione per la sintesi di polipeptide).

Genoma: insieme di geni.

Procarioti: genoma costituito da una sola molecola di DNA ds circolare.

Eucarioti: genoma formato da numerose molecole di DNA ds lineari (cromosomi).

Negli eucarioti la sequenza codificante del gene (l’informazione) è interrotta da segmenti privi di informazione.

Dimensione dei genomi

• Grande variabilità.
• Dimensione non sempre corrisponde alla complessità della specie.
• Virus – decine di migliaia di basi.
• Batteri – milioni di basi.
• Mammiferi – miliardi di basi.
• Piante – centinaia di miliardi di basi.

Numero di interazioni geniche.

Complessità.

Denaturazione e rinaturazione del DNA

La denaturazione del DNA consiste nella dissociazione delle 2 eliche (la denaturazione può essere seguita monitorando l’assorbimento molecolare a 260 nm).

La cinetica di riassociazione dipende dalla concentrazione e dalla lunghezza dei filamenti.

Confrontando le cinetiche di rinaturazione di genomi da organismi diversi si ottengono informazioni sul grado di complessità genomica.

I DNA eucariotici contengono sequenze altamente/mediamente ripetute (rinaturazione rapida) e seq. uniche (rinaturazione lenta).

Compattamento del DNA

Nelle cellule il DNA non può essere contenuto in forma estesa!

Strategie di compattamento mediante associazione con proteine e superavvolgimenti.

Nei batteri il DNA circolare presente nel nucleoide è superavvolto e ripiegato in anse trattenute da segmenti di RNA e proteine (HLP).

Negli eucarioti il DNA si avvolge attorno ad ottameri di proteine istoniche (molto basiche) per dare i nucleosomi.

H1 stabilizza il nucleosoma associandosi al DNA linker tra nucleosomi successivi.

La struttura a collana di perle è confermata da varie osservazioni sperimentali.

La “struttura a collana di perle” si impacchetta ulteriormente ripiegandosi in un solenoide.

Livelli di compattamento progressivo caratterizzano la cromatina (DNA+proteine) eucariotica e permettono al genoma di essere contenuto nel nucleo.

Max compattamento nei cromosomi metafasici (DNA inattivo, duplicato e pronto per essere diviso tra nuclei figli).

Durante interfase prevale struttura fibra cromatinica lassa (DNA rilassato e attivo trascrizionalmente).

Le anse cromatiniche si formano su impalcature di proteine non istoniche associate al nucleoscheletro (matrice nucleare).

La cromatina può trovarsi:

• Costitutiva (DNA sempre in stato rilassato → eucromatina compatto mai trascritto).
• In stato fortemente compattato → eterocromatina.
• Facoltativa (inattiva solo in alcune fasi vita cellulare).

Dallo stato della cromatina dipende l’accessibilità di enzimi e proteine di trascrizione/duplicazione.

Il grado di compattamento può essere modulato mediante modificazioni chimiche sugli istoni e/o sul DNA. Es. acetilazione/deacetilazione di istoni.

La metilazione delle citosine di tratti di DNA (“isole CpG”) compatta la cromatina.

Complessi di rimodellamento cromatinico

Complessi enzimatici che idrolizzano ATP per rimodellare la cromatina.

• Allentando il DNA attorno all’istone.
• Scivolamento del nucleosoma.
• Trasferimento dell’ottamero istonico.

Questi rimodellamenti variano l’accessibilità a geni e/o sequenze regolatrici.

Cromosomi

Alla metafase max compattamento cromatina.

Cromosomi: strutture di cromatina compatta.

Colorabili e visibili al microscopio ottico.

In metafase (mitotica-meiotica) formati da 2 cromatidi fratelli identici tra loro uniti a livello del centromero.

Sul centromero si forma complesso proteico che media aggancio con i microtubuli del fuso mitotico.

Estremità: telomeri.

Preparazione di un cariotipo da un campione di sangue

Un insieme di cromosomi ordinati in coppie in base alla loro morfologia costituisce il cariotipo.

Soluzione Fissatore.

I globuli rossi ipotonici si stratificano in fondo. Colorante. Centrifuga. Globuli bianchi. Campione di sangue.

Si elimina il liquido e le cellule vengono mescolate con una soluzione ipotonica. Questo procedimento fa gonfiare e scoppiare i globuli rossi. I globuli bianchi si gonfiano ma non si rompono, e i cromosomi si allontanano uno dall’altro.

Centrifugando ancora, i globuli bianchi gonfi precipitano sul fondo. Viene eliminato il liquido contenente i globuli rossi. Si aggiunge un fissatore ai globuli bianchi.

Il campione di sangue viene centrifugato per separare le cellule dalla parte liquida.

Centromero.

Cromatidi fratelli.

Coppia di cromosomi omologhi.

2,600X.

La disposizione ordinata dei cromosomi che si ottiene è il cariotipo.

Il retino viene osservato con un microscopio a cui è collegata una macchina fotografica digitale. L’immagine dei cromosomi viene immessa in un computer, che li ordina per forma e dimensione.

54 I 46 cromosomi qui rappresentati comprendono 22 coppie di autosomi e 2 cromosomi sessuali, un X e un Y. Ogni cromosoma è costituito da 2 cromatidi attaccati fra loro così strettamente da essere difficilmente distinguibili.

Figura 8.19.

Replicazione del DNA

Processo semiconservativo: da una molecola originaria funzionante da stampo si formano 2 molecole figlie costituite da un filamento parentale ed uno di nuova sintesi.

La replicazione consente l’ereditabilità/trasmissione dei caratteri da una cellula all’altra, e di generazione in generazione.

L’esperimento di Meselson e Stahl dimostra che il DNA si replica in modo semiconservativo.

Batteri coltivati in terreno con N¹⁵.

Studio della densità del DNA alle generazioni successive.

Inizio replicazione

Apertura della doppia elica.

Proteine iniziatrici riconoscono e legano sequenze di origine di replicazione avviandone la denaturazione.

Nei batteri un solo sito origine replicazione (oriC).

Nei cromosomi eucariotici origini di replicazioni multiple (es. ARS di lievito) chiamati “repliconi”.

Formazione