Appunti Genetica

MITOSI E MEIOSI (Cap.2 pag.36-40)

Le cellule non sono obbligate a dividersi, possono rimanere in uno stato quiescente

chiamato G0, come ad esempio i neuroni.

Quando c’è l’input a proliferare, si assiste alla divisione della cellula.

Si assiste a una fase di accrescimento S in cui si ha la duplicazione del DNA,

l’accrescimento delle dimensioni della cellula, la duplicazione degli organelli. I

cromosomi sono schematizzabili come filamenti abbastanza lassi, legati da una

porzione centromerica (fase G1).

Nella fase G2 i cromosomi sono ancora nella fase rilassata, si completa la fase S e c’è

un controllo per verificare che il procedimento sia avvenuto correttamente. Se così non

è, la cellula va incontro ad apoptosi.

Se la duplicazione del DNA è avvenuta correttamente, la cellula va incontro a divisione

mitotica.

ploidia

La si riferisce al numero n, dove si intende quanti sono i cromosomi nel loro set

aploide. Negli umani sono 23, quindi la nostra ploidia è 2n con 46 cromosomi totali

(diploidia).

Le cellule in divisione sono sempre diploidi, la differenza sta nel contenuto di DNA.

Nella fase G2 abbiamo un contenuto doppio di DNA dovuto alla duplicazione della fase

S, che poi si dimezza dopo la mitosi.

interfase

Per si intendono la fase G1, S, G2, ovvero tutte le fase eccetto la mitosi.

La mitosi si suddivide in vari stadi:

-Profase: i cromosomi cominciano a condensarsi, la membrana nucleare comincia a

disgregarsi e si forma il fuso mitotico

-Metafase: i cromosomi si allineano lungo la piastra equatoriale, i centromeri sono

legati dal fuso

-Anafase: i cromosomi migrano verso i poli opposti dalla cellula, tirati dal fuso

-Telofase: si ha la divisione della cellula, la formazione della membrana nucleare, il

rilassamento della cromatina

Per quanto riguarda la meiosi, questa è costituita da due divisioni successive (divisione

riduzionale).

Nella meiosi I presenta un momento critico durante la profase I, quando i cromosomi

cominciano a condensare e a diventare visibili come filamenti. A questo stadio avviene

un processo di ricombinazione.

La profase I si suddivide in sottofasi:

-Leptotene: cromosomi visibili in filamenti

-Zigotene: i due cromosomi omologhi si appaiano (non sono identici, ma si somigliano

molto). I cromatidi fratelli vengono appaiati ad altri due cromatidi fratelli formando un

sinaptonemale, tetrade.

complesso di 4 cromatidi detto complesso definita anche

Verifica che la procedura avvenga correttamente. Si formano le cosiddette sinapsi

-Pachitene: la cromatina si compatta ulteriormente, i cromosomi omologhi tendono a

scollarsi in alcuni punti

-Diplotene: la cromatina è condensata, si ha una desinapsi. I due cromosomi

omologhi sono tenuti insieme tramite chiasmi, dove avviene una ricombinazione tra i

crossing-over.

due cromosomi omologhi mediante un processo definito Non abbiamo

più i cromatidi fratelli, ma i cromatidi omologhi/ricombinati. Non è cambiato l’ordine

dei geni. Genera variabilità.

Abbiamo a questo punto la metafase I, dove i cromatidi si allineano lungo la piastra

equatoriale.

Durante l’anafase I, si separano i cromosomi omologhi (costituiti da due cromatidi) e

migrano verso i poli della cellula. Durante la telofase I si ha la divisione della cellula,

una parziale de-condensazione della cromatina (rilassamento).

Si ha l’inizio della seconda divisione, a partire dall’interfase II.

Durante la metafase II, i centromeri delle coppie di cromatidi si allineano lungo la

piastra equatoriale di ciascuna cellula figlia. Durante l’anafase II i cromatidi si

separano perché vengono tirati ai poli opposti della cellula. A causa del crossing over e

del riassortimento indipendente, ogni nuova cellula avrà un suo peculiare corredo

genetico. La quantità di DNA è a questo punto dimezzata e i cromosomi sono 23, e

rimane dimezzata fino al momento della fecondazione quando la quantità di DNA torna

ad essere normale e i cromosomi sono 46. Si ha quindi la telofase II in cui la cellula si

separa.

Alla fine della meiosi si hanno quindi quattro cellule figlie con 23 cromosomi (n) e una

quantità di DNA dimezzata rispetto al solito. Nelle femmine, 3 di queste 4 cellule

(oociti) vanno incontro ad apoptosi, mentre nei maschi sono 4 cellule (spermatozoi)

perfettamente funzionanti.

Cosa succede, come e perché avviene la ricombinazione fra i cromatidi? Esistono tanti

modelli che sono stati proposti. Un modello cerca di spiegare dei fatti.

La ricombinazione è un processo voluto dagli organismi, è indirizzato e regolato da

proteine ed enzimi che sono coinvolti attivamente in questo processo.

La prima cosa che succede nel chiasma, è la rottura di una delle due eliche del DNA. I

due lembi dei cromosomi omologhi vengono incrociati e rilegati. Le due emieliche

vengono fatte scorrere per un certo tratto (20-200 nucleotidi circa), il DNA ricombinato

DNA eteroduplex

in questo modo non è perfettamente appaiato e prende il nome di

(viene considerato come una mutazione genica e si cerca di eliminare o di cambiare la

conversione genica).

base scorretta e sostituita con la base corretta, definito La

struttura di Holliday.

struttura a croce prende il nome di

Il DNA eteroduplex si forma in tante circostanze nelle varie fasi dei cicli cellulari. E’

fenomeno tipico della meiosi. Le due emieliche che formano il DNA eteroduplex non

sono perfettamente complementari, infatti si ha un mismatch delle basi azotate,

ovvero degli disappaiamenti: due regioni appaiate per via della loro omologia, non

perfettamente complementari. Si può avere un cromatidio ricombinante completo

oppure un cromatidio con un pezzo ricombinato. La cellula si porta dietro il DNA

eteroduplex per un certo periodo di tempo non molto lungo. Ci sono i sistemi di

riparazione di DNA che vigilano sulla fedeltà delle replicazioni che la cellula fa,

soprattutto durante la fase S, che fanno in modo che il DNA eteroduplex venga

conversione genica.

riparato. Questo processo prende il nome di

ALLELE: va di pari passo con gene. Un locus è una determinata posizione all’interno

del cromosoma. Un locus può essere un punto, una regione. Un gene è una porzione

del DNA che codifica per una proteina. Un allele è una sequenza del gene di DNA che

specifica per una data proteina.

Il materiale genetico deve avere un contenuto di informazione, deve avere delle

proprietà strutturali che consentano una replicazione fedele da cellula a cellule e,

inoltre, deve essere molto stabile con le generazioni.

STRUTTURA DEL DNA.

Il DNA è una molecola costituita da una base azotata (adenina, guanina, citosina,

timina), da un gruppo fosfato e da uno zucchero (deossiribosio).

pirimidine,

Citosina e Timina costituiscono una classe definita presentano un anello

eterociclico. purine,

Adenina e Guanina costituiscono una classe definita presentano un doppio

anello condensato.

Quando la base è legata al deossiribosio costituisce un deossinucleoside, prende un

nome diverso: deossiadenosina, deossiguanosina, deossicitidina e deossitimidina.

Se al complesso è legato anche il fosfato si ha un deossinucleotide: deossiadenosina

monofosfato, difosfato, trifosfato a seconda del numero di fosfati presenti.

Regola di Chargaff: in tutti gli organismi, esistono delle regole sempre mantenute. La

quantità molecolare di A e T è la stessa, così come per C e G.

Adenina si appaia con Timina, Citosina si appaia con Guanina. Il rapporto tra purine e

pirimidine è 1.

Nel 1953, Watson e Crick spiegarono la struttura a doppia elica del DNA.

L’ossatura della struttura a doppia elica è costituita dallo zucchero e dal fosfato,

mentre i pioli sono costituiti dalle interazioni delle basi azotate. Adenina e Timina

presentano un doppio legame a idrogeno, mentre Citosina e Guanina presentano un

triplo legame a idrogeno. I due filamenti di DNA hanno una testa e una coda (5’ e 3’), e

sono tra loro antiparalleli (testa-coda).

Il DNA, quando deve essere aperto per replicazione, si dice che viene denaturato. La

denaturazione avviene a livello del doppio legame tra Adenina e Timina (più facile

rispetto al triplo tra Citosina e Guanina) mediando l’uso di calore superiore ai 95 gradi,

oppure mediante delle soluzioni basiche a pH 10. La cellula, per aprire il DNA, utilizza

degli enzimi, ovvero dei catalizzatori proteici.

REPLICAZIONE PROCARIOTA

Il cromosoma batterico è circolare e vi è un unico sito di inizio per la replicazione.

DnaA box: sono sequenze del DNA e fornisce il sito di riconoscimento per proteine che

innescano tutto il processo di replicazione.

Vi sono particolari proteine che riconoscono regione ricche in A-T.

Le Single Strand Binding Proteins aprono la regione di DNA che deve essere replicato,

seguito dall’azione dell’enzima elicasi che aprono la struttura del DNA ulteriormente.

Il filamento di DNA ha una testa e una coda. La testa è 5’ e il senso di allungamento va

dal 5’ al 3’. Il gruppo fosfato forma la testa, poi abbiamo il deossiribosio con l’OH

legato al C3’ che crea un legame covalente con il nuove deossinucleotide che sta

entrando. Il nuovo ha tre P, due fosfati (pirofosfato) vengono rimossi. Reazione

irreversibile. La DNA pol allunga il filamento vero il 3’ ma scorre dal 3’ verso il 5’. E’ la

principale responsabile della fedeltà della replicazione.

DNA pol. I (processività 20bs/sec). Ha attività esonucleasica 5’>3’ e 3’>5’.

DNA pol. II

DNA pol. III, la più importante. Ha una processività di 1000bs/sec. Ha attività

esonucleasica 3’>5’.

DNA pol. IV

DNA pol. V

Tutte hanno un’attività di correzione di bozze (proof reading): sono in grado di

accorgersi di un errore e tornare indietro idrolizzando il legame covalente e ripartire in

modo tale da aggiungere le basi corrette.

Le esonucleasi sono enzimi che idrolizzano ed eliminano i nucleotidi partendo dalla

testa o dalla coda. Le endonucleasi, invece, sono come delle forbici che tagliano

nettamente i nucleotidi. Agiscono tutte sul filamento in costruzione, ovvero sul

templato.

Esiste un fenomeno detto tautomeria: lo stesso composto, per una breve frazione della

propria vita, presenta una struttura leggermente modificata dovuta allo spostamento

di legami o atomi all’interno della molecola. Il tutto ritorna al normale poi. E’ il caso

della citosina, che può presentarsi nella sua forma imminica, forma più instabile

rispetto alla forma base. Nel caso della timina, essa può assumere una forma enolica

per un breve periodo di tempo dovuta allo spostamento di un atomo di idrogeno.

Queste sono fonti di errore della DNA polimerasi, possono comportare delle mutazioni.

DNA Mismatch repair: corregge gli errori dopo la replicazione del DNA.

Filamento stampo costituito dalle due emieliche antiparallele. La replicazione è

semiconservativa. Un filamento parte con il 5’ e l’altro con il 3’. L’enzima elicasi

permette di aprire piano piano tutti i legami idrogeno che ci sono all’interno della

molecola di DNA grazie anche alle Single Strand Binding Proteins. La DNA pol che il

replisoma contiene è in grado di polimeralizzare in direzione 5’>3’ e lo legge in

direzione 3’>5’. Uno dei due filamenti (leading strand) non ha problemi di replicazione

perché via via che si apre la forca di replicazione è agevolato, la DNA pol può

sintetizzare il filamento nascente nella direzione giusta. Il problema si presenta per

l’altro filamento, la DNA polimerasi va nella direzione opposta. La direzione di questo

filamento (lagging strand) fa si che questo venga replicato in maniera discontinua, c’è

bisogno tutte le volte di ripartire. La DNA pol deve trovare un innesco perché non può

iniziare da sola la replicazione, ha bisogno di un OH a cui agganciarsi. La RNA primasi

produce un primer di RNA, ovvero un pezzetto di RNA che è in grado di fornire

quell’ossidrile al 3’ su cui può agganciarsi la DNA polimerasi. E’ poco fedele ma è

piuttosto rapida, non presenta attività di correzione. Si crea un pezzetto di ibrido DNA-

RNA di 20-25 nucleotidi che da l’innesco per la replicazione fedele. L’RNA primasi è

attaccata alla primasi. SI creano dei frammenti di DNA, detti frammenti di Okazaki, che

vengono cuciti in seguito. La DNA pol I ha una bassa processività ma ha attività

esonucleasica in avanti; rimuove 20-30 paia di basi di RNA. Subentra DNA ligasi che

con una molecola di ATP spesa come energia, riesce a fare si che si crei un legame

covalente fra le basi.

I due filamenti procedono alla stessa velocità ed il processo è coordinato.

La fedeltà di errori delle DNA pol, attraverso la correzione di bozze e le DNA Mismatch

Repair, è di circa 10(-10).

REPLISOMA EUCARIOTA: nucleosomi struttura del DNA (Cap.12 pag. 439-444)

Un filamento di DNA svolto può arrivare a 2m.

Un virus può arrivare a 100nm, un batterio a 1um, una cellula animale a 10um, una

cellula vegetale a 100um.

Il nucleosoma è l’unità di base della cromatina, la cromatina è l’assemblaggio del DNA

con le sue proteine. Negli eucarioti, il DNA è sempre accompagnato da proteine,

diversamente da ciò che accade nei procarioti. Il DNA è arrotolato intorno a 8 proteine,

e il sistema è tenuto insieme da un’altra proteina detta H1. Queste proteine si

chiamano istoni. Gli istoni sono, in totale, 9. Le altre proteine sono uguali a due a due.

C’è una forte interazione ionica tra il DNA (polianione perché i P sono carichi

negativamente) e le lisine e le arginine delle proteine. Le proteine istoniche sono tra le

più conservate tra quelle conosciute; è stimato che la frequenza di mutazione è

veramente molto bassa.

La collana di perle è la base della cromatina. La compattazione forma la fibra di DNA di

circa 30 nm, è avvolta in un solenoide. Lo spessore del nucleosoma è di 10 nm.

Quando viene arricciolato, lo spessore diventa di 30 nm (si trova in una cellula

interfasica). La cromatina viene compattata in maniera ordinata. Subentrano le

proteine dello scaffold, un’ossatura proteica che tiene la cromatina in posizione. Lo

scaffold viene spiralizzato per compattare e condensare ulteriormente la cromatina.

Forma delle anse di circa 300nm. Lo scaffold viene più volte spiralizzato su sé stesso

arrivando a uno spessore di 700nm (durante la metafase di vedono bene).

Il nucleosoma prevede 1 e ¾ di giro della cromatina intorno alle proteine istoniche. Ci

sono 146 paia di base dentro il nucleosoma. Quando la cellula decide di andare

incontro a condensazione estrema è perché entra in metafase e deve poi dividersi.

REPLICAZIONE EUCARIOTA

Vi sono delle differenze. Il cromosoma è lineare e non circolare, la quantità di DNA da

replicare è dell’ordine dei 3 miliardi, il DNA non è libero ma deve essere svolto. Vi è la

presenza di enzimi che allontanano il DNA dagli istoni e poi di legarli nuovamente

dopo che la forca replicativa ha svolto il suo lavoro.

Come avviene la divisione degli istoni? La replicazione del DNA è semiconservativa,

abbiamo due templati che formano una doppia elica figlia identica. Alla cellula

eucariotica non basta replicare fedelmente il DNA, ma anche le informazioni

epigenetiche che facciano rimanere la cellula nello stato di differenziamento in cui si

trova. Es. gli eritroblasti che poi maturano in eritrociti. Per mantenere questo livello di

specializzazione è garantito da segnali epigenetici. L’informazione epigenetica è

un’info che mette dei segnali chimici sopra la sequenza di DNA in modo tale che certi

geni debbano essere spenti ed altri debbano essere espressi. Si aggiungono gruppi

chimici sul DNA e anche sulle proteine istoniche. Se un locus deve essere letto ed

espresso per creare dei geni, bisogna che sia in una cromatina lassa. Quello che viene

aggiunto sul DNA viene letto dai macchinari cellulari specifici, quello sugli istoni

definisce se la cromatina è più o meno condensata. La capacità di trasmettere queste

informazioni fedelmente durante le replicazioni è fondamentale. L’ottamero istonico è

formato da proteine identiche a due a due. Subisce modificazioni chimiche che

trasmettono l’informazione di restare chiusi. 4 proteine vanno su una cellula figlia e le

altre 4 sull’altra cellula figlia. Arrivano 4 nuove proteine istoniche “vergini” che

vengono istruiti. Appositi macchinari enzimatici leggono l’istruzione chimica che c’è e

la riproducono sugli istoni vergini, pertanto si perpetua anche l’informazione di tipo

epigenetico. PCNA (Proliferating Cell Nuclear Antigen) ha vari ruoli e si trova

deregolato nei tumori, vi sono proteine che porgono istoni di nuova sintesi al replisoma

come CAF-1.

L’origine di replicazione vera e propria non è molto diversa rispetto ai procarioti. Vi è

una regione ricca in AT e una o più sequenze consensus. La proteina ORC è in grado di

riconoscere il sito d’inizio (sequenza d’origine) e reclutare il replisoma. Si forma così la

bolla replicativa e la replicazione può avvenire. Vi sono tante bolle di replicazione

lungo il cromosoma che cominciano coordinate e, a volte, si fondo. Complessità del

replisoma, presenza del nucleosoma, numerosità delle bolle di replicazione sono le

principali differenze tra le replicazioni procariote ed eucariote.

TELOMERI

Porzioni terminali dei cromosomi. L’RNA primasi inserisce un pezzetto, DNA pol I

rimuove i filamenti di RNA e procede con la loro chiusura. C’è sempre un filamento che

fuoriesce in seguito a una replicazione, in fondo non si riesce a replicare l’ultimo

pezzetto. Ad ogni ciclo cellulare, il DNA di una cellula figlia è des