Genetica I

Genetica

Differenze tra cellule batteriche, animali e vegetali

Procarioti

Si dividono in due gruppi:

• Eubatteri: batteri veri e propri
• Archeobatteri: batteri primitivi, sono più simili agli eucarioti di quanto non lo siano gli eubatteri

Hanno diverse sequenze di DNA. Nucleo assente, quindi il materiale genetico è a stretto contatto con il citoplasma. Il diametro cellulare è di circa 10 micron, ad esempio Escherichia coli ha un diametro di mezzo micron. Il genoma è rappresentato da una molecola di DNA circolare. Il DNA non è condensato con le proteine istoniche. Struttura membrana cellulare: ci sono i batteri gram-negativi che hanno due membrane cellulari e i gram-positivi solo una. Informazioni genetiche accessorie si trovano sui plasmidi.

Cellula procariote

Un solo cromosoma circolare. La divisione avviene per scissione binaria a seguito della replicazione del cromosoma batterico che avviene in una posizione ben precisa sul cromosoma batterico: origine di replicazione; a seguito della divisione del genoma si formano due cromosomi circolati identici e si portano ai poli opposti della cellula; in alcuni batteri ci sono proteine che si legano alle origini di replicazione e fissano i nuovi cromosomi alla membrana plasmatica alle estremità opposte della cellula. Alla fine del processo si ha divisione delle due cellule figlie identiche. Ogni 20 minuti si dividono.

Eucarioti

Nucleo presente, quindi materiale genetico è confinato all'interno del nucleo. Dimensioni cellulari, da 10 a 100 micron. DNA lineare. DNA condensato da proteine istoniche e il complesso tra DNA e istoni costituisce la cromatina. Hanno organelli, come i sistemi di endo-membrane, i ribosomi, mitocondri. DNA legato, comporta che sia meno accessibile rispetto a quello dei procarioti.

Distinzione tra cellule vegetali e animali negli eucarioti

Le cellule vegetali presentano una parete cellulare di cellulosa e lignina che conferisce una struttura rigida alle cellule vegetali. Hanno il vacuolo, che è delimitato da una membrana chiamata tonoplasto. Hanno cloroplasti.

DNA negli eucarioti e la ploidia

L'insieme delle proteine istoniche e DNA costituisce la cromatina, essa forma strutture discrete durante alcune fasi del ciclo cellulare, i cromosomi. L'insieme dei cromosomi definisce l'assetto cromosomico e il numero di assetti cromosomici definisce la ploidia: quante serie di informazioni genetiche sono presenti. Diploidi: cellule che presentano una doppia serie di informazioni genetiche. Aploidi: cellule riproduttive, spore che contengono un'unica serie di informazioni genetiche. Le cellule di alcuni organismi contengono più di due serie di informazioni genetiche e vengono definite poliploidi.

Ad esempio l'assetto cromosomico del frumento coltivato, che ha un assetto esaploide 2n=6x, quindi 42 cromosomi che derivano da tre specie ancestrali diploidi: una specie che ha fornito l'assetto A, chiamata Triticum urartu, un assetto definito B fornito da Aegilops speltoides, e un assetto definito come D fornito da specie selvatica Aegilops tauschii.

Cellule eucarioti

Due serie di cromosomi: una ereditata da genitore femminile e l'altra da genitore maschile. 23 coppie di cromosomi, rappresentati dal più grande al più piccolo. Costituiti da coppie omologhe, simili per dimensioni.

Un organismo diploide presenta cromosomi omologhi che portano informazioni simili ma non identiche, per esempio su un cromosoma paterno potrebbe esserci un allele A grande e per lo stesso gene sul cromosoma materno potrebbe esserci l'allele a piccolo; l'allele A grande potrebbe codificare per un colore e l'allele a piccolo per un altro.

Fase della vita aploide: gameti n= 23 cromosomi. Fase della vita diploide: (tutte cellule individuo) cellule somatiche sono diploidi, hanno n=46.

Cromosoma eucariotico

Centromero: punto di attracco dei microtubuli del fuso durante la divisione cellulare, organizzazione multiproteica chiamata cinetocore che a livello del cinetocore vi è l'aggancio dei microtubuli che serviranno a separare i cromatidi di un cromosoma durante mitosi o meiosi. In seguito alla divisione di DNA si origina un cromosoma formato da due cromatidi, che sono ancora uniti a livello del centromero; soltanto successivamente alla loro separazione possono essere considerati come cromosomi distinti.

Telomeri: sono presenti all'estremità dei cromosomi che servono a proteggerli e a stabilizzarli e hanno un ruolo importante nella senescenza della cellula.

Origine di replicazione: sono multiple. Classificati sulla base della posizione del centromero:

• Submetacentrico: cromosoma che ha il centromero più spostato verso un'estremità del cromosoma, darà origine a un braccio corto e uno lungo
• Metacentrico: se i due bracci cromosomici sono di uguale lunghezza
• Telocentrico: se il braccio corto di un cromosoma è inesistente
• Acrocentrico: se il centromero divide il cromosoma in un braccio è estremamente corto e l'altro estremamente lungo

Ciclo cellulare

Sebbene la lunghezza dell'interfase differisca da una cellula all'altra, una cellula di mammifero in divisione passa circa 10 ore in G1, 9 ore in S e 4 ore in G2. Ad esempio nei fibroblasti si ha divisione cellulare ogni 24 ore, mentre le cellule intestinali ogni 12 ore. Alcune cellule, raggiunta la maturità, perdono la capacità di dividersi come cellule muscolari e i neuroni; cellule che la riacquistano in seguito a danneggiamenti come gli epatociti; e cellule che continuano a rinnovarsi come le cellule dell'epidermide, cellule staminali midollo osseo e cellule intestinali.

Costituito da due fasi principali:

1. Interfase, periodo che intercorre tra due divisioni cellulari successive, durante questa fase la cellula cresce, duplica il suo DNA e svolge le sue funzioni metaboliche.
2. Fasi mitotica, comprende, prima fase, mitosi e la seconda, citocinesi.

Interfase

Periodo di crescita, la cellula sintetizza DNA e proteine e svolge le sue funzioni biochimiche, questa fase è divisa in 3 sottofasi:

• G1: la cellula si accresce, vengono sintetizzate proteine necessarie per la divisione, verso la fine c'è un checkpoint chiamato G1s, la cellula verifica se ci sono tutti i componenti necessari per la replicazione del DNA; prima di questo checkpoint la cellula può entrare in G0, una fase di non divisione, in cui mantiene dimensioni costanti e può rimanerci per parecchio tempo.
• S: cellula entra nella fase S dove avviene la sintesi del DNA, quindi la duplicazione dei cromosomi (prima della fase S cromosoma costituito da singolo cromatidio), dopo la fase S cromosoma costituito da due cromatidi.
• G2: cellula entra in questa fase, alla fine c'è un altro checkpoint G2m che viene superato solo se il DNA della cellula è stato completamente e correttamente replicato. Superato entrerà nella fase M.

Relazione tra il ciclo cellulare e cancro

Le transizioni tra le diverse fasi del ciclo cellulare (G1, S, G2 e M) sono regolate da "punti di controllo" (checkpoint). Un checkpoint è costituito da un insieme di eventi che bloccano l'avanzamento della cellula nel ciclo fino a quando un processo critico, come per esempio la sintesi o la riparazione del DNA, non siano completati. Una volta effettuato il controllo, il ciclo cellulare può riprendere. Due tipi di proteine hanno un ruolo importante nella progressione del ciclo: le cicline e le chinasi ciclina–dipendenti (CDK). I complessi formati tra le cicline e le CDK inducono la progressione del ciclo cellulare.

Le chinasi dipendenti da ciclina hanno funzione di fosforilare le proteine, la fosforilazione permette di attivare determinate proteine atte a far progredire il ciclo cellulare; condizione necessaria è la presenza appunto delle cicline. Uno dei punti importanti di controllo del ciclo cellulare denominato come start, si trova circa a metà della fase G1 e sono implicati la CDK4 (proteina chinasi 4) e la ciclina D; se la cellula supera questo punto di controllo, la cellula viene programmata per un altro ciclo di divisione del DNA. Ma ci sono proteine con attività inibitorie in grado di percepire problemi nella fase G1 come diminuzione dei nutrimenti, quindi questi elementi possono fermare ciclina e CDK e impedire che cellule entrino in fase S, diverse proteine inibitorie come proteina P53 che attiva la trascrizione di un gene chiamato P21 che codifica per una proteina inibitrice delle chinasi dipendenti da ciclina (blocca le chinasi) o proteina RB retinoblastoma che lega, inibendole, le proteine E2F, fa sì che il ciclo cellulare non proceda.

Nelle cellule tumorali, i punti di controllo perdono la regolazione a causa di difetti genetici, ad esempio possono essere mutati i geni che codificano per le cicline o proteina chinasi, quindi questo punto di controllo start non è più attivo; oppure i geni che codificano per le proteine che rispondono alle proteine chinasi dipendenti da ciclina possono essere mutati e quindi la proteina chinasi non è più in grado di svolgere la sua funzione di controllo oppure i geni che producono le proteine con funzione di controllo mutano. Quindi se la cellula salta questi checkpoint, pur in assenza di problemi, la cellula prosegue con le due divisioni cellulari e il risultato sarà una divisione cellulare incontrollata che svilupperà una neoplasia, un tumore. La deregolazione del ciclo trasforma una cellula normale in una cellula cancerosa.

La variazione del contenuto di DNA nel ciclo cellulare – C value

Nell'interfase la cellula ha un contenuto di DNA pari a 2C e a un numero cromosomico pari a 2n. C è la quantità di DNA in picogrammi contenuta in una cellula aploide. Nella fase S, c'è duplicazione del DNA, quindi la cellula pur essendo ancora 2n poiché i cromatidi sono ancora attaccati a livello del centromero, avrà un valore di C pari a 4, quindi la cellula continuerà a essere 2n e 4C fino alla fine della mitosi, dove avverrà la separazione dei due cromatidi fratelli in due cellule figlie e quindi la quantità di DNA all'interno della cellula tornerà a essere 2C.

Cellula diploide ha contenuto cellulare pari a 2C; durante il ciclo cellulare:

• In G1: sarà 2C
• In S: alla fine di questa fase sarà 4C
• In G2 sarà ancora 4C fino alla fine della meiosi ancora 4C con la fine della mitosi tornerà a essere 2C, separazione dei due cromatidi in due cellule figlie.

Variazioni nella struttura del DNA durante ciclo cellulare

In una cellula in fase G1, i cromosomi sono decondensati, il DNA è in una struttura aperta e può essere quindi trascritto; quando ci si avvia verso la duplicazione avviene una condensazione del DNA, come formazione della struttura "collana di perle" in cui il DNA è condensato nei nucleosomi, compattazioni successive come la fibra cromatinica da 30 nanometri indicata come solenoide, successivamente viene condensato in anse di cromatina delle dimensioni di 300 nanometri che a loro volto si condensano accorpandosi in una struttura di 700 nanometri che rappresenta il braccio di un cromatidio di un cromosoma in metafase che ha dimensione di 1400 nanometri; quindi in metafase i cromosomi sono visibili.

Paradosso del valore di C

Il valore C, si è visto che era costante nel nucleo degli organismi appartenenti allo stesso organismo. Hanno osservato che questo valore C non era collegato alla complessità di una determinata specie.

Mitosi

Divisa in diverse fasi:

• Profase: condensazione cromatina; cromosomi costituiti da 2 cromatidi fratelli (4C); formazione fuso mitotico (microtubuli e proteine associate) all'esterno del nucleo; frammentazione organuli cellulari (es. RE, Golgi); scomparsa nucleolo.
• Prometafase: scomparsa membrana nucleare; ingresso microtubuli nel nucleo; organizzazione dei cinetocori (complessi proteici) a livello del centromero e presa contatto con microtubuli del cinetocore.
• Metafase: allineamento cromosomi sulla piastra metafasica; aggancio al cinetocore dei microtubuli del cinetocore; tutti i cromatidi fratelli sono connessi ai poli opposti dai microtubuli; c'è un checkpoint che garantisce che ciascun cromosoma sia allineato sulla piastra metafasica e che sia associato alle fibre del fuso mitotico ai poli opposti del fuso, questo controllo dipende dalla tensione generata sul cinetocore da parte delle fibre del fuso quando i cromatidi sono tirati in direzione opposta, se ad esempio un solo cromatidio viene agganciato non si genera alcuna tensione perché non ci sarà l'altro cromatidio che si oppone nella direzione opposta.
• Anafase: separazione dei 2 cromatidi fratelli grazie alle fibre dei microtubuli; migrazione ai poli opposti, quindi ora ciascun cromatidio può essere considerato un effettivo cromosoma.
• Telofase: termine della migrazione ai poli opposti; scomparsa dei microtubuli; ri-formazione della membrana nucleare; ricomparsa dei nucleoli; decondensazione cromosomi.

Citocinesi: introflessione della membrana nella regione centrale e separazione delle cellule figlie; ricostruzione della parete nelle cellule vegetali; sistema di microfilamenti di actina e miosina che formano un anello contrattile che divide in due la cellula.

MTOC - centro organizzatore dei microtubuli: il centrosoma funge da principale organizzatore dei microtubuli ed è composto da due centrioli disposti perpendicolarmente, circondati da una massa proteica detta pericentriolare responsabile della formazione dei microtubuli. Il fuso mitotico contiene 3 tipi di microtubuli: i che connettono i poli del fuso ai cinetocori a livello dei cromatidi fratelli; microtubuli interpolari che collegano i poli della cellula in divisione; i astrali che agganciano il centrosoma ai poli opposti della cellula. Il numero di cromosomi aumenta soltanto in anafase in cui i cromatidi diventano cromosomi distinti.

Variazione numero cromosomi e C value

(Numero cromosomi diploide pari a 46)

Fase G1, cromosomi n=46 e c=2C
Fine fase S, avremo sempre 46 cromosomi perché uniti a livello del centromero; ma il DNA è duplicato quindi c=4C
Anafase, avremo 4C e 92 cromosomi
Fine mitosi, con l'effettiva divisione della cellula, ritornerà a essere n=46 e 2C

Meiosi

Comprende due divisioni cellulari successive separate da un'interfase durante la quale non avviene la duplicazione del DNA.

Meiosi I

• Profase I (fase più lunga)
  • Leptotene: condensazione dei cromosomi duplicati nell'interfase; cromatidi strettamente appaiati; inizio del fuso mitotico.
  • Zigotene: inizio appaiamento cromosomi omologhi alle estremità (sinapsi) e estensione dell'appaiamento (mediato da una struttura proteica: complesso sinaptinemale).
  • Pachitene: completamento appaiamento e formazione di bivalenti (se riferito ai cromosomi) o tetradi (se riferito ai 4 cromatidi); crossing-over (CO) tra cromatidi non fratelli.
  • Diplotene: dissoluzione complesso sinaptinemale; inizio allontanamento degli omologhi di ogni coppia; chiasmi visibili (manifestazione citologica del CO).
  • Diacinesi: condensazione cromosomi (ogni bivalente è visibilmente costituito da 4 cromatidi); cromatidi fratelli uniti da centromero; i cromatidi di ogni coppia di omologhi hanno contatti a livello dei chiasmi nelle zone dei CO. Da qui i cromosomi non sono più agganciati alla membrana.

• Metafase I: disposizione dei cromosomi appaiati sul piano equatoriale; scivolamento dei chiasmi verso le estremità di ogni coppia di cromosomi (terminalizzazione dei chiasmi).
• Anafase I: inizia migrazione ai poli, del cromosoma materno e del cromosoma paterno; NO separazione dei cromatidi fratelli; gli omologhi di ogni coppia si separano (disgiunzione degli omologhi) e migrano ai poli opposti.
• Telofase I: stessi eventi della mitosi; prima della divisione la cellula è 4C perché ogni cromosoma omologo ha 2 cromatidi fratelli uniti al centromero; dopo citocinesi, si ottengono 2 cellule con numero cromosomico ridotto a metà; ancora 2C perché ogni cromosoma ha ancora due cromatidi.

Tra Meiosi I e II c'è interfase ma NON avviene la duplicazione del DNA.

Meiosi II

• Profase II: stessi eventi della mitosi
• Metafase II: stessi eventi della mitosi
• Anafase II: stessi eventi della mitosi
• Telofase II e citocinesi: stessi eventi della mitosi, si ottengono 4 cellule aploidi con corredo cromosomico ridotto a metà, quindi n=1 e 1C.

Schema semplificato della meiosi

In riferimento al numero di cromosomi:

• I divisione meiotica: riduzionale, poiché il numero di cromosomi alla fine dell'anafase, nelle due cellule figlie (1 cromosoma), è dimezzato rispetto alla cellula madre (2 cromosomi).
• II divisione meiotica: equazionale, poiché il numero di cromosomi rimane invariato

In riferimento al contenuto di DNA:

• I divisione meiotica: rimane inalterato rispetto alla cellula madre (2C, 2C)
• II divisione meiotica: dimezzato rispetto alla cellula madre (da 2C a 1C)

Il CO è fonte di variabilità genetica. Al pachitene della profase I della meiosi si possono verificare CO (scambio fisico di segmenti tra cromatidi omologhi ma non fratelli), quindi tra cromatine del cromosoma materno e il cromatide del cromosoma paterno.

La ricombinazione (cambiamento del rapporto di associazione tra alleli di 2 geni concatenati) è la conseguenza genetica del CO. I prodotti meiotici derivati da un singolo evento di CO tra 2 geni sono:

• 2 cromatidi parentali (non ricombinanti)
• 2 cromatidi ricombinanti

Anche la separazione casuale dei cromosomi omologhi produce variazione genetica. La distribuzione casuale di cromosomi che si verifica in anafase I, in seguito al loro allineamento.