Biologia Molecolare - Organizzazione Genica e Trasposizione

Organizzazione genica

Il genoma umano è composto da 46 distinti cromosomi (22 paia di autosomi più una coppia di cromosomi sessuali), con un totale di approssimativamente 3,2 miliardi di paia di basi, contenenti all'incirca 20,000-25,000 geni che consentono la produzione di oltre 100,000 proteine diverse (un gene può produrre infatti più di una proteina, con un processo di splicing alternativo).

Contrariamente a quanto si possa pensare, la complessità organica non è legata al contenuto totale di DNA o al maggior numero di geni; di fatti solo l'1,5% della totale lunghezza del DNA umano si basa su esoni codificanti proteine; la maggior parte del DNA è invece costituito da DNA non codificante. Soltanto una piccola parte del DNA umano è quindi codificata (bassa densità genica), ed i geni sono frammentati all'interno del DNA non codificante. La maggior parte del DNA non codificante rappresenta DNA di regolazione; tra le sequenze non codificanti, questo DNA, detto intronico, è quello più importante.

Il DNA si ricombina secondo meccanismi di ricombinazione omologa (processo di meiosi) e non omologa (processo di trasposizione); per quanto riguarda quest'ultimo meccanismo, un'elevata quantità di DNA è mobile, capace di replicare se stesso e inserirsi in modo casuale, favorendo la specie e creando la possibilità di consentire un aumento dell'espressione genica mantenendo costante il numero dei geni.

Tipologie di proteine sintetizzate

Le proteine sintetizzate sono di diverse tipologie: la fetta più ampia è costituita dalle cosiddette proteine orfane, ovvero con funzione ancora sconosciuta, costituenti il 42% delle proteine totali; altre tipologie di proteine sintetizzate sono le proteine che legano il DNA, gli enzimi, le proteine strutturali (del citoscheletro), ed altre proteine in percentuali più basse.

Come detto precedentemente, solo una piccola percentuale del DNA è funzionale (preposto alla sintesi di RNA); di questo si distinguono i geni di I, II, e III tipo: i geni di I tipo codificano per RNA ribosomiale, in particolare l'rRNA 28s, 18s e 5,8s, e vengono trascritti dall'RNA polimerasi I; i geni di II tipo codificano per RNA messaggero, ovvero quello preposto alla sintesi delle proteine, e vengono trascritti dall'RNA polimerasi II; i geni di III tipo codificano per RNA transfer e RNA ribosomiale 5s. I geni di II tipo si dividono a loro volta in esoni ed introni; i primi sono rappresentati da non più di 1000 paia di basi, mentre i secondi costituiscono la parte non codificante di un gene e sono più lunghi rispetto agli esoni, da poche migliaia a molte centinaia di migliaia di basi; entrambi vengono trascritti dall'RNA polimerasi II.

Un gene, costituito in media da 27,000 paia di basi, è caratterizzato da una sequenza esonica di solo 1000-1500 paia di basi, codificante proteine di circa 500 aminoacidi. Le uniche proteine a non essere codificate dai geni di II tipo sono le proteine istoniche.

Distinzione del DNA negli eucarioti

Il DNA degli eucarioti è distinto in tre parti in relazione al numero di sequenze ripetute. Con un classico esperimento di dissociazione-riassociazione, il DNA viene frammentato attraverso enzimi detti di restrizione; questi piccoli frammenti sono sottoposti poi ad alte temperature per un lungo tempo (circa 100°C); durante tale processo i due filamenti si staccano per rottura dei legami a idrogeno che li tengono uniti. Il campione viene poi sottoposto a lento raffreddamento per dare la possibilità ai frammenti di riappaiarsi; al termine di questa fase, il genoma si riassocia in tre livelli di temperatura caratteristici.

• Una prima parte, costituita da circa il 30% del DNA totale, immediatamente si riassocia, grazie all'elevato numero di frammenti uguali che consente la riassociazione anche a condizioni sfavorevoli; questa porzione di DNA costituisce il DNA altamente ripetuto.
• Una seconda parte, costituita da circa il 20% del DNA totale, si riassocia a temperatura intermedia, e costituisce il DNA mediamente ripetuto.
• Una terza ed ultima parte, costituente la porzione più ampia del DNA totale (circa il 50%), si riassocia a temperature più basse, e costituisce il DNA non ripetuto.

Come detto, il DNA non ripetuto rappresenta la porzione più ampia dell'intero DNA. Di questo, solo il 10% circa è codificante. È costituito per il 5-10% circa da geni solitari (presenti come unica quota) o da geni ripetuti in numero molto limitato (non più di una decina di volte). I geni di questo tipo codificano per proteine omologhe; esempi sono i geni che codificano per le catene pesanti della miosina, per l'actina e per le heat shock beta-globine, proteins. Per formare proteine omologhe questi geni vengono duplicati; la duplicazione si pensa derivi da due meccanismi di formazione delle famiglie: l'errore durante la replicazione e la ricombinazione aberrante.