Appunti di genetica

Lezioni genetica 1 e 2

Il genoma

Il DNA totale di una cellula costituisce il suo genoma. Una libreria genomica (o genoteca) è una raccolta di migliaia di frammenti di DNA che rappresentano tutto il DNA del genoma.

Il gene

Il gene è l’unità di base del nostro genoma ed è costituito da un filamento di DNA contenente l’informazione che noi intendiamo conservare o trasmettere alla progenie. Esso può essere, inoltre, definito come una sequenza nucleotidica di DNA che porta l’informazione necessaria per produrre uno specifico RNA o un polipeptide.

La struttura del DNA

Il DNA è costituito da due filamenti posti ad elica costituiti da nucleotidi, quattro basi azotate di cui due hanno natura purinica (guanina e adenina) e due hanno natura pirimidinica (citosina e timina). I nucleotidi vengono tenuti insieme da legami a idrogeno che si formano tra le basi azotate, aggregandosi in adenina-timina e guanina-citosina in maniera complementare. Il DNA è la sede dell’informazione genetica, ma per poter essere utilizzata necessita di essere trasformata in qualcosa che il corpo umano è in grado di usare, ossia le proteine.

Struttura del gene

La struttura del gene è alquanto complessa poiché formata da più sotto unità che poi costituiscono il gene stesso: si parte dalla singola elica di DNA, ma questa da sola non serve a nulla perciò si avvolge intorno a delle proteine definite istoni formando quella che prende il nome di cromatina. Essa non si concentra intorno a una sola fila di istoni ma intorno a numerosi istoni formando una struttura che prende il nome di nucleosoma. Il nucleosoma tende a disporsi in creste in maniera accartocciata e forma quello che viene chiamato cromosoma.

Da sempre nel nostro organismo sono presenti sostanze genotossiche. I sistemi di riparo correggono e proteggono il nostro organismo e, quando trovano un errore, lo correggono repentinamente. Se il danno è troppo esteso ci sono sistemi che permettono di riconoscere l’errore ed eliminare le cellule danneggiate: il meccanismo più comune è l’apoptosi (morte cellulare programmata).

La cromatina

Il nucleo è costituito da cromatina. Le zone più scure del nucleo contengono agglomerati di materia (eterocromatina) mentre le zone più chiare hanno un filamento più rilassato e leggibile (eucromatina). Il filamento si arrotola intorno a degli istoni (costituiti da 8 parti nucleiche) e serve per leggere il libro, ossia attuare la trascrizione. Quando dobbiamo passare i libri alle generazioni successive c’è bisogno di compattarli: quindi il DNA diventa super avvolto.

La trascrizione

La trascrizione è uno dei processi che il DNA subisce ed avviene a carico dell’RNA polimerasi che produce tre tipologie di filamenti: RNA transfer (tRNA), RNA messaggero (mRNA) e RNA ribosomiale (rRNA).

Tutti i tipi di processi di trascrizione avvengono a carico dell’RNA polimerasi che agisce su un singolo filamento di DNA definito filamento di stampo e il tutto avviene in tre passaggi:

• Inizio: è lo stadio iniziale della trascrizione ed avviene grazie ad un sito definito promotore dove l’RNA polimerasi si lega saldamente. Il promotore può essere anche più di uno ed è importante perché non solo segna da dove comincia la trascrizione ma anche su quale filamento deve avvenire e con quale direzione. L’RNA polimerasi tuttavia non può immediatamente legarsi al promotore del filamento di DNA: prima che ciò avvenga devono legarsi ad esso particolari proteine, dette fattori di trascrizione e, dopo che la prima proteina si è legata al TATA box (costituito da timina e adenina) posto 20 nucleotidi prima del sito di attivazione, viene modificata la forma di questa e del DNA e tutte le altre si legano per successione formando il complesso di trascrizione.
• Allungamento: il processo di allungamento è relativamente semplice in quanto l’RNA polimerasi continua la sua azione di trascrizione del filamento a dieci basi azotate alla volta in direzione 3’ verso 5’.
• Terminazione: la terminazione della trascrizione del DNA avviene quando viene incontrata una sequenza stop.

Enhancer e silencer

Gli enhancer aumentano l’efficienza di trascrizione mentre i silencer la diminuiscono. I geni eucariotici sottoposti a regolazione hanno comunemente sequenze di DNA, chiamate enhancer, che contribuiscono alla formazione di un complesso di inizio della trascrizione attivo. In tal modo, essi aumentano la velocità di sintesi degli RNA, spesso di parecchi ordini di grandezza.

Gli enhancer hanno caratteristiche peculiari: infatti, sebbene siano presenti in tutte le cellule, un determinato enhancer funziona solo in alcuni tipi cellulari. Inoltre, un enhancer può regolare un gene che si trova sulla stessa molecola di DNA a una distanza notevole (fino a migliaia di coppie di basi di distanza dal promotore) e può essere situato sia a monte che a valle del promotore che controlla. Inoltre, se sperimentalmente un enhancer viene invertito nella sequenza, esso è ancora in grado di regolare il gene che controlla.

Molti geni eucariotici sono inoltre associati a silencer, sequenze di DNA che possono ridurre la trascrizione. In modo simile agli enhancer, anche i silencer sono posizionati a una certa distanza dai geni che devono regolare. Enhancer e silencer collaborano quindi nel regolare l’efficienza trascrizionale della cellula.

Controllo pre-mRNA

Dopo aver costituito il filamento di pre-mRNA questo viene controllato in modo tale che se vi sono degli errori venga distrutto dalle molecole di controllo. Il controllo avviene in tre fasi:

• Splicing: il pre-mRNA quando viene formato non è ancora pronto poiché costituito da introni (sequenze inizialmente trascritte ma non tradotte che in seguito vengono eliminate) ed esoni (parte del DNA trascritta nell’mRNA e tradotta per formare la proteina). Durante il processo di maturazione, e quindi di splicing, gli introni non vengono mantenuti e quindi vengono eliminati rimanendo solo gli esoni che formano il filamento di mRNA.
• Capping: il capping non è altro che un’azione di copertura del pre-mRNA nella parte iniziale e serve a proteggerlo dalle molecole fagocitarie di controllo che eliminano l’RNA non proveniente dall’organismo umano e quindi non dotato di questa copertura. La copertura è costituita da 7-metilguanosina.
• Poliadenilazione: è l’ultima fase della maturazione del pre-mRNA nella quale, nella parte terminale di questo e quindi alla fine del 5’, viene costituita una lunga catena adenilica lunga fino a 200 nucleotidi e con la stessa funzione del rivestimento formatosi durante il capping: più è lunga la catena e più lunga sarà la vita del filamento.

Il codice genetico

Il codice genetico è costituito da “parole” di tre lettere che codificano una tripletta o codone. Il codice genetico è universale per tutte le specie ed è degenerato in quanto più codoni possono specificare per lo stesso amminoacido.

Nel codice genetico abbiamo un solo codone di inizio indicato dalla metionina (AUG nel RNA e ATG nel DNA); inoltre sono presenti anche dei codoni di stop (UAA, UAG e UGA) in cui si blocca la lettura del RNA da parte dei ribosomi e da quel punto in poi non vengono più aggiunti amminoacidi alla catena polipeptidica.

L’RNA polimerasi III è responsabile della sintesi dei tRNA la cui funzione è data dalla loro struttura che permette di identificare un anticodone, ossia una sequenza di triplette che permette il legame fisico e chimico tra tRNA e mRNA. Ad ogni anticodone, che riconosce una tripletta, corrisponde un amminoacido.

Mutazioni

Esistono agenti chimici e fisici in grado di alterare i nostri codoni. Essi si mostrano tramite mutazioni:

• Mutazione troncante: vi è un codone di arresto e quindi la proteina risulta incompleta, più corta e non funzionale (esempio di errore patogenico, ossia l’errore porta sicuramente a una patologia).
• Mutazione puntiforme: la proteina non funziona e si avrà lo sviluppo di una patologia.

Mutazioni genetiche

Durante il processo di traduzione dell’mRNA qualcosa può non andare per il giusto verso e ciò può provocare una mutazione genetica poiché la proteina che si formerà potrà essere diversa e ciò porterà a un danno patologico. Le mutazioni sono di vario tipo e quando interessano una sola coppia di basi azotate sono dette mutazioni puntiformi e avvengono secondo due modalità:

• Mutazioni per transizione: avvengono quando ad una purina si sostituisce un’altra purina (A-G) o ad una pirimidina si sostituisce un’altra pirimidina (T-C).
• Mutazione per transversione: avvengono quando una purina sostituisce una pirimidina o viceversa (cambio di base azotata).

Le mutazioni (funzionali) che possono invece causare un danno patogeno e quindi causa di malattia sono:

• Mutazioni missenso: in inglese significa “perdita di senso”, cambia il senso. Mutazione che provoca la sostituzione di un amminoacido con un altro. La sostituzione di un amminoacido all’interno di una catena polipeptidica può avere un vasto numero di effetti; infatti, se la sostituzione di un amminoacido avviene all’interno o in prossimità di un sito attivo di un enzima, l’attività della proteina alterata può risultare minore oppure essere addirittura assente. Se una mutazione missenso provoca un cambiamento a carico di un amminoacido che non fa parte del sito attivo di un enzima oppure comporta la sostituzione di un amminoacido con un altro con caratteristiche chimiche del tutto simili, la mutazione può risultare irrilevante.