Genoma e struttura

Per quanto riguarda i batteri invece, questa correlazione tra dimensione del genoma e numero di geni esiste ed è definita. Quanto detto fin ora è legato al concetto di complessità nel suo insieme quindi, quello che si può fare è quello di comparare la presenza delle componenti ripetute ovvero di materiale genomico che non codifica per proteine e il compito della biologia molecolare è quello di andare a capire il ruolo di questo DNA che non va a codificare proteine.

Se poi vogliamo fare una correlazione tra la quantità di proteine codificate e il numero dei geni di un genoma, il dato è ancora più paradossale perché il numero dei geni di Homo sapiens (19000) dovrebbe essere simile al numero delle proteine delle cellule umane (circa 80k-100k): è chiaro che l’attuale numero di geni codificanti proteine è molto inferiore a quello che uno si aspetterebbe e questo è dovuto al fatto che i geni sono discontinui ma anche che lo stesso gene codifica per più proteine.

Dal punto di vista della classificazione, il DNA non codificante è classificato sottotorma di ripetizioni intersperse e di DNA ripetuto in tandem: queste due componenti sono quelle che fanno il grosso del DNA ripetitivo.

A questi si aggiungono microsatelliti e minisatelliti:

• I minisatelliti sono ripetizioni in tandem con una lunghezza piuttosto variabile, intorno alle 20-25 basi.
• I microsatelliti (STR) sono ripetizioni in tandem più semplici, dell’intorno di 10-13 basi.

Nell’uomo, i microsatelliti sono localizzati a livello dei telomeri, derivano da fenomeni di ricombinazione tra unità ripetute che, non appaiandosi correttamente, portano ad una lettura errata del filamento dando origine a queste ripetizioni inoltre, fungono da marcatori importanti dell’oncologia proprio perché il microsatellite può rappresentare un elemento di instabilità e mutazioni su queste regioni possono portare a patologie come l’adenoma carcinoma intestinale.

Il microsatellite ha delle caratteristiche molto specifiche per ciascun individuo e il numero di ripetizioni di una stessa unità può variare da individuo a individuo e su questi profili si basano i test di paternità.

Per quanto riguarda i batteri invece, questa correlazione tra dimensione del genoma e numero di geni esiste ed è definita. Quanto detto fin ora è legato al concetto di complessità nel suo insieme quindi, quello che si può fare è quello di comparare la presenza delle componenti ripetute ovvero di materiale genomico che non codifica per proteine e il compito della biologia molecolare è quello di andare a capire il ruolo di questo DNA che non va a codificare proteine.

Se poi vogliamo fare una correlazione tra la quantità di proteine codificate e il numero dei geni di un genoma, il dato è ancora più paradossale perché il numero dei geni di Homo sapiens (19000) dovrebbe essere simile al numero delle proteine delle cellule umane (circa 80k-100k): è chiaro che l’attuale numero di geni codificanti proteine è molto inferiore a quello che uno si aspetterebbe e questo è dovuto al fatto che i geni sono discontinui ma anche che lo stesso gene codifica per più proteine.

Dal punto di vista della classificazione, il DNA non codificante è classificato sottotorma di ripetizioni intersperse e di DNA ripetuto in tandem: queste due componenti sono quelle che fanno il grosso del DNA ripetitivo.

A questi si aggiungono microsatelliti e minisatelliti:

• I minisatelliti sono ripetizioni in tandem con una lunghezza piuttosto variabile, intorno alle 20-25 basi.
• I microsatelliti (STR) sono ripetizioni in tandem più semplici, dell’intorno di 10-13 basi.

Nell’uomo, i microsatelliti sono localizzati a livello dei telomeri, derivano da fenomeni di ricombinazione tra unità ripetute che, non appaiandosi correttamente, portano ad una lettura errata del filamento dando origine a queste ripetizioni inoltre, fungono da marcatori importanti dell’oncologia proprio perché il microsatellite può rappresentare un elemento di instabilità e mutazioni su queste regioni possono portare a patologie come l’adenoma carcinoma intestinale.

Il microsatellite ha delle caratteristiche molto specifiche per ciascun individuo e il numero di ripetizioni di una stessa unità può variare da individuo a individuo e su questi profili si basano i test di paternità.

Molte delle malattie umane sono associate a mutazioni nei microsatelliti, che non sono mutazioni puntiformi perché ad oggi, queste patologie vengono classificate come associate a ripetizioni di triplette e quindi sono associate a DNA caratterizzato da sequenze ripetute con un numero di volte molto elevato e che conferisce la patologia. Queste triplette caratterizzanti non si localizzano spesso nella regione codificante, ma in regioni UTR al 5' o al 3':

• Nel caso del 5', il fatto di avere una tripletta di numero diverso è sicuramente abbinato alla potenzialità di avere un promotore più o meno efficiente.
• Nel caso del 3', si possono trovare delle regioni che permettono alla cellula di regolare la stabilità del messaggero.

Ecco che la tripletta, in base a dove si viene a localizzare, può influenzare i livelli di espressione della proteina pertanto, i difetti associati ai microsatelliti sono delle patologie che possono avere una proteina alterata nella sequenza amminoacidica o proteine che vengono espresse in maniera abnorme, proprio per difetti nella regione UTR 5' o 3': un esempio è il morbo di Huntington.

Questa patologia è stata classificata come una malattia neurodegenerativa ma non lo è dal punto di vista fenotipico perché la manifestazione è a tutto tondo. È stata descritta per la prima volta a fine '800 da Huntington che andava a studiare alcuni pazienti che facevano movimenti innaturali e il motivo è legato ad una perdita di controllo da parte del cervello per quello che riguarda la stimolazione del muscolo: questi malati hanno un cervello più piccolo del normale e il muscolo si ritrova via incontro ad una progressiva degenerazione che influenza non solo l’aspetto motorio ma anche memoria e apprendimento.

Facendo degli studi si è notato che è una malattia ereditaria autosomica dominante quindi, i figli di una persona affetta hanno il 50% di probabilità di sviluppare la malattia, indipendentemente dal sesso: ecco che se coinvolge comunità molto piccole, le frequenze della patologia aumentano.

Nel 1993 abbiamo la prima evidenza sperimentale del coinvolgimento di un gene che codifica per la huntingtina, proteina che ha un ruolo importante nello sviluppo della patologia.

Dal punto di vista genetico, si tratta della ripetizione della tripletta CAG, che codifica per la glutammina e, nelle persone sane si hanno fino 35-36 triplette con la comparsa di un poliGlutammina che è più o meno lunga ma, quando le triplette sono superiori a 37-38, la patologia inizia a manifestarsi con questi movimenti innaturali e la degenerazione dei neuroni.

La proteina huntingtina, man mano che aumenta il numero di triplette, tende ad assumere una struttura disordinata e nei neuroni, questa proteina serve a facilitare il trasporto dei neurotrasmettitori: nella corteccia cerebrale dei soggetti malati è presente un pezzo di DNA in più che corrisponde alla poli-Glutammina che determina l’accumulo della proteina e la comparsa di aggregati che portano al fenomeno neurodegenerativo.

Prima di arrivare a questa situazione eccessiva, la proteina serve come trasferimento nel traffico vescicolare quindi quando viene ad essere alterata, il rilascio dei neurotrasmettitori diventa insufficiente portando a questi movimenti scoordinati.

Comunque, quello che fa la differenza è il numero di triplette.

I neuroni che caratterizzano la corea di Huntington appaiono come dei neuroni soggetti a stress, ad indicare che c’è una funzionalità alterata della comunicazione tra i circuiti nervosi inoltre, questa patologia non compare solo nell’uomo ma è stato visto comparire circa 800 milioni di anni fa in un’ameba: il gene dell’huntingtina è un gene che gli permette di relazionarsi con altri organismi per superare condizioni di stress.

Il numero di triplette ripetute nell’ameba ovviamente è molto basso e questo indica che il gene è conservato ma non le triplette, cioè il numero di triplette è andato ad aumentare nel corso dell’evoluzione molecolare: questa situazione ci dice che il gene dell’huntingtina assume un ruolo sempre più determinante nell’ambito della regolazione del sistema nervoso.

L’evoluzione molecolare tende quindi ad ottimizzare poi però un numero eccessivo di queste triplette può diventare controproducente e l’errore può avvenire per un difetto della polimerasi infatti, si vede un’espansione trinucleotidica che porta alla formazione di alcune zone più instabili che portano la polimerasi a non procedere linearmente portando ad avere una tripletta in più.

Quindi c’è una causa molecolare che può essere legata alla storia evolutiva del gene anche molto antico, al passaggio selettivo di questo gene in una funzione che poi negli organismi superiori diventa rilevante come è il caso del SNC e come questa situazione possa essere banalmente legata ad un errore di ripetizione o di rilettura di una tripletta.

Passando di padre in figlio si possono verificare un aumento del numero di triplette per cui paradossalmente entrambi i genitori sono sani ma il figlio la manifesta.

La variante con un numero di triplette diverso colpisce durante l’infanzia per poi peggiorare nel tempo ma talvolta si manifesta con dei salti di generazione e questa espansione di triplette durante la trasmissione del gene dal padre al figlio è responsabile della manifestazione della patologia.

LEZIONE 2

La Corea di Huntington è una patologia sistemica che rappresenta come una delle regioni del genoma che venivano ritenute di scarsa importanza, finisce per essere la dominante in queste patologie associate a microsatelliti, cioè a regioni ripetute.

Dobbiamo notare anche che questa sequenza ripetuta non necessariamente porta alla patologia se è nella porzione codificante del gene ma ci possono essere patologie associate che coinvolgono triplette ripetute in un numero patologico che riguardano regioni non codificanti 3’ e 5’.