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

-e 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

35

DNA (P ) nei fagi infettanti: la

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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

àDNA Testa DNA

Coda

Fibre della coda

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

C

3 C N

O C

C

T

T CH

O

O P H N O

2 Timina (T)

–

O O

CH C

H

G

G H

H C C

H

O Zucchero

(deossiribosio)

T

T Nucleotide del DNA

Polinucleotid

e del DNA

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 sisnistrorso) 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)

•ed 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

à à

DNA 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 complesità 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

à

La denaturazione del DNA consiste nella dissociazione delle 2 eliche (la

denaturazione puoò essere seguita monitorando l’assorbimento molecolare

a 260nm)

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 complessita genomica

I DNA eucariotici contengono sequenze altamente/mediamente ripetute

(rinaturazione rapida) e seq. uniche (rinaturazione lenta)

Nelle cellule il DNA non puo’ essere contenuto in forma estesa!

Strategie di compattamento mediante associazione con proteine e superavvolgimenti

à 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 trascrizionalmemte)

Le anse cromatiniche si formano su impalcature di proteine non istoniche

associate al nucleoscheletro (matrice nucleare)

La cromatina puo’ trovarsi •costitutiva (DNA sempre

in stato rilassatoà eucromatina compatto mai trascritto)

In stato fortemente compattato eterocromatina

à •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 puo’ 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 necleosoma

•Trasferimento dell’ottamero istonico

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

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 ipotonica

si stratificano

in fondo Colorante

Centrifuga Globuli

Campione bianchi

di sangue Si elimina il liquido e le cellule vengono Centrifugando ancora, i globuli bianchi gonfi

Plasma mescolate con una soluzione ipotonica. 3

2

1 precipitano sul fondo.

Il campione di sangue Questo procedimento fa gonfiare e Viene eliminato il liquido contenente i globuli

viene centrifugato per separare le scoppiare i globuli rossi. I globuli bianchi si rossi.

cellule dalla parte liquida. gonfiano ma non si rompono, e i Si aggiunge un fissatore ai globuli bianchi.

cromosomi si allontanano uno dall’altro.

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 5

4 I 46 cromosomi qui rappresentati comprendono 22 coppie di autosomi e

collegata una macchina fotografica digitale. L’immagine 2 cromosomi sessuali, un X e un Y. Ogni cromosoma è costituito da

dei cromosomi viene immessa in un computer, che li 2 cromatidi attaccati fra loro così strettamente da essere difficilmente

Figura 8.19 ordina per forma e dimensione. distinguibili.

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 N

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Studio della densità del DNA alle generazioni successive

à

Inizio replicazioneà 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”

Formazio