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Struttura degli Acidi Nucleici: DNA, RNA

Genetica scienza che studia i geni, i caratteri ereditari e la variabilità genetica degli

La è la

organismi (genetica: dal greco gennao = dare vita, generare).

DNA o ACIDO DEOSSIRIBONUCLEICO molecola centrale della vita

Il (desossiribonucleico) è la

contiene tutte le informazioni ereditarie degli organismi cellulari

poichè .

e dei virus a DNA

nuclei cellulari organelli citoplasmatici

cromosomi

Il DNA è presente nei , organizzato nei , e in tra

mitocondri cloroplasti dirigere la propria replicazione

cui i e (cellule vegetali), ha il compito di

durante la divisione cellulare trascrizione di molecole complementari di RNA

e la .

Struttura del DNA

La è stata i quali,

scoperta nel 1953 da James Watson e Francis Crick

studi dei cristalli di DNA tecnica di diffrazione dei raggi X

partendo da mediante la , osservarono

macchie

che il DNA produceva una diffrazione dei raggi caratteristica, cioè delle caratterizzate da

croce al centro bande molto intense a dx e a sx corrispondenti alle basi

una con , per cui

DNA-B quella più rappresentata in natura

riuscirono a descrivere la struttura del che è nelle

2 filamenti polinucleotidici avvolti a spirale uno

cellule eucariotiche e procariotiche , costituito da

sull’altro in maniera destrorsa senso orario

, in formando una doppia elica.

Per cui il rappresenta l’ , costituito da una ,

Nucleotide unità fondamentale del DNA base azotata

uno e un .

zucchero gruppo fosfato

basi azotate purine pirimidine

anelli eterociclici di atomi di C e N

Le sono , distinte in e :

 basi azotate puriniche: adenina (A) e guanina (G). T

 dall’uracile

è sostituita

basi azotate pirimidiniche: citosina (C), timina (T); nell’RNA la (U).

residuo pentoso a 5

Lo presente nei nucleotidi del DNA è un del deossiribosio, cioè un

zucchero ribosio

atomi di C a forma di anello RNA residuo

, mentre nell’ è presente un del .

PO 43 -

Il viene indicato con .

gruppo fosfato 1, 2 o 3

I sono distinti in , e a seconda della presenza di

nucleotidi monofosfato difosfato trifosfato

deossiribonucleotidi

gruppi fosfato DNA

, che nel caso del prendono il nome di perché lo zucchero è

deossiadenosina monofosfato,

livello del C1’

il deossiribosio che a si lega alla base azotata:

difosfato e trifosfato deossiguanosina deossiuridina

dAMP dADP dATP dGMP dGDP dGTP

, , , , , ,

deossitimidina deossicitidina

dUMP dUDP dUTP dTMP dTDP dTTP dCMP dCDP dCTP

, , , , , , , , .

assenza del gruppo fosfato zucchero base azotata

In si parla di , costituito dallo e , con

Nucleoside

adenosina guanosina citidina timidina uridina

distinzione tra nucleosidi purinici e , e pirimidinici , e .

polimero di unità monomeriche nucleotidi uniti tra loro da legami

Quindi il è un dette ,

DNA

fosfodiesterici l’

atomo di C in posizione 5’ di un residuo di zucchero

, in cui si lega mediante un

all’atomo di C in posizione 3’ del residuo di zucchero successivo , formando la

gruppo fosfato con .

catena polinucletodica alternanza tra zuccheri e fosfati l’estremità 5’

delle sequenze degli acidi nucleici è sempre 5’→3’

Per convenzione la : e

direzione

nucleotidi terminali gruppi 5’ e 3’ liberi

3’ sono costituite da con i .

Inoltre, Watson e Crick hanno dimostrato che:

 puriniche e pirimidiniche sono disposte all’interno della doppia elica

le , mentre le

basi catene

disposte all’esterno

zucchero-fosfato sono riducendo al minimo le repulsioni tra i gruppi fosfato

porzione invariabile del DNA

, costituendo la .

carichi

 piani delle basi sono perpendicolari all’asse dell’elica

i .

longitudinale

 e

ogni base di un filamento è legata mediante deboli legami H ad una base del filamento opposto

unite da

, cioè tra (A=T)

questi legami si stabiliscono tra coppie di basi specifiche adenina e timina

2 legami H unite da 3 legami H

, (G≡C) , per cui le coppie di basi sono

guanina e citosina sequenza di un filamento determina

complementari e i 2 filamenti sono complementari cioè la

la sequenza dell’altro sull’altro avremo la sequenza T-G.

: se un filamento ha la sequenza A-C

corrono in direzioni opposte 5’→3’ 3’→5’

 i 2 filamenti sono antiparalleli, cioè , e .

regole di Chargaff

Tutto ciò rispetta le cosiddette , cioè: quantità di A = alla quantità di T

─ il , cioè la .

n° dei residui di A è = al n° dei residui di T quantità di G = alla quantità di C

─ il , cioè la .

n° dei residui di G è = al n° dei residui di C 2

A + T = G + C

─ per cui la , cioè ,

somma dei residui purinici è = alla somma dei residui pirimidinici

composizione in basi del DNA

per cui la può essere specificata in %: ad es. un DNA con una % in

GC = 40% e AT = 60% ha una composizione in basi pari a: G 20%, C 20%, A 30%, T 30%.

filamenti nucleotidici separati da una distanza regolare di 1 nm rispetto al centro dell’elica

 i sono .

 la ha un e corrispondente al

doppia elica Ø di 2,37 nm forma un giro completo ogni 3,4 nm passo

ciascun filamento dell’elica,

di costituita da .

10 coppie di basi per giro

si trovano all’esterno andamento a spirale tra

 il DNA presenta che con ,

2 profonde scanalature

le catene di zucchero-fosfato 2 basi

, cioè il e il dovuti al fatto che le

solco maggiore solco minore

hanno dimensioni diverse 2 filamenti non sono equidistanti dal centro dell’elica

, per cui i .

conformazioni DNA A e Z

Oltre al DNA-B sono state identificate altre cioè il .

Il DNA A è la forma che il DNA assume in condizioni di bassa umidità e disidratazione,

un’

rappresentata da con , costituita da

elica destrorsa Ø di 2,5 nm passo di 2,9 nm 11 coppie di basi

dell’elica piano inclinato di 20° rispetto all’asse dell’elica

con , ,

per giro solco maggiore più ampio

nastro piatto avvolto

rispetto al DNA-B, per cui si presenta come un

solco minore più stretto

intorno ad un buco cilindrico .

Il DNA Z è costituito da una , , con ,

doppia elica sinistrorsa levogira Ø di 1,8 nm passo di 4,6 nm

contenente , e

12 coppie di basi per giro solco maggiore più superficiale, non distinguibile solco

simile ad una punta da trapano sinistrorsa coppie di basi

, . Le hanno il

minore più profondo

piano ruotato di 180° unità ripetitiva

rispetto all’asse della doppia elica, per cui l’ è un

dinucleotide legami fosfodiesterici procedono a zig-zag

, anziché 1 nucleotide, in cui i (DNA-Z).

RNA o ACIDO RIBONUCLEICO

L’ differisce dal DNA perché:

acido nucleico a singolo filamento costituito da unità monomeriche o nucleotidi

 è un (5’→3’)

tenuti insieme da legami fosfodiesterici .

zucchero presenza del gruppo OH in posizione 2 (C2’)

 β-D-Ribosio

lo è il con .

basi azotate adenina guanina citosina uracile

 rispetto all’U

le sono , , e al posto della timina che

gruppo metilico CH in posizione 5

presenta un .

3

RNA molecola a breve emivita continuamente

Inoltre, l’ , rispetto al DNA, è una che viene

sintetizzata grazie alla trascrizione del DNA e distrutta dalla cellula in base alle sue esigenze .

vari tipi di RNA

Funzionale

Dal punto di vista possiamo distinguere :

sintetizzate nei nucleoli assemblate nel citoplasma alle

 rRNA o RNA ribosomiale (80%): e

subunità maggiore e minore dei

proteine ribosomiali sintetizzate nel R.E.R. formando la

ribosomi traduzione o sintesi proteica

su cui avviene la .

 tRNA o RNA transfer o di trasferimento (15%): hanno il compito di trasferire gli amminoacidi

esiste un t-RNA specifico per ogni amminoacido

ed .

ai ribosomi durante la sintesi proteica

regola la sintesi dei polipeptidi sui ribosomi durante la traduzione

 mRNA o RNA messaggero (5%): .

 snRNA o piccolo RNA nucleare (small nuclear RNA), sno-RNA o piccolo RNA nucleolare.. 3

Sintesi o Replicazione del DNA

Sintesi o Replicazione del DNA durante la fase S del ciclo cellulare duplicazione

La avviene con

del DNA parentale formazione di 2 molecole di DNA identiche distribuite nelle 2

e che saranno

cellule figlie momento della divisione cellulare

al .

In pratica, ciascuno dei 2 filamenti del DNA funge da stampo per la sintesi di un nuovo filamento

2 molecole di DNA a doppia elica

, favorendo la sintesi di ciascuna formata da un

complementare e un

filamento derivante dal DNA parentale della cellula progenitrice filamento complementare

semi-conservativa DNA delle cellule

, per cui la replicazione del DNA è perché il

neosintetizzato

figlie è identico a quello della cellula progenitrice (replicazione conservativa, dispersiva).

sintesi del DNA controllata vari enzimi e proteine l’enzima

La viene da , tra cui .

DNA polimerasi

DNA polimerasi III

3 tipi di DNA polimerasi

Nelle Cellule Procariotiche esistono : la deputata alla

replicazione del DNA attività di sintesi in direzione 5’→3’ velocità di sintesi pari a ~

con e

DNA polimerasi I DNA polimerasi

1000 nucleotidi/sec. replicazione e riparazione

, la deputata alla ,

II deputata alla riparazione attività di esonucleasi 3’→5’

. La riparazione si deve alla con

correzione degli errori che avvengono durante la sintesi (correzione di bozze).

3 classi principali di DNA polimerasi

Nelle Cellule Eucariotiche esistono :

 DNA polimerasi DNA-dipendenti, ad alta fedeltà: sono dette DNA-dipendenti perché usano il

per la , e sono dette ad alta fedeltà

filamento stampo di DNA sintesi del filamento complementare

attività esonucleasica 3’→5’ di correzione di bozze alta fedeltà di

perché sono dotate di con

replicazione (1 errore/10 nucleotidi copiati).

DNA polimerasi e δ

nucleo sintesi velocità di sintesi pari a ~ 50

α

Nel la si deve alla con

DNA polimerasi ε

nucletotidi/sec. grado di identificare

, mentre la riparazione si deve alla che è in

le basi incorporate in maniera errata tagliare il segmento di DNA contenente l’errore

, e

sintetizzare il DNA corretto . DNA polimerasi

mitocondri sintesi e riparazione del DNA γ.

Nei la sono modulate dalla

 DNA polimerasi ι

DNA polimerasi DNA-dipendenti, a bassa fedeltà: ricordiamo la (iota) che

ha un tasso di errore 20.000 volte > alle DNA polimerasi ad alta fedeltà (cellule del SI).

sintetizzano il DNA

 DNA polimerasi RNA-dipendenti o trascrittasi inverse: questi enzimi

enzima telomerasi

utilizzando uno stampo di RNA deputato alla sintesi dei telomeri

, come l’ .

taglia un filamento del DNA

si ha l’intervento dell’enzima

Nelle che

fasi iniziali topoisomerasi II

favorendo lo .

svolgimento del DNA

La replicazione del DNA avviene in punti specifici detti origine di replicazione: nelle cellule

solo una origine di replicazione sono attive

c’è

procariotiche , mentre nelle cellule eucariotiche

più origini di replicazione contemporaneamente fase S dura solo 1-2 h

, ecco perché la .

livello delle origini di replicazione punto di

A si forma la forcella o forca di replicazione,

biforcazione della doppia elica parentale , in cui si ha l’intervento dell’enzima che

elicasi

determina il , favorendo la

progressivo srotolamento della doppia elica del DNA parentale

con formazione del filamento guida o leader (leading strand)

separazione dei 2 filamenti del DNA sua sintesi inizia leggermente in

e del filamento in ritardo (lagging strand) cosiddetto perché la

ritardo rispetto a quella del filamento guida . legano ai filamenti denaturati impedendo che

Le (single strand-binding protein) si

proteine SSB

questi possano riavvolgersi a formare la doppia elica bloccherebbe la replicazione

che .

sintesi dei filamenti si deve all’intervento dell’enzima DNA polimerasi α

La che usa i precursori

, cioè i , , , , da cui derivano i , ma

dNTP deossinucleosidi trifosfato dATP dCTP dGTP dTTP nucleotidi

catalizza la sintesi

è necessario l’intervento dell’enzima

per iniziare la sintesi che di un

primasi

corto filamento di RNA costituito da 3-5 nucleotidi

, cioè un che

Primer di RNA o innesco

gruppo OH libero all’estremità 3’ DNA polimerasi aggiuge i nuovi

presenta un dove la

nucleotidi complementari al filamento stampo unendo i nucleotidi in successione

, mediante

legami fosfodisterici idrolisi del pirofosfato (PPi)

. L’

5’→3’

in ad opera di una

direzione

pirofosfatasi fornisce l’energia necessaria alla reazione

, . 4

DNA DNA è costituito da 2 filamenti

La sintesi del è asimmetrica e semi-discontinua perché il

complementari e antiparalleli filamento 5’→3’ filamento 3’→5’

, cioè il e il :

sintesi del filamento guida avviene in direzione 5’→3’ direzione di movimento della

 la , nella

forchetta di replicazione sintesi continua DNA polimerasi aggiunge nucleotidi in

, con perché la

successione al gruppo OH libero in 3’ .

sintesi del filamento in ritardo direzione 5’→3’ direzione opposta al

 la avviene sempre in ma in

movimento della forchetta di replicazione discontinuo sintetizzato in

e in modo perché viene

piccoli segmenti lunghi 100-1000 nucleotidi ciascuno sintetizzato

detti frammenti di Okazaki, ,

a partire da un enzima

per intervento dell’

, che poi saranno uniti che

primer a RNA DNA ligasi

catalizza la formazione di un legame fosfodiestere gruppo OH 3’ dell’estremità di un

tra il

frammento di Okasaki gruppo fosfato 5’ del frammento di Okasaki adiacente

e il , formando un

filamento continuo . Gene: definizione, struttura e funzione dei geni

GENI unità fondamentale dell’ereditarietà segmenti di DNA contengono

l’

I rappresentano , cioè che

l’informazione ereditaria necessaria per la vita garantire la trasmissione dei caratteri ereditari

e .

patrimonio genetico di un organismo

insieme dei geni

L’ costituisce il genoma, cioè il .

genoma umano è costituito da ~ 30.000 geni

Il :

ogni gene occupa sul cromosoma una posizione specifica locus

─ detta .

geni sono presenti in coppie sui cromosomi omologhi gene di origine materna

─ i , cioè un e uno di

origine paterna controllano i caratteri nella stessa misura o in modo diverso

che .

n° di basi ≥ 1.000 lunghezza proporzionata alla quantità

ogni gene è costituito

─ da un ed ha una

di informazioni da codificare

.

Struttura di base dei geni

La è rappresentata dall'unità trascrizionale costituita da 2 regioni cioè

la e , importanti per i processi di trascrizione e traduzione.

regione strutturale regione regolatoria

regione strutturale localizzata a valle del sito di inizio della trascrizione (3’),

La è trascritte in

caratterizzata da un alternanza tra o esoni che vengono

sequenze del DNA codificanti

pre-mRNA

, e o introni che pur trascritte in pre-mRNA,

sequenze del DNA non codificanti

successivamente vengono rimosse durante il processo di maturazione dell'mRNA mediante il

meccanismo dello splicing molecola di mRNA matura

, in modo da formare la che passerà nel

citoplasma per essere tradotta nelle proteine sui ribosomi citoplasmatici.

non tutti gli esoni sono codificanti 2,7% dei geni codifica per una proteina

In realtà e solo il .

sito di inizio della trascrizione AUG sito di

estremità 5' estremità 3'

All' c'e' il , mentre all' ci sono il

arresto della trascrizione UGA sito di poliadenilazione

e il dove sarà aggiunta la .

coda di poli(A)

esoni ed introni n° variabile nei diversi geni lunghezza del gene

Gli sono presenti in , ma la

dipende dal n° degli introni .

dinucleotide GT dinucleotide AG

iniziano terminano

Gli con il e con il , definite

introni sequenze

ruolo importante nel processo di splicing

, che svolgono un .

di giunzione privi di introni

I , i e molti sono .

geni mitocondriali geni degli istoni geni che codificano per i tRNA

Gli sono costituiti da una regione detta open reading frame (ORF) cioè

esoni quadro di lettura

localizzato al 5’

codone d’inizio

, costituita dal della traduzione AUG (ATG),

funzionale del gene

di ogni gene importante per dare inizio alla sintesi proteica

, .

regione regolatoria localizzata all'estremità 5' monte del sito

(5’-UTR

La è non tradotta) cioè a

di inizio della trascrizione ed è rappresentata dal promotore (TATA box), enhancer e silencer,

elementi genici a corta sequenza regolazione della trascrizione del gene

cioè importanti per la . 5

Trascrizione del DNA, Traduzione e Modificazioni Post-traslazionali

Espressione dell’Informazione Genetica 2 fasi

L’ contenuta nel DNA avviene in : la

trascrizione del DNA in RNA traduzione o sintesi proteica

e la . DNA dirige la propria

Secondo il della (Crick, 1958) il

dogma centrale biologia molecolare

replicazione e la trascrizione in RNA dirige la propria traduzione in proteine

che, a sua volta, , con

flusso dell’informazione genetica DNA→RNA→proteine enzima

anche se in realtà l’

dato da ,

trascrittasi inversa flusso dell’informazione sintesi del

dall’

può favorire il , cioè la

RNA al DNA

filamento del DNA a partire da un filamento di RNA che funge da stampo , come nel caso

enzima telomerasi

dell’ (o dei retrovirus-HIV).

TRASCRIZIONE processo di sintesi di una molecola di RNA a singolo filamento a partire

La è il

da un filamento stampo di DNA (mRNA, tRNA, rRNA, snRNA).

Trascrizione geni dell’eucromatina attivi dal punto di vista

La interessa i che sono

nucleo delle cellule eucariotiche

trascrizionale (interfase), avviene nel e in parte anche nei

mitocondri cloroplasti grazie all’intervento dell’enzima

e , RNA polimerasi DNA-dipendente che

DNA stampo ribonucleosidi trifosfati rNTP precursori

usa il come e i come (ATP, GTP, CTP, UTP).

Batteri nuclei

trascrizione 1 classe di RNA polimerasi

Nei (E. coli) la si deve solo ad , mentre nei

delle cellule eucariotiche 3 RNA polimerasi con funzioni diverse

esistono :

rRNA28S, 18S e 5,8S

localizzata nel nucleolo sintetizza gli

 RNA polimerasi I: , .

localizzata nel nucleoplasma

 rappresenta l’enzima

RNA polimerasi II: , più importante perché è

piccoli RNA nucleari

responsabile della trascrizione delle ed cioè

molecole di mRNA snRNA

assemblaggio dello spliceosoma per la maturazione dei trascritti primari

nell’

coinvolti .

localizzata nel nucleoplasma trascrive i geni per

 …

RNA polimerasi III: , rRNA 5S, tRNA

Trascrizione dell’RNA fase di inizio allungamento terminazione

La avviene in cioè , e :

3 fasi

enzima RNA elicasi 2 filamenti della doppia elica del DNA

 l’

: separa i , ottenendo il

fase di inizio funge da stampo per la sintesi del filamento di RNA

filamento stampo o antisenso che

complementare e il filamento non-stampo o con-senso.

direzione 5’→3’ enzima RNA polimerasi

 dall’

: avviene in ed è catalizzata .

fase di allungamento

procarioti RNA polimerasi si lega direttamente al DNA dando inizio alla sintesi

l’

Nei

dell’RNA eucarioti si ha l’intervento dei

, mentre negli fattori di trascrizione TF che hanno il

compito di legarsi corta sequenza di ~ 40 bp localizzata a monte del

al promotore, cioè una

gene entro 200 bp dal sito di inizio della trascrizione segnale di riconoscimento

, , dove agisce da

TF RNA polimerasi di riconoscere il

per l’enzima consentono all’

RNA polimerasi, cioè i

promotore di legarsi ad esso guidano l’RNA polimerasi durante la trascrizione del filamento

, e

stampo in direzione 5’→3’ .

trascrizione richiede l’intervento di precursori

La , cioè (rNTP) e

ribonucleosidi trifosfato

allungamento della catena di RNA aggiunta al gruppo ossidrilico OH libero

l’ avviene per

all’estremità 3’ residui di ribonucleosidi monofosfato

di (rNMP) forniti dagli rNTP.

RNA polimerasi procede in direzione 5’→3’ lungo il filamento stampo di DNA aggiungendo

L’

nucleotidi in successione al filamento di RNA in allungamento RNA

: man mano che la

polimerasi si sposta lungo il filamento nucleotidi si uniscono fra loro mediante un legame

, i

fosfodisterico nucleotide d’inizio all’estremità 5’

. Per cui il presenta un gruppo trifosfato (PPP),

-

mentre l’estremità 3’ presenta un gruppo OH libero.

sequenza dell’RNA complementare alla sequenza del filamento stampo identica

La sarà e sarà

alla sequenza del filamento non-stampo U al posto della T

, a parte l’ .

DNA si srotola davanti al filamento in crescita si riavvolge

Man mano che la sintesi procede il e

dietro di esso progressivo allontanamento dell’RNA neosintetizzato

con RNA polimerasi all’estremità 3’ il

sintesi dell’RNA termina

 : la quando la

fase di terminazione

segnale di fine della trascrizione UGA ricca di G e C

dove si forma la forcina di terminazione

rilascio della RNA polimerasi distacco del trascritto primario

unite da 3 legami H , favorendo il e il 6

di RNA forcina termina con la appaiata debolmente alla

poichè la che è

sequenza di poli(U)

enzima RNA ligasi

presente sul DNA riunisce i 2 filamenti di DNA

l’

. Infine, .

sequenza di poli(A) Fattori di Regolazione

trascrizione agiscono in trans cis

La viene controllata da che e in :

fattori di trascrizione TF proteine

 sono rappresentati dai cioè

fattori che agiscono in trans

che si legano al promotore favoriscono l’intervento dell’RNA polimerasi

e .

promotori enhancer silenziatori regolano

 sono rappresentati da , e che

fattori che agiscono in cis

solo la trascrizione o l’attività del gene in cui si trovano .

Promotore corta sequenza di ~ 40 bp localizzata a monte di ogni gene entro

Il è una , in genere

200 bp dal sito di inizio della trascrizione TF RNA polimerasi

e l’

, a cui si legano i che formano il

complesso fondamentale della trascrizione

.

regione centrale regione prossimale

Il promotore presenta una e una . localizzata a circa −10

La è costituita dalle sequenza TATA box

regione centrale del promotore

bp dal sito di inizio della trascrizione iniziare la trascrizione in modo corretto

importante per

grazie all’intervento di vari TF

, cioè:

riconosce si lega all’elemento TATA

 TFIID: e ed è formato da 2 elementi:

proteina che riconosce la TATA box corretto

─ TBP o TATA binding-protein: consentendo il

posizionamento del complesso di inizio della trascrizione sulla TATA box RNA

in modo che la

polimerasi II si trovi alla giusta distanza dal punto di inizio della trascrizione .

funzionano da coattivatori

─ TAF o fattori associati alla TBP (TBP-Associated Factors): .

stabilizza il legame tra TFIID e TATA

 TFIIA: .

lega ai due lati del TFIID > la zona di contatto con il DNA selezionando il sito di

 TFIIB: si ,

inizio della trascrizione .

recluta la RNA polimerasi II legame al promotore interazione tra la

 l’

TFIIF: favorendo il e

TBP e la RNA polimerasi . denaturazione

 TFIIE e TFIIH: hanno ed per cui determinano la

attività ATPasica elicasica

ATP-dipendente della doppia elica del DNA apertura dei 2 filamenti permettono alla

con e

RNA polimerasi II di iniziare la trascrizione muovendosi lungo il filamento stampo con

distacco dei TF

. monte della regione centrale −50/−200 bp

La si trova a , a

regione prossimale del promotore

dal sito di inizio della trascrizione modulano la

, comprendente la e la che

GC box CAAT box

regione centrale del promotore grado di funzionare in entrambi gli orientamenti

e sono in .

localizzata a -90 bp dal sito di inizio della trascrizione

 GC box: , facente parte della sequenza

5’-GGGCGG-3’ a cui si lega il . Questa sequenza si trova in

fattore di trascrizione ubiquitario Sp1

numerosi geni privi della TATA box geni strutturali indispensabili

, come i geni housekeeping,

per le funzioni e sopravvivenza della cellula geni che codificano per gli istoni

, come ad es. i ,

proteine del citoscheletro (actina) proteine ribosomiali enzimi della glicolisi

, ed .

localizzata a – 80 bp dall’inizio della trascrizione favorisce l’interazione

 CAAT box: spesso ,

della RNA polimerasi II al promotore per intervento del .

fattore di trascrizione CTF

Enhancer segmenti genici a sequenza corta

Gli (intensificatori) sono che hanno il compito di

potenziare la trascrizione di un gene grado di agire situati a molta distanza

e sono in anche se TF specifici

dal sito di inizio della trascrizione enhancer viene riconosciuto

l’

. In pratica da detti

favoriscono il legame tra il promotore e l’RNA polimerasi

attivatori o trans-attivatori che .

Silenziatori elementi di regolazione a sequenza corta inibiscono la

I (silencers) sono che

trascrizione dei geni TF specifici impediscono il

, infatti sono riconosciuti da detti repressori che

legame tra il promotore e l’RNA polimerasi destabilizzando il complesso trascrizionale

, ,

sopprimendo la trascrizione .

Prodotto della Trascrizione trascritto primario molecola di preRNA

Il è il o , ma a differenza

sintesi proteica inizia prima che sia completata la

delle dove la

cellule procariotiche

trascrizione , dato che non esiste una membrana nucleare che separa il genoma dai ribosomi, nelle

processi di trascrizione e traduzione avvengono separatamente

i , infatti la

cellule eucariotiche

trascrizione avviene nel nucleo sintesi proteica avviene sui ribosomi citoplasmatici

e la , ma

7

Modifiche post-

prima di passare nel citoplasma molecole di mRNA subiscono

le delle

trascrizionali avvengono nel nucleo

che , cioè , e , che

capping poliadenilazione splicing

dell’mRNA

favoriscono la .

maturazione aggiunta all’estremità 5’ dell’mRNA nucleoside

caratterizzata dall’

Il è una reazione di un

Capping

metilato legame fosfodisterico 5’→5’

7 C5’ del

, cioè la 7-metil-guanosina (m G) mediante un tra il

metilazione delle prime 2 basi

residuo di 7-metil-guanosina e il C5’ del primo nucleotide con

dell’mRNA e formazione di un gruppo chimico specializzato detto Cap o cappuccio che ha il

proteggere la molecola di mRNA degradazione da parte delle ribonucleasi

compito di dalla ,

facilitare lo splicing dell’RNA facilitare il trasporto dell’mRNA dal nucleo al citoplasma

, e

attacco dell’mRNA al sito di legame della subunità ribosomiale minore

l’ (40S).

termine della trascrizione dopo il taglio post-trascrizionale

La si verifica al

Poliadenilazione AAUAAA

estremità 3’ 15-30 nucleotidi dalla sequenza segnale

che avviene all’ a : dopo il taglio si

attacca una

reazione di poliadenilazione catalizzata dall’enzima

ha la poli-A-polimerasi che

sequenza di ~ 200 residui di acido adenilico (AMP) all’estremità 3’ dell’mRNA coda di

formando una

adenine > la stabilità durata di vita dell’mRNA proteggendola dalla

detta coda di poli-A che e

digestione da parte delle nucleasi modula l’efficienza della traduzione

e .

rimozione degli introni sequenze non

dell’mRNA

Lo (saldatura) consiste nella , cioè delle

Splicing

codificanti dell’mRNA taglio endonucleotidico da parte delle

, mediante un , e

endonucleasi

fusione degli esoni o sequenze codificanti formazione di un RNA più corto

conseguente con .

riconoscimento sull’mRNA

Inizialmente si ha il della giunzione di splicing cioè dei punti di

all’estremità 5’

che sono segnalati dal o

confine tra esone e introne dinucleotide GU sito donatore di

~ 40 nucleotidi da AG c’è il

AG all’estremità 3’

e o , mentre a sito

splicing sito accettore di splicing

importante per dare inizio allo splicing

di biforcazione o ramificazione, .

escissione degli introni transesterificazione

2 reazioni di

L’ avviene mediante :

taglio all’estremità 5’ della giunzione di splicing

 1^ reazione: si ha il (GU) e formazione di un

legame fosfodiestere 2’-5’ gruppo 2’-OH di un residuo di A dell’introne gruppo fosfato (P)

tra il e il

5’ terminale ’

per cui l’introne

(legame nucleofilico) assume una struttura a cappio (lariat).

legame fosfodiestere 3’-5’

gruppo 3’-OH ormai liberato gruppo

 2^ reazione: il forma un con il

rilascio dell’introne fusione degli esoni

fosfato P 5’-terminale dell’esone 2

, favorendo il e la .

complesso di RNA-proteine

reazioni dello splicing sono mediate

Le dallo che è un

Spliceosoma

costituito da 5 tipi di snRNP o piccole particelle ribonucleoprotreiche nucleari U1, 2, 4, 5 e 6,

piccoli RNA nucleari o snRNA proteine

costituiti dai e (ricche di uridina).

Esistono 2 tipi di spliceosoma:

 spliceosoma principale GU-AG (introni classici GU-AG):

sito donatore di splicing GU estremità 5’ appaiamento

─ l’ all’

si lega al mediante un

snRNP-U1

di basi RNA-RNA snRNP-U1 e GU sequenze complementari tra loro

tra che hanno .

sito di ramificazione A

─ l’ si lega al .

snRNP-U2 stabilizzano il legame del complesso

─ si ha il legame degli che

snRNP-U4, U5 e U6

spliceosomiale alla giunzione di splicing

;

snRNP-U5 si lega contemporaneamente al sito donatore e accettore di splicing

─ l’ .

snRNP-U1 U4 rilasciati dal complesso

─ e vengono .

snRNP-U6 lega estremità 5’ al sito donatore di splicing 2 reazioni di splicing

─ l’ all’

si ; le sono

snRNP-U2 al 3’ e snRNP-U6 al 5’ rimozione dell’introne saldatura degli

catalizzate da con e

esoni

.

 spliceosoma minore AU-AC: provvede alla rimozione di introni molto rari, detti introni AT-AC

snRNA U11 e U12 rimpiazzano U1 e U2

(5’; 3’) in cui gli .

splicing alternativo generare più

oltre il 50% dei geni umani

Lo interessa e consente di

molecole di mRNA dallo stesso pre-mRNA unendo in modo diverso gli esoni , per cui rappresenta la

fonte più importante di diversità delle proteine nei vertebrati (isoforme).

gene per la fibronectina nei fibroblasti ed epatociti

Ad es. abbiamo lo splicing alternativo del , il

gene della troponina T (cellule muscolari)… 8

modifiche post-trascrizionali sono terminate mRNA maturo attraversa il

, l’

Non appena le

complesso del poro nucleare passando dal nucleo nel citoplasma sui ribosomi avverrà la

dove

traduzione o sintesi proteica .

TRADUZIONE o Sintesi Proteica informazione genetica

l’

La è il processo mediante il quale

trasportata dall’mRNA maturo viene decodificata in polipeptidi sui ribosomi

.

espressione dell’informazione genetica

In pratica l’ segue il principio della colinearità, cioè la

sequenza nucleotidica del filamento stampo del DNA decodificata in gruppi di 3

viene

nucleotidi alla volta o codoni sequenza lineare nucleotidica

(triplette, trinucleotidi) nella

dell’mRNA viene decodificata in gruppi di 3 nucleotidi alla volta o codoni

che, a sua volta, nella

sequenza lineare aminoacidica della catena polipeptidica delle proteine .

codice a triplette nucleotidiche ogni

Noi sappiamo che il è un dette codoni, cioè

Codice Genetico

codone è formato da 3 nucleotidi ogni codone specifica per 1 amminoacido

(3 paia di basi) e .

64 codoni basi azotate nella sequenza nucleotidica dell’mRNA sono 4

Esistono considerando che le 3

(U, C, G, A) e ognuna di queste basi può assumere 3 possibili posizioni in un codone (4 = 64):

61 codoni codificano solo 20 amminoacidi diversi

 che , per cui si dice che il codice genetico è

ogni amminoacido è codificato in media da ~ 3 codoni differenti

degenerato (ridondante) infatti, ,

codificati da 6 codoni diversi codificati

tranne la che sono e la che sono

Leu, Ser e Arg Met e Trp

solo da 1 codone (AUG, UGG).

3 codoni di stop della traduzione proteica

 : , , .

UAA UAG UGA

codoni che codificano lo stesso amminoacido differiscono solo per il 3°

I sono detti sinonimi e

nucleotide : ad es. UUU e UUC codificano per la Phe.

codice genetico non è universale varia tra le diverse forme di vita

Inoltre, il ma e anche nella

codice genetico nucleare e mitocondriale sono simili ma non identici

stessa cellula il .

Traduzione avviene dopo la trascrizione e maturazione dell’mRNA trasporto

nel nucleo

La e

dell’mRNA maturo nel citoplasma sintesi proteica ribosomi grazie all’intervento

, dove la avviene sui

molecole di tRNA proteine enzimi regolano le fasi della sintesi proteica

delle , ed che .

Ribosomi grandi complessi ribonucleoproteici su cui avviene la sintesi proteica costituiti

I sono ,

da rRNA e proteine ribosomiali citoplasma mitocondri cloroplasti

che si trovano nel , e , presenti

n° variabile in base all’attività di sintesi proteica della cellula

in .

I ribosomi sono costituiti da :

2 subunita

 subunità ribosomiale maggiore 60S (Svedberg, coeff. sedimentazione): costituita dalle molecole

di e , e presenta 3 , cioè il sito P

rRNA 28S, 5.8S e 5S ~ 50 proteine ribosomiali siti di legame

viene occupato dal tRNA che porta la catena peptidica crescente

(peptidilico) che , il sito A

a cui si lega l’aminoacil-tRNA che porta l’amminoacido da inserire nella

(amminoacilico)

catena polipeptidica consente ai tRNA di abbandonare il ribosoma

, il sito E (di uscita) che .

 subunità ribosomiale minore 40S: costituita dall’ e da ;

rRNA 18S oltre 30 proteine ribosomiali

l’

inoltre presenta il per .

sito di legame mRNA

svolgono un ruolo importante nella sintesi proteica

Le molecole di tRNA : esistono 31 molecole

ed esiste un .

di tRNA per i 20 amminoacidi tRNA specifico per ogni residuo amminoacidico

complessa struttura secondaria “a trifoglio”

I tRNA presentano una caratterizzata da

gruppo fosfato (P)

estremità 5’ estremità 3’ termina in tutti i tRNA con la

un’ un’

legata al e che

sequenza CCA gruppo OH libero

legata al .

struttura a trifoglio certo n° di coppie di

La è composta da 4 braccia o steli caratterizzate da un

basi tenute insieme da legami H stabilizzano la struttura

che (GC, AU, GU). Le 4 braccia sono:

 ansa dell’amminoacido

7 bp residuo

braccio accettore: costituito da , detto perché il

amminoacidico trasportato dal tRNA si lega al gruppo OH 3’ terminale

.

 5 coppie di basi termina con un anello

braccio TψC: costituito da che contenente la sequenza

ribotimidina pseudouridina

TψC ψ

, dove è la , (psi) è la .

T 9

 5 bp sequenza di 3 nucleotidi

braccio dell’anticodone: costituito da , presenta una o anticodone

anticodone è

residuo amminoacidico trasportato dal tRNA , per cui l’

corrispondente al

complementare al codone dell’mRNA

.

 3 o 4 bp termina in un’ansa residui di diidrouridina

braccio D costituito da , contenente i (D).

struttura del tRNA invariante n° di coppie di basi delle braccia non varia tra le

La è perché il

diverse molecole di tRNA n°

, anche se può essere presente il braccio variabile formato da un

variabile da 3 a 21 nucleotidi struttura a stelo fino a 7 nucleotidi

e da una .

Traduzione

La prevede una , e .

fase di inizio fase di allungamento fase terminale

La è caratterizzata da varie fasi:

Fase di Inizio catalizza il legame tra il gruppo OH 3’ del braccio

─ l’enzima amminoacil-tRNA sintetasi

accettore del tRNA e un residuo amminoacidico specifico amminoacil-tRNA

, formando il complesso .

enzima amminoacil-tRNA sintetasi specifico per ogni amminoacido

Esiste un ma poiché il

codifica la Metionina (Met)

presente sull’mRNA

codone di inizio della traduzione è AUG che si

legame tra tRNA e residuo

ha l’intervento dell’enzima metionil-tRNA sintetasi che favorisce il

di Met , formando il complesso Met-tRNA.

complesso Met-tRNA subunità minore 40S

─ il si lega alla grazie alla proteina eIF2 o fattore di

subunità 40S si lega al cappuccio all’estremità 5’ proteina eIF2 si

iniziazione eucariotico; la , la

inizia la scansione dell’mRNA

dissocia dal ribosoma , e fino al codone di inizio AUG con

appaiamento complementare codone AUG dell’mRNA anticodone UAC del complesso Met-tRNA

tra e .

subunità 60S si lega alla subunità minore 40S Met-tRNA occupi il sito P

─ la in modo che il .

complesso amminoacil-tRNA

forma un nuovo specifico per un altro amminoacido

─ si che si lega

sito A idrolisi di una molecola di GTP primo legame peptidico

grazie all’

al , e si forma il .

aggiunta di un amminoacido per volta alla

l’

La Fase di Allungamento della catena polipeptidica

catena in crescita diversi cicli di allungamento

con :

ribosoma esegue la scansione dell’mRNA in direzione 5’→3’ un codone alla volta energia

─ il con

fornita dall’idrolisi del GTP spostamento del tRNA legato alla catena in crescita dal sito A

con

al sito P spostamento del tRNA libero dal

grazie alla proteina EF2 o fattore di allungamento, e

sito P al sito E abbandona il ribosoma

dove .

amminoacil-tRNA specifico per un altro amminoacido

─ si ha il legame di un nuovo complesso al

sito A idrolisi del GTP

grazie all’intervento del e all’

fattore di allungamento EF1 .

─ si ha l’intervento dell’enzima peptidil-transferasi, presente nella subunità 60S, che catalizza la

legame peptidico tra il gruppo ammino-terminale NH del

reazione di transpeptidazione con 3

nuovo amminoacido presente al sito A gruppo carbossilico COOH dell’amminoacido presente al

e il

sito P catena polipeptidica in crescita si stacca dal tRNA che occupa il sito P si

, per cui la e

unisce con un legame peptidico all’amminoacido del tRNA che occupa il sito A (traslocazione).

ciclo di allungamento si ripete

─ il . sull’mRNA

La della traduzione si ha quando il ribosoma incontra un

Fase di Terminazione codoni nonsenso non codificano amminoacidi

codone di stop UAA, UAG, UGA, detti perché : si

si lega al sito A idrolisi del

ha l’intervento provocando l’

del fattore proteico di rilascio eRF che

legame tra la catena polipeptidica ed i tRNA rilascio nel citoplasma della proteina

con

neosintetizzata dal tRNA nel sito P subunità 60 e 40S e l’mRNA si dissociano

, mentre le .

Modifiche Post-Traduzionali

Al termine della sintesi proteica, le proteine subiscono delle cioè

processi di riorganizzazione morfo-funzionale reazioni di glicosilazione tagli

dei , come le o

proteolitici

, ad opera di numerosi enzimi e proteine (chaperonine: R.E. e citosol), per diventare

proteine mature svolgere le proprie funzioni nei distretti cellulari extracellulari

capaci di ed .

aggiunta di un residuo glicidico

lume del R.E. consiste nell’

La glicosilazione avviene nel e , cioè un

oligosaccaride catene laterali di alcuni amminoacidi formazione delle glicoproteine

, alle , con .

sequenza Asn-X-Ser o Thr

amminoacido bersaglio è l’Asparagina

L’ (Asn) localizzato nella (serina,

X è un amminoacido qualunque ≠ dalla prolina legame tra

treonina), dove : si ha il

l’oligosaccaride e il gruppo amminico NH della catena laterale del residuo di Asn

, mentre

2

apparato del Golgi taglio dei residui sostituzione con monosaccaridi differenti

nell’ si ha il e la .

10

proteine più piccole dotate di funzioni diverse a

Il taglio proteolitico consente di ottenere delle

seconda del distretto in cui devono essere trasportate R.E. apparato del Golgi nucleo

, tra cui il , e

mitocondri

proteine istoniche TF proteine per la sintesi e maturazione dell’mRNA

come le , , ,

sedi extracellulari

proteine della catena respiratoria proteine plasmatiche

come le , e come le

ormoni polipeptidici neuropeptidi fattori di crescita

(albumina), (insulina), ,

proteina raggiunge la sede di destinazione certo

La grazie alla sequenza segnale costituita da un

n° di residui aminoacidici emerge dal ribosoma complesso ribonucleo-proteico

che e si lega a un ,

RNA e proteine

costituito da , detto particella di riconoscimento del segnale SRP, e

interagiscono con recettori specifici per la SRP localizzati sulla superficie del R.E. dove i

ribosomi entrano in contatto con strutture di membrana formando il R.E.R .

sequenza segnale e la proteina passano attraverso la membrana nel lume delle cisterne del

La

R.E.R. sequenza segnale rimossa

e la viene dalla peptidasi del segnale.

DNA Mitocondriale: caratteristiche, struttura, funzione

Genoma Mitocondriale molecola di DNA circolare a doppio filamento

Il è rappresentato da una ,

lunga 16.569 paia di basi (bp) non associato ad istoni

, , rispetto al DNA nucleare. In genere, le

cellule umane diverse migliaia di copie di mtDNA ~ 5-10 molecole di mtDNA per

contengono ,

ogni mitocondrio n° variabile nei diversi tipi di cellule ogni cellula può contenere

, con , dato che

diverse centinaia di mitocondri

:

cellule somatiche presentano un n° di copie di mtDNA variabile da 1.000 a 10.000

─ le , ad es. i

linfociti hanno ~ 1.000 molecole di mtDNA .

cellule epiteliali dei tessuti differenziati prive di mitocondri mtDNA

─ le sono e di conseguenza di .

spermatozoi poche centinaia di copie di mtDNA ovociti ricchi di mitocondri

─ gli hanno , gli sono e

contenere fino a 100.000 copie di mtDNA corrispondente a ~ il 30% del DNA dell’ovocita

possono .

Inoltre, il DNA mitocondriale presenta altre caratteristiche:

ricco in G

 presenta un filamento pesante H (heavy) contenente la maggior parte delle sequenze

ricco in C

codificanti e un filamento leggero L (light) che trascrive solo per la subunità 6 del

complesso della NADH-deidrogenasi. strettamente

 il 37 geni per cui sono

genoma mitocondriale è formato da privi di introni

raggruppati 1 gene ogni 0,45 kb sovrapposizione parziale del

con (densità) fino a determinare la

gene ATPasi 8 al gene ATPasi 6 . Dei 37 geni mitocondriali:

─ e .

28 geni sono codificati dal filamento pesante H 9 geni dal filamento leggero L

─ , cioè e

24 geni codificano RNA mitocondriali 22 molecole di tRNA 2 molecole di rRNA, 23S e

subunità maggiore minore ribosomi mitocondriali

, che formano rispettivamente la e dei .

16S sintetizzate sui ribosomi mitocondriali

─ 13 geni codificano proteine della catena respiratoria

coinvolte nella e nella , anche se numerose proteine

fosforilazione ossidativa produzione di ATP

codificate in gran parte dai geni nucleari

coinvolte nella fosforilazione ossidativa sono .

il 93% ~ dell’mtDNA è codificante produzione di molecole di mRNA tradotte

 con che vengono

direttamente sui ribosomi mitocondriali maggior parte delle proteine mitocondriali

, anche se la

deriva dalla trascrizione nucleare e sintesi sui ribosomi citoplasmatici .

unica regione priva di DNA codificante

 l’ dell’ansa

è la regione D o ansa di dislocamento (D-

breve tratto della catena pesante H viene replicato una

loop: displacement loop) in cui un struttura di DNA a tripla elica

seconda volta dando origine ad una detta DNA 7S che rappresenta il

sito di inizio della replicazione e trascrizione dell’mtDNA .

durante tutto il ciclo cellulare

o sintesi dell’mtDNA

La si verifica , rispetto a quella

Replicazione

del DNA nucleare che si verifica solo durante la fase S.

DNA polimerasi mitocondriale replicazione dei filamenti H ed L unidirezionale e

γ

La catalizza la

asimmetrica origini di replicazione O e O localizzati nell’ansa D:

, a partire dalle che sono la

H L

sintesi del filamento H inizio dal sito O senso antiorario usando come stampo

ha e prosegue in

H

il filamento L inizia la sintesi

e, non appena sono stati sintetizzati almeno i 2/3 del filamento H,

del filamento L a partire dal sito O in senso orario usando come stampo il filamento H .

L 11

livello di promotori situati nella regione dell’ansa D

dell’mtDNA

La origina a e

Trascrizione trascrizione della catena pesante

continua in direzioni opposte per i 2 diversi filamenti , cioè la trascrizione della catena

prosegue in senso orario

P

inizia a livello del e , mentre la

promotore H

leggera prosegue in senso anti-orario

inizia a livello del e .

promotore P

L grossi trascritti multigenici tagliati

La trascrizione porta alla formazione di che poi vengono

formazione di molecole mature sintesi

dando origine alla di , necessarie per la

mRNA, tRNA, rRNA

22 molecole di tRNA mitocondriale

proteica mitocondriale riconoscere tutti i

. Le sono in grado di

60 codoni di senso presenti nel genoma mitocondriale (imprecisione dell’appaiamento della 3^

base nell’interposizione del codone).

La si deve a e

Traduzione o sintesi proteica mitocondriale 60 codoni di senso 4 codoni di stop

cioè e che fungono da codoni di stop anche a livello nucleare, e che a livello

UAA UAG AGA AGG

nucleare codificano per l’Arg. CROMOSOMI e CROMATINA

CROMOSOMI vettori dell’ereditarietà

I rappresentano i , infatti contengono le informazioni

.

ereditarie che vengono trasmesse alla progenie e alle generazioni successive corpi lineari, a

Furono identificati nel 1860 nel sotto forma di

nucleo delle cellule eucariotiche

bastoncino colorano intensamente con determinati coloranti basici

che si (colore scuro), infatti, il

termine cromosoma deriva dal greco chromos (colore) e soma (corpo).

cromosomi DNA proteine basiche o istoni proteine neutre o acide, non

I sono costituiti da e e

istoniche momento della divisione cellulare diventano talmente compatti formare una

che al da

struttura osservabile al M.O.

chiamata cromatina .

Gli sono costituite da , che

Istoni piccole proteine basiche dotate di carica + 102-135 amminoacidi

più della metà della massa della cromatina neutralizzare

rappresentano , che hanno il compito di

la componente acida del DNA compattare il DNA stesso cromosoma metafasico

e fino al .

H1 H2A H2B H3 H4

Gli istoni sono distinti in , cioè , , , e , caratterizzati tutti da una

5 classi principali

grossa quota di residui amminoacidici carichi positivamente Arg e Lys

, cioè , ecco perché gli

istoni si legano ai gruppi fosfato del DNA dotati di carica –

.

intervallo che separa una divisione cellulare dall’altra 2

Nell’ , cioè nell’ , si osservano

interfase

diversi livelli di condensazione dei cromosomi , cioè l’ e l’ .

eucromatina eterocromatina

eucromatina forma non condensata distribuita in tutto il nucleo colora

L’ rappresenta la , , si

geni attivi o attivabili dal punto di vista

debolmente, in maniera meno intensa ed è costituita da

trascrizionale tipo cellulare e necessità metaboliche

a seconda del .

eterocromatina forma altamente condensata inattiva dal punto di vista

L’ rappresenta la (scura) e

trascrizionale e viene distinta in 2 tipi:

eterocromatina costitutiva sequenze di DNA ripetitive non codificanti

 : formata da , , infatti, si

per tutto il ciclo cellulare localizzata a livello dei

trova in uno ,

stato inattivo e condensato

centromeri dei cromosomi braccio lungo del cromosoma Y

e .

eterocromatina facoltativa

 : è una forma di cromatina che può trovarsi in una forma

(eucromatina) o in una

geneticamente attiva, decondensata forma inattiva, condensata

stato in cui si trova la cellula

(eterocromatina) a seconda dello .

M. E.

Mediante il sono stati individuati vari Livelli di Organizzazione della Cromatina partendo

doppia elica del DNA cromosoma metafasico

dalla fino al .

doppia elica del DNA

interfase osserva nel nucleo larga 2 nm

 nell’ si la .

I livello di condensazione struttura elementare del

 il è data dal Nucleosoma che rappresenta la

cromosoma , costituito da un formato da , cioè un

core centrale proteico 8 molecole di istoni

attorno al quale si

costituito da ,

ottamero 2 molecole di ciascuno degli istoni H2A, H2B, H3 e H4

avvolgono ~ (~ 200 bp) che

146 nucleotidi di DNA a doppio filamento compie 1,75 giri intorno

nucleosomi adiacenti connessi tra loro corto tratto di DNA

all’ottameto (~ 2 giri). I sono da un ,

pari a ~ 60 bp esterno del nucleosoma

mentre l’ , situato all’

, detto DNA linker, ,

istone H1

interagisce con il DNA linker aumentando l’adesione del DNA all’ottamero istonico . Per cui si

12

forma una con aspetto di con . Durante

fila continua di nucleosomi filo a collana di perle Ø di 11 nm

fase S istoni subiscono reazioni di acetilazione a livello dei residui di Lys rendere la

la gli per

cromatina attiva dal punto di vista trascrizionale reazioni di metilazione

, oppure subiscono

fosforilazione rendere più accessibile il DNA agli enzimi e proteine

(Lys, Arg) e (Ser) per

coinvolte nell’espressione genica .

II livello di condensazione

 il è dato da una fibra di cromatina di 30 nm di Ø che si ottiene

filamento di nucleosomi si avvolge su se stesso

quando il formando una struttura a solenoide

all’interno

costituita da , .

~ 6 nucleosomi per giro stabilizzata dagli istoni H1 localizzati del solenoide

III livello di condensazione cromatina

 il è dato da fibre di 300 nm di Ø o fibre ad ansa in cui la

scaffold nucleare

si ripiega su stessa ed è bloccata alla base da una struttura proteica detta formata

proteine non istoniche altre proteine si legano a sequenze ricche in

da (topoisomerasi II) e che

regioni di attacco dell’impalcatura

AT garantiscono l’adesione delle anse

, formando le che .

IV livello di condensazione cromatina si

 il è dato da fibre di 700 nm di Ø, in cui la

superavvolge Ø di 700 nm corrisponde al Ø dei singoli cromatidi

. Il (profase).

V livello di condensazione cromosomi

 il è dato da fibre di 1400 nm di Ø corrispondenti ai

metafasici 2 cromatidi fratelli uniti a livello del centromero

(mitosi) costituiti da . Corrisponde al

massimo livello di compattamento dimensioni 10.000-100.000 volte più piccole rispetto

, con

alle dimensioni effettive delle molecole di DNA da cui sono costituiti .

Struttura dei Cromosomi osservata solo in metafase raggiunto il

La può essere quando hanno

cromatidi centromero telomeri

massimo livello di condensazione con distinzione tra , e .

prodotto della divisione del centromero del cromosoma metafasico

I rappresentano il ,

Cromatidi

ogni cromosoma alla metafase 2 cromatidi uniti al centromero 4

per cui è formato da , cioè

braccia ogni braccio del cromosoma duplicato

, 2 braccia corte p e 2 braccia lunghe q. In pratica,

corrisponde a un cromatide (cromatidi fratelli).

Il è costituito da 3 domini:

Centromero o costrizione primaria

dominio di appaiamento cromatidi fratelli

─ per i .

dominio centrale ricco in eterocromatina centromerica molto condensata

─ : costituita da

numerose sequenze di DNA ripetitivo inattivo dal punto di vista trascrizionale

(α-satellite) .

dominio del cinetocore struttura proteica prometafase favorisce il legame tra

─ : che alla

centromero e microtubuli del fuso mitotico regola i movimenti dei cromosomi durante la

e

divisione cellulare , infatti ci sono 2 cinetocori, 1 per ogni cromatidio.

regione terminale del cromosoma mantenere l’integrità strutturale

Il è la che consente di

Telomero

e la stabilità del cromosoma evitare la fusione tra le braccia cromosomiche assicurare la

, ,

replicazione completa del DNA impedire un’eccessiva proliferazione cellulare

e . Infatti, il telomero

marcatempo conteggia e impone il n°

svolge un’importante funzione

in condizioni normali di , cioè

di volte in cui la cellula può riprodursi .

Dal punto di vista strutturale il telomero è costituito da:

sequenze di DNA ripetute in tandem non codificanti prive di geni sequenza

 , essendo ; la è

6 nucleotidi specie umana è ripetuta in

5’→3’)

costituita da TTAGGG (esanucleotide che nella

tandem ~ 2000 volte lunghezza variabile da 3 a 20 kilobasi

[(TTAGGG)n] ed ha una .

100-300 kilobasi addizionali di ripetizioni telomero-associate

 .

regione telomerica unica FISH misurare

 : rappresenta il sito bersaglio per le sonde usate nella per

la lunghezza dei telomeri .

I telomeri sono costituiti da , di cui uno è detto (overhang)

2 filamenti di DNA filamento sporgente

più lungo di 12-16 nucleotidi ricco in G termina con un’estremità libera 3’-OH

perché è , è e : il

filamento sporgente ripiegarsi su sé stesso appaiamenti non Watson-Crick fra

può tramite

residui G-G forcina appartiene a ripetizioni ≠).

formando una detta quartetto di G (il quartetto

sequenza TTAGGG DNA polimerasi non è in grado di completare

La è molto importante perché la

la replicazione all’estremità 3’ del a tale livello non ci sono più

, perché

filamento in ritardo

primer di RNA disponibili ad ogni replicazione progressivo accorciamento

, per cui si avrebbe un 13

dei telomeri e dei cromosomi significativa perdita di informazione genetica

e una , associato ad

progressivo invecchiamento della cellula e dell’organismo cellule non sarebbero

un , in quanto le apoptosi

più in grado di compiere tutti i cicli di divisione cellulare previsti con conseguente .

enzima telomerasi complesso

si ha l’intervento dell’

Per evitare questo problema cioè un

ribonucleoproteico RNA numerose proteine

costituito da (TERC) e (TRF1, 2).

DNA polimerasi-RNA dipendente trascrittasi inversa

L’enzima telomerasi è una perché agisce da RNA

usa l’RNA come stampo per la sintesi del DNA telomerico dell’enzima

(TERT) cioè , infatti l’

(5’→3’) dove l’esanucleotide

telomerasi è costituito da una corta sequenza CUAACCCUAAC

TTAGGG

sequenza antisenso sequenza ripetuta nel telomero

CCCUAA è la della .

enzima telomerasi allungando ulteriormente il tratto di DNA a

L’ ripete il ciclo un paio di volte,

singolo filamento infine si distacca

; .

DNA polimerasi aggiunge nuovi nucleotidi all’estremità 3’-OH libera

ha l’intervento

Si della che

della struttura a forcina riempendo lo spazio vuoto lasciato dopo la rimozione del primer di

,

RNA molecola di DNA a doppio filamento intera

, generando una .

enzima telomerasi attivo solo nelle cellule germinali, embrionali e staminali

L’ è mentre le

cellule somatiche differenziate non hanno telomerasi senescenza replicativa

e vanno incontro a

< della lunghezza dei telomeri dopo 50-70 generazioni

associata ad una : , la cellula entra nella

fase G di quiescenza non è più in grado di dividersi fusione

in cui fino alla con e

fase di crisi

0

frammentazione dei cromosomi morte cellulare

e .

cellule tumorali enzima telomerasi agisce attivamente attività

presentano l’ un’

Le che favorendo

mitotica spiccata sopravvivenza delle cellule tumorali crescita della massa tumorale

, la e la .

Questi meccanismi sono alla base della sperimentazione di nuovi farmaci che siano capaci di

inibire selettivamente l’enzima telomerasi delle cellule tumorali bloccando la loro replicazione

,

favorendo la regressione della neoplasia

e .

CICLO CELLULARE: MITOSI e MEIOSI

Ciclo Cellulare insieme degli eventi che consentono alle cellule di riprodursi durata

è l’

Il , ha una

variabile da 12 a 36 h 2 fasi principali , cioè l’

ed è caratterizzato da e la .

interfase mitosi

Interfase fase più lunga del ciclo

L’ è il periodo compreso tra 2 divisioni cellulari ed è la

cellulare caratterizzata da 3 fasi cellula si prepara alla mitosi

, , cioè , e in cui la :

G1 S G2

durata variabile a seconda della natura della

 fase G1 (gap1 o lacuna presintetica): ha una

cellula (tessuti) pari a 5-10 h durata complessiva del ciclo cellulare

, , da cui dipende la ; si

subito dopo la mitosi del ciclo precedente cellula ha 46

verifica , per cui in questa fase la

cromosomi (2n). Nella fase G1 si ha un ,

> delle dimensioni della cellula sintesi spiccata di RNA e

istoni assicura

, soprattutto . Viene (G1 chekpoint) che

proteine attivato un meccanismo di controllo

che tutto sia pronto per la sintesi del DNA .

dura 6-8 h

 fase S o fase di sintesi: ed è la con

fase di sintesi o replicazione del DNA

cellula contiene 2 copie

(4N), per cui al termine di questa fase la

duplicazione dei cromosomi 2 cromatidi fratelli,

identiche di ciascuno dei 46 cromosomi ogni cromosoma

(92) e è costituito da

identici uniti a livello del centromero ogni cromatide contiene 1 molecola di DNA

, ; .

fase di breve durata pari a 4-5 h

 fase G2 (gap 2 o lacuna postsintetica): , in cui la cellula

, e viene

continua a crescere produce nuove proteine necessarie per la divisione attivato un nuovo

(G2 checkpoint) per ,

meccanismo di controllo stabilire se la cellula può entrare in mitosi e dividersi

in particolare si ha l’intervento di un detto riparosoma che

complesso enzimatico riconosce e

.

ripara eventuali errori verificatisi durante la sintesi del DNA trattarsi di una fase

La è la : può

fase G fase in cui la cellula esce dal ciclo e smette di dividersi

0

temporanea di riposo cellule epatiche definitiva

, come nel caso delle , oppure nel caso delle

cellule che hanno raggiunto lo stadio finale dello sviluppo non si dividono più

e .

Mitosi o Fase M divisione della cellula madre in 2 cellule figlie identiche

La è il processo di e

varie fasi

comprende , cioè , , , , e :

profase prometafase metafase anafase telofase citodieresi 14

 : si ha la , si

Profase condensazione e spiralizzazione progressiva dei cromosomi forma il

e i .

cinetocore a livello dei centromeri microtubuli si riorganizzano

 : la , si ha la , i

Prometafase membrana nucleare si dissolve scomparsa del nucleolo microtubuli

e

del fuso mitotico si legano ai 2 cinetocori del centromero posizionano i cromosomi a livello del

.

piano equatoriale o piastra metafasica

 : i (1400 nm di Ø) e si

Metafase cromosomi sono completamente condensati e spiralizzati

allineano con i centromeri alla piastra metafasica a metà strada dai poli

, , per cui avremo 46

allineati lungo la piastra (92 cromatidi).

cromosomi dicromatidici

 : i e

Anafase cromatidi fratelli si separano a livello del centromero vengono tirati dai microtubuli

46 migrano

; per cui abbiamo di cui

verso i poli opposti del fuso 92 cromosomi monocromatidici

verso un polo 46 verso il polo opposto

, .

 : i ,

Telofase due gruppi di cromatidi giungono ai poli opposti del fuso iniziano a decondensarsi e

, si , si

despiralizzarsi riforma la membrana nucleare attorno ad ogni gruppo di 46 cromosomi

, inizia la cioè la dando origine a

riformano i nucleoli Citodieresi divisione del citoplasma 2 cellule

con (2n).

figlie identiche alla cellula madre corredo cromosomico diploide

MEIOSI processo di riproduzione delle cellule sessuali o gameti M e F cellula

La è il in cui la

progenitrice diploide subisce 1 solo processo di duplicazione cromosomica 2 divisioni cellulari

e

consecutive 4 cellule figlie aploidi ovociti e spermatozoi

, dando origine a , cioè gli che, al

momento della fecondazione origine allo zigote ripristinando lo stato di diploidia

danno .

Per cui abbiamo l’ , la e la .

interfase meiosi I meiosi II

Interfase durata di 20-30 h

L’ ha una , in cui si ha la (fase S) con

sintesi o duplicazione del DNA

, cioè l’ nella F e nel M, che

formazione di cellule germinali diploidi ovogonio spermatogonio

46 cromosomi duplicati 92 cromatidi Durante l’interfase l’

presentano , cioè . involucro nucleare è

e i .

intatto cromosomi non sono visibili

Prima Divisione Meiotica o Meiosi I

La comprende la , , , .

profase 1 metafase 1 anafase 1 telofase 1

occupa il 90% dell’intera meiosi

La è molto complessa, e comprende 5 stadi:

Profase 1 strutture

 leptotene: la e si osservano i che appaiono come

cromatina si condensa cromosomi

bastoncellari uniti al centromero indistinguibili

, formati dai , .

2 cromatidi fratelli sinapsi appaiamento tra i cromosomi

 cioè dall’

zigotene: è caratterizzata dal processo di

omologhi di origine materna e paterna che si dispongono fianco a fianco per tutta la loro lunghezza

a formando i cromosomi bivalenti o tetradi, costituiti da

cerniera lampo 2 cromosomi con 4

2

L’appaiamento

. viene mediato dal complesso sinaptinemale in cui tra i

cromatidi appaiati

cromosomi omologhi interpone a mo di nastro struttura proteica lineare

si una dove si formano

grandi complessi multiproteici processo di

i noduli di ricombinazione cioè dei importanti per il

crossing over cromosomi X e Y appaiono solo a livello delle estremità

. Ricordiamo che i si , cioè

regioni pseudoautosomiche geni omologhi

delle caratterizzate da . Crossing-

 pachitene: si ha un ulteriore e si verifica il processo di

addensamento dei cromosomi

over ricombinazione tra omologhi

o cioè lo scambio reciproco e casuale tra cromatidi

senza provocare la perdita o

,

omologhi di segmenti localizzati nella stessa posizione

cromosoma ricombinante

l’acquisizione di materiale genico con formazione del , rappresentando

variabilità genetica genera nuove combinazioni di alleli

un importante meccanismo di perché .

 dove non c’è stato il crossing-

diplotene: i 2 cromosomi omologhi iniziano a separarsi nei punti

chiasmi strutture a simili alla lettera greca χ

, mentre cioè ,

over restano uniti a livello dei croce

verifica il crossing-over cellula maschile durante la meiosi ci sono in media

(chi), dove si . In una

55 chiasmi in una cellula femminile sono molto più numerosi

, .

si colorano con più intensità

 diacenesi: i e .

cromosomi sono più condensati

Quindi la profase 1 genera cioè (92 cromatidi).

23 tetradi o bivalenti 46 cromosomi dicromatidici

Durante la si ha la , i

Metafase 1 dissoluzione della membrana nucleare bivalenti si allineano sulla

con i .

piastra metafasica centromeri legati ai microtubuli del fuso 15

disgiunzione

Durante l’ si ha il processo di , cioè i

Anafase 1 cromosomi di ciascuna tetrade si

assortimento

seguite dal processo dell’

, ,

separano restando uniti a livello dei centromeri

indipendente cioè la .

migrazione casuale dei cromosomi verso i poli opposti del fuso

Durante la , si

Telofase 1 termina la migrazione verso i poli del fuso formano nuove membrane

, si riformano i e si verifica la ,

nucleari attorno ad ogni raggruppamento aploide nucleoli citodieresi

cioè la .

cellula si divide in 2 cellule figlie aploidi contenente ciascuna 23 cromosomi dicromatidici

1^ divisione meiotica riduzionale corredo cromosomico delle cellule

Per cui la è perché il

progenitrici diploidi duplicato nell’interfase viene dimezzato

(oogonio, spermatogonio) , , dando

2 cellule aploidi con 23 cromosomi dicromatidici

origine a .

Seconda Divisione Meiotica o Meiosi II non è preceduta dall’interfase cromosomi

La perché i

sono già duplicati , ma è caratterizzata dalla , , e .

profase 2 metafase 2 anafase 2 telofase 2

Nella si ha la e si osservano i formati da

Profase 2 condensazione della cromatina cromosomi 2

.

cromatidi uniti al centromero

Nella la , i e i

Metafase 2 membrana nucleare si dissolve microtubuli si legano ai centromeri

.

cromosomi si dispongono sulla piastra metafasica

disgiunzione

Nell’ si ha la con e

Anafase 2 divisione dei cromatidi a livello dei centromeri

ogni cromatidio diventa un nuovo cromosoma

, per cui .

migrazione ai poli opposti del fuso

Alla si , le

Telofase 2 forma la membrana nucleare attorno ad ogni assetto di 23 cromosomi fibre

, i e avviene la , cioè il

del fuso si disgregano cromosomi iniziano a decondensarsi citodieresi

dando origine a .

citoplasma si divide 2 cellule figlie aploidi

2^ divisione meiotica equazionale in seguito alla divisione dei cromatidi

Per cui la è perché si

meiosi 1 alla meiosi 2

passa da della a .

23 cromosomi dicromatidici 23 cromosomi monocromatidici

mitosi e la meiosi varie differenze

La presentano :

processo di riproduzione delle cellule somatiche avviene in tutti i tessuti

 mitosi: è il , , è un

processo unico 1 fase S con duplicazione cromosomica 1 divisione cellulare

caratterizzata da e

formazione di 2 cellule figlie stesso corredo cromosomico diploide (2n) della

con che hanno lo

cellula madre non si ha l’appaiamento e la ricombinazione tra cromosomi omologhi

. Inoltre ,

anafase divisione dei cromatidi a livello dei centromeri passando da 46

mentre all’ si ha la

cromosomi dicromatidici a 46 cromosomi monocromatidici .

processo di riproduzione delle cellule germinali avviene nelle gonadi

 meiosi: è il che (testicoli,

da 1 cellula diploide 4 cellule figlie aploidi geneticamente

ovaie) in cui si ottengono che sono

differenti dalla cellula madre processi di crossing-over o ricombinazione

in seguito ai e di

assortimento indipendente meiosi 2 è simile alla mitosi passaggio da 1 cromosoma

. La con

dicromatidico a 2 cromosomi monocromatidici .

Criteri di Indentidicazione e Classificazione dei Cromosomi

Classificazione e Identificazione dei cromosomi

La fino al 1970 si basava sulle dimensioni

e la , con distinzione tra:

dei cromosomi posizione del centromero

centromero in posizione mediana

 cromosoma metacentrico: come i .

cromosomi 1, 3, 16, 19 e 20

centromero in posizione subterminale braccia p cortissime

 cromosoma acrocentrico: con e

braccia q lunghissime , come il (con satelliti) e (privo di satelliti).

cromosoma 13, 14, 15, 21, 22 Y

centromero in posizione

1 solo braccio

 cromosoma telocentrico: il cromosoma presenta con

terminale condizioni patologiche

, ma si osserva solo in .

centromero più prossimale ad una delle 2 estremità

 cromosoma submetacentrico: , come il cr. X

.

e gli altri cr identificare ogni singolo

Tecniche di Bandeggio

Successivamente, grazie alle è stato possibile

cromosoma regioni cromosomiche sul braccio p e q

considerando le (sistema internazionale per la

e

nomenclatura in citogenetica umana ISCN): le regioni sono indicate con p1, p2, p3… q1, q2,

numerate a partire dal centromero verso i telomeri

e sono

q3… .

Le regioni sono suddivise in bande indicate come p11 (p uno uno), p12, p13…, sottobande p11.1,

e

p11.2… sotto-sottobande p11.21, p11.22… 16

distanza relativa dal centromero

La è indicata con i termini prossimale e distale: ad es. Xq

segmento del braccio lungo del cromosoma X che è più vicino al centromero

indica il ,

prossimale segmento del braccio corto del cromosoma 2 che è più distante dal

mentre indica il

2p distale

centromero e quindi più vicino al telomero .

cromosomi della specie umana

Inoltre, i sono indicati con la sigla HSA dove indica il

H genere

(Homo), indica la (Sapiens): ad es. HSA18 indica il cromosoma 18 umano.

umano SA specie

n° dei cromosomi

Il prende il nome di con distinzione tra:

ploidia

 : cellule con .

euploidia n° di cromosomi pari a 46 o un multiplo di 46

diploidi corredo cromosomico 2N

 : la maggior parte delle sono con pari

diploidia cellule somatiche

46 cromosomi

a .

 : le , (gameti M) e (gameti F) sono

aploidia cellule sessuali o germinali spermatozoi ovociti aploidi

meiosi

perché hanno un in seguito alla .

corredo cromosomico N con 23 cromosomi

globuli rossi piastrine cheratinociti

 : i , e sono .

nulliploidia cellule prive di nucleo, nulliploidi

In condizioni patologiche si hanno anomalie di n° dei cromosomi, tra cui:

 : con , anche se in realtà

poliploidia cellule corredo cromosomico triploide (3n) o tetraploide (4n)

epatociti con corredo variabile

alcune cellule sono poliploidi in condizioni fisiologiche come gli

da 2N a 8N cardiomiociti da 4N a 8N megacariociti giganti del midollo osseo da 16N a 64N

, ,

singolarmente danno origine a migliaia di piastrine nulliploidi

che . La può derivare

poliploidia

cellule delle fibre muscolari

anche da come i tra le .

fenomeni di fusione cellulare sincizi

 : indica un (2n+1 = 47) o

aneuploidia individuo con un cromosoma in più o trisomia in meno o

(2n-1 = 45).

monosomia Autosomi Eterosomi

I cromosomi sono distinti in ed o cromosomi sessuali X ed Y.

46 cromosomi 46 molecole di DNA assemblate a proteine

Il cariotipo umano è costituito da , cioè ,

44 autosomi 22 coppie di cromosomi omologhi, appaiati e identici deputati

rappresentato da cioè ,

2 cromosomi sessuali o eterosomi X e Y

alla trasmissione dei caratteri diversi tra loro

, e , , ,

deputati alla determinazione del sesso e dei caratteri sessuali .

Il mentre il : infatti, ogni gamete presenta

cariotipo femminile è 46,XX cariotipo maschile è 46,XY

23 cromosomi ovocita

nell’

, cioè 22 autosomi + 1 cromosoma sessuale o eterosoma: il

spermatozoi

, mentre negli può essere .

cromosoma sessuale è sempre X X o Y

fecondazione della cellula uovo da parte dello spermatozoo

Dopo la si forma lo zigote, cioè una

22 autosomi sono ereditati con la cellula uovo 22

con , dove e

cellula diploide (2N) 46 cromosomi

con lo spermatozoo 1 cromosoma X è ereditato sempre dalla cellula uovo

(22 + 22 = 44), , mentre

l’altro cromosoma sessuale viene ereditato dallo spermatozoo portare 1 cromosoma X o Y

che può ,

corredo cromosomico 46,XX femminile 46,XY maschile

dando origine ad un o .

cromosomi X e Y dono diversi tra loro

Strutturale

Dal punto di vista i .

cromosoma X

Il è ,

submetacentrico costituito da oltre 160 milioni di paia di basi (Mb) di DNA

contiene i per lo e .

geni sviluppo sessuale femminile vari geni relativi a caratteri non sessuali

cromosoma Y dell’X

Il è , è , , contiene

acrocentrico molto più piccolo costituito da ~ 50 Mb di DNA ~

, per la maggior parte ed è formato da , anche se molti geni

50 geni inattivi eterocromatina costitutiva

del cromosoma Y sono coinvolti nella e nella

spermatogenesi determinazione del sesso maschile

(geni NRY o regione non ricombinante del cromosoma Y).

cromosomi X e Y presentano delle regioni omologhe a livello dei telomeri

In realtà i , dette

regioni pseudoautosomiche crossing-over durante la meiosi maschile

, in cui si possono verificare ,

distinte in: si estende per 2,6 Mb all’estremità dei bracci

 :

regione pseudoautosomica principale PAR1

corti del cromosoma X e Y contiene almeno 13 geni punto di crossing-over

, e , rappresentando il

obbligato durante la meiosi maschile corretta segregazione meiotica

, indispensabile per una .

si estende per 330 kb alle estremità dei bracci

 :

regione pseudoautosomica minore PAR2

lunghi dei cromosomi X e Y contiene solo 4 geni raramente è sede di crossing-over tra X e Y

, e ,

per cui la PAR2 non è importante per la regolazione della meiosi nel maschio. 17

Al confine con la PAR1 ci sono regioni contenenti geni importanti come il gene XG che determina

cr. Y

dell’individuo e il gene SRY che localizzato sul .

il gruppo sanguigno determina il sesso M

Inattivazione del Cromosoma X meccanismo che avviene nelle cellule somatiche F

L’ è un che

inattivazione di 1 dei 2 cromosomi X

l’

determina (lyonizzazione, Lyon).

fasi iniziali dello sviluppo embrionale ~ 16 giorni dopo la

Questo meccanismo avviene nelle ,

casuale

fecondazione in modo del tutto inattivare il cromosoma X di origine

, , consentendo di

paterna (X ) o di origine materna (X ) cambia da cellula a cellula una volta che un

p m , per cui , ma

cromosoma X è inattivato in una cellula tutte le cellule discendenti ereditano in modo

, clonale

lo stesso tipo di inattivazione F presentano un mosaico per il cromosoma X

. Per cui le essendo

miscela di linee cellulari in cui è inattivato l’X paterno e linee cellulari in cui è

formate da una

inattivato l’X materno .

Per cui questo processo è importante ai fini della compensazione di dose del cromosoma X

F hanno più materiale genetico dei M

perché le , per cui in questo modo si eliminano le differenze

tra i 2 sessi nel rapporto tra la dose dei geni autosomici (A) e la dose dei geni sul cromosoma X

(rapporto di dose genica A/X) in modo da ottenere la stessa quantità di prodotti codificati dai geni

maschi sono emizigoti per costituzione

, per cui i , mentre le femmine

del cromosoma X nei 2 sessi maggior parte dei geni associati all’X

diventano per la .

funzionalmente emizigoti prodotti dei geni del cromosoma X

Per cui questo processo è di fondamentale importanza perché i

interagiscono con i prodotti dei geni autosomici numerosi processi metabolici e di sviluppo

in .

2 meccanismi che agiscono in cis

L’inattivazione Regolata

del cromosoma X viene da , cioè il

centro di inattivazione dell’X (Xic) elemento di controllo dell’X (Xce)

e l’ .

controlla l’inizio e la propagazione dell’inattivazione del

centro di inattivazione dell’X (Xic)

Il

cromosoma X importante per iniziare l’inattivazione del

e viene regolato dal che è

gene XIST

cromosoma X non è necessario per mantenerne lo stato inattivo

ma .

gene XIST espresso solo dal cromosoma X inattivato

Il è (espressione monoallelica), è localizzato

nella e appartiene alla

regione centromerica del braccio lungo del cromosoma X classe dei geni ad

produce un trascritto di mRNA che non codifica per alcuna proteina

cioè

RNA non-codificante complesso ribonucleoproteico deposita

ma insieme ad alcune proteine forma un che si

progressivamente sul cromosoma X provocandone la inattivazione , mentre la deacetilazione

e la provocano una che si

degli istoni metilazione dei geni modifica della struttura cromatinica

nucleo nelle

presenta (eterocromatina) detta , visibile nel

fortemente condensata corpo di Barr

cellule femminili corrispondente al cromosoma X inattivato

(interfase), . inattivi dal punto

Per cui la maggior parte dei geni presenti sul cromosoma X inattivato diventano

di vista trascrizionale alcuni geni che sfuggono all’inattivazione geni del

, mentre , soprattutto i

cromosoma X che hanno un omologo funzionale sul cromosoma Y localizzati nella .

PAR1

cellule staminali embrionali indifferenziate primi stadi embrionali

Inoltre, nelle e nei viene

localizzato sul filamento opposto a quello del gene XIST

espresso anche il che

gene Tsix

controlla l’espressione del gene XIST in cis

probabilmente .

scegliere quale cromosoma X deve restare

L’elemento di controllo dell’X (Xce) ha il compito di

attivo e quale deve essere inattivato localizzato in posizione più telomerica

, si trova ma sono

sconosciute le basi molecolari su cui agisce

ancora .

cromosoma X viene riattivato negli oociti poco prima della mitosi durante la

Il e

spermatogenesi vengono inattivati transitoriamente sia il cromosoma X che Y : in questo modo

schema di inattivazione dell’X viene rimosso passando da una generazione all’altra

lo .

inattivazione di un cromosoma X interessanti implicazioni cliniche

L' presenta :

anomalie del cr. X sono relativamente benigne anomalie autosomiche analoghe

─ le se paragonate ad .

donne con 3 cromosomi X fisicamente e mentalmente normali e fertili

─ le sono di solito , mentre

tutte le trisomie autosomiche comportano manifestazioni gravissime aborto spontaneo

o l’ .

assenza di un cr. X sindrome di Turner assenza di un autosoma è letale

─ l’ determina la , mentre l' .

18

METODICHE di LABORATORIO

Citogenetica Molecolare

Cariotipo, Cariogramma, Bandeggio, Eteromorfismi Cromosomici

Tecniche di colorazione e tecniche di fluorescenza

Cariotipo assetto o costituzione cromosomica di un individuo n° e morfologia

indica l’

Il , cioè il

dei cromosomi ordinati e numerati in base alla loro lunghezza e posizione del centromero

, .

diagnosi di anomalie o

L’analisi indagine di routine

del cariotipo viene usata come per la

aberrazioni cromosomiche numeriche e strutturali solo se queste anomalie sono abbastanza

, ma

grandi da poter essere osservate al M.O. con le classiche tecniche citogenetiche , altrimenti si

tecniche di fluorescenza amplificazione genica

ricorre alle o .

L’

Analisi del Cariotipo trova delle importanti indicazioni nel e :

periodo prenatale post-natale

analisi del cariotipo sui villi coriali e amniociti indicata

l’

Periodo pre-natale

Nel è in caso di:

 donna con età ≥ 35 anni gravidanza a rischio di anomalie cromosomiche

con .

 genitori che hanno già un figlio affetto da anomalia cromosomica , desiderosi di un nuovo figlio.

 presenza di malformazioni fetali all’ecografia alterazioni biochimiche nel I-II trimestre

associate a

di gravidanza > gonadotropina corionica hCG < α-fetoproteina < estriolo non

, in particolare l’ , e

coniugato trisomia 21

che nel 70% dei casi sono indice di , ma nel 5% dei casi si tratta di falsi +.

analisi del cariotipo è indicata

l’

Periodo post-natale

Nel in caso di:

 aborti spontanei ripetuti nel 1° trimestre trisomie

spesso associati alle .

 diagnosi di sterilità per anomalie di n° e struttura degli spermatozoi (oligospermia, azospermia).

 coppie candidate alla fecondazione assistita .

 diagnosi di conferma o definizione dell’anomalia cromosomica individuata nel periodo pre-natale

.

 anamnesi familiare + per anomalie cromosomiche .

 diagnosi di mosaico cioè .

presenza in un individuo di 2 o più linee cellulari originate da uno zigote

 valutazione di anomalie cromosomiche in pz sintomatici

.

 diagnosi di anomalie cromosomiche nella patogenesi tumorale .

studio dei cromosomi metafasici

L’

Analisi del Cariotipo si basa sullo perché hanno raggiunto il

massimo livello di condensazione più facilmente osservabili al M.O.

e sono , in genere studiando

cellule in proliferazione attiva

le , cioè: analisi di routine campione viene

─ sangue periferico

presenti nel usati per le perché il

linfociti

ottenuto con un semplice prelievo di sangue . diagnosi di neoplasie e

─ biopsia midollare

prelevate con indicate per la

cellule del midollo osseo

displasie emolinfopoietiche .

─ biopsia cutanea

prelevati con (mosaicismo).

fibroblasti

─ biopsia da tumori solidi

prelevate mediante .

cellule neoplastiche

trofoblasto durante la vita embrionale liquido

─ del o gli presenti nel

villi coriali amniociti

amniotico durante la vita fetale diagnosi prenatale di anomalie cromosomiche

, importanti per la .

Analisi del Cariotipo varie fasi

L’ avviene in :

 prelievo di poche gocce di sangue periferico alcuni ml

, ad es. o

prelievo del materiale biologico

di sangue eparina impedisce la coagulazione

in presenza di che ne .

 separare i linfociti terreno

per e in un

centrifugazione allestimento di terreni di coltura

stimola notevolmente la divisione dei linfociti

contenente (PHA) che .

fitoemoagglutinina

 blocca la divisione cellulare

si la che ,

dopo 48-72 h aggiunge al terreno di coltura colchicina

impedendo la formazione dei microtubuli del fuso .

 rompe le membrane cellulari per

le che

cellule sono trattate con una soluzione salina ipotonica

lisi osmotica facendo disperdere i cromosomi

, .

 cellule sono fissate su un vetrino da microscopio, lasciate essiccare all’aria e colorate

le in modo

sequenza di regioni diversa intensità di colorazione a seconda del grado di

da ottenere una con ,

condensazione della cromatina caratteristiche di ogni

, dette bande cromosomiche che sono

cromosoma consentendo la loro classificazione rappresentazione grafica del cariotipo

, . La 19

idiogramma gruppo

bandeggio

ottenuta mediante il viene detta (ISCN, 1995), con distinzione tra

A B C D E F G

(1-3), (4-5), (6-12, X), (13-15), (16-18), (19-20), (21-22 e Y).

 cariogramma

il ottenendo il che

preparato viene fotografato e analizzato al computer

immagine fotografica del cariotipo coppie di cromosomi

rappresenta l’ in cui si notano le

omologhi uno di origine materna altro di origine paterna morfologicamente uguali

, l’

, , ,

numerati in ordine crescente dall’autosoma 1 al 22 ultima coppia

, mentre l’ è rappresentata dai

cromosomi sessuali o eterosomi XX nel cariotipo F XY in quello M

o .

Bandeggio Cromosomico

Il avviene in 2 fasi:

 dei cromosomi mediante l’uso di enzimi, alte T°C o soluzioni .

denaturazione

 per

colorazione con coloranti specifici per le regioni del DNA ricche in AT o GC identificare le

alternanza tra bande chiare e scure

, con che consentono di

bande, sottobande, sotto-sottobande

classificare i cromosomi, ricordando che:

regioni ricche in basi AT più facili da denaturare o digerire enzimaticamente

─ le sono poiché

coppie AT sono tenute insieme solo da 2 legami H costituite da cromatina molto

le , sono

condensata o eterocromatina povera di geni si replicano nella fase S tardiva del ciclo

, che

cellulare poco attivi dal punto di vista trascrizionale

, .

le regioni ricche in basi GC più difficili da denaturare coppie GC sono tenute

─ sono perché le

insieme da 3 legami H costituite da cromatina poco condensata o eucromatina ricca di

, sono ,

geni si replicano nella fase S precoce del ciclo cellulare attivi dal punto di vista

che ,

trascrizionale . bandeggio G, Q, R, T e C

Possiamo fare una distinzione tra a seconda della tecnica usata. elimina le

Nel i cromosomi sono sottoposti a con che

bandeggio G digestione enzimatica tripsina

proteine cromosomiche affinità regioni ricche in basi AT

e che ha per le ,

colorati con Giemsa

osservando al microscopio bande G-positive , alternate a bande G-negative .

scure chiare

colorante fluorescente

Nel i cromosomi sono con la , che ha

bandeggio Q colorati Quinacrina

affinità per le regioni ricche in basi AT bande fluorescenti

, per cui le bande Q sono

corrispondenti a quelle G. denaturati

Nel i cromosomi sono (60°C) in una

bandeggio R ad alte T°C soluzione salina

regioni ricche in basi AT

, si colora con per mettere in evidenza le , osservando

tamponata Giemsa complementari opposte alle bande G lettera

al microscopio le bande R che sono , cioè , infatti la

“R” reverse

sta per . Per cui si osservano le bande R chiare opposte alle bande G scure, mentre

regioni ricche in basi GC

colorando con la si evidenziano le osservando al

Cromomiocina

microscopio le bande R scure opposte alle bande G chiare.

cromosomi sono denaturati

Nel i e con o

bandeggio T ad alte T°C colorati Giemsa fluorocromi

corrispodono ai telomeri

mettendo in evidenza le bande T che (bande R telomeriche).

cromosomi sono denaturati

Nel i in e

bandeggio C soluzione satura di idrossido di bario colorati

eterocromatina costitutiva

caratterizzate dall’

, mettendo in evidenza le bande C

con Giemsa

altamente condensata regioni centromeriche o pericentromeriche braccio

, localizzata nelle e sul

q del cromosoma Y , costituita da , , con

sequenze di DNA altamente ripetute ricche in basi AT

mentre l’

che si ,

pochissimi geni codificanti replicano in fase S tardiva attività trascrizionale è

bande C eteromorfismi cromosomici

. Le corrispondono agli .

assente

ETEROMORFISMI CROMOSOMICI differenze morfologiche grossolane che interessano

Gli sono

le regioni di DNA ripetitivo valutabili mediante l’analisi microscopica

, , tra cui abbiamo:

regione pericentromerica ricca di eterocromatina

 (bandegggio C, cr. 1, 9, 16).

braccio lungo del cromosoma Y ~ il 10% dei M

 : presenta il braccio q del cr. Y molto più lungo o

colora intensamente con le bande Q sequenze di

rispetto alla norma che si , contenente

più corto

DNA ripetute e non trascritte .

regioni dei satelliti tipiche dei cromosomi acrocentrici

 : (cr. 13, 14, 15, 21, 22; bande Q).

siti fragili sito Xq27.3 sindrome dell’X fragile

regioni a rischio di rottura

 : , tra cui il della . 20

Tecniche di Fluorescenza FISH o Ibridazione in situ con Fluorescenza

Tra le abbiamo la

maggiore potere di risoluzione

caratterizzata da un rispetto alle tecniche tradizionali, anche se

non viene usata come indagine di routine per l’analisi del cariotipo solo in casi specifici in

, ma ,

associazione alle tecniche tradizionali Indicata

, cioè è in caso di:

 o

diagnosi di certezza delle anomalie cromosomiche non chiarite con le tecniche tradizionali

.

diagnosi di anomalie non valutabili con le tecniche tradizionali

 .

diagnosi di nuove sindromi in base alla valutazione di nuove correlazioni genotipo-fenotipo

 .

monitoraggio di pz portatori di anomalie cromosomiche asintomatiche

 ; .

identificazione di marker cromosomici localizzazione dei geni-malattia sui cromosomi

studio di tessuti inclusi in

 , ad es.

diagnosi retrospettiva su materiale conservato in laboratorio

paraffina anche 20-30 anni dopo la morte del pz (medicina legale).

 .

ridefinire la classificazione (nosologia) delle sindromi genetiche

sangue biopsie tissutali liquido amniotico

Il usato nella FISH può essere il , , ,

materiale biologico

gameti … fresco crioconservato paraffinato

, può essere (appena prelevato), (congelato) o .

materiale fissato sul vetrino portaoggetti soluzione

Il viene e viene fatto reagire con una

frammento di DNA a doppia elica specifico per la

contenente una sonda a DNA costituita da un ,

regione cromosomica da studiare marcata con un composto fluorescente

. La sonda viene detto

fluoresceina rodamina

, tra cui la (fluorescenza verde), (fluorescenza rossa).

fluorocromo

DNA della sonda DNA bersaglio

Il e il sono denaturati ad in modo

alte T°C o in soluzione alcalina

rompere i legami H separare i 2 filamenti legame o ibridizzazione tra le

da e , favorendo il

sequenze di basi complementari del filamento della sonda e del DNA bersaglio formando

,

molecole a doppio filamento segnale fluorescente

, osservando al un

microscopio a fluorescenza

di colore diverso per ogni cromosoma (marcatore).

Esistono vari tipi di sonde:

 sequenze ripetute a livello

sonde centromeriche (alfoide)

: indicate per lo studio delle

centromerico e pericentromerico (eteromorfismi cromosomici).

 specifiche per i telomeri

sonde telomeriche : .

 specifiche per un intero braccio cromosomico o per regioni più o meno

subcromosomiche :

estese del braccio stesso

.

 colorazione selettiva di un

cocktail di sonde cromosoma specifiche : basate sul cioè

painting

cromosoma classificare le anomalie di struttura dei cromosomi definire nuovi

indicata per ,

riarrangiamenti individuare marcatori cromosomici tumori

, , ad es. nei .

tecnica multicolore pool di

FISH Multipla o M-FISH

Ricordiamo la che è una in cui si usa un

cariotipo a più colori

sonde di interi cromosomi ogni coppia

che consentono di ottenere un , in cui

di cromosomi ha un colore diverso analizzano i risultati mediante software specifici

e si

montati sul microscopio a fluorescenza .

abbiamo l’

Ibridazione Genomica Comparativa CGH

Inoltre , array e microarray, è una

tecnica con potere di risoluzione maggiore DNA da studiare viene marcato con un

in cui il

colorante verde viene confrontato DNA normale, di controllo marcato con un colorante

e con il ,

rosso 2 campioni vengono mescolati e ibridizzati in maniera competitiva sui cromosomi di

. I

una metafase normale fotografati con un microscopio a fluorescenza duplicazione

e : in caso di

con acquisizione di materiale genetico > del rapporto della fluorescenza verde/rosso

si ha un ,

delezione con perdita di materiale genetico si ha una < di tale rapporto

mentre in caso di . 21

Tecniche di Amplificazione Genica e Sequenziamento

Tecniche di Amplificazione Genica tecniche di clonaggio

Le sono che consentono di ottenere

numerose copie identiche di sequenze specifiche del DNA studiarne la struttura e funzioni

in modo da .

PCR o Reazione Polimerasica a Catena

La (Polymerase Chain Reaction) è la tecnica più usata

tecnica di amplificazione genica sensibile, semplice e di rapida

per lo studio del DNA, è una ,

esecuzione sistemi automatizzati e miniutarizzati clonare in vitro

, basata su , che consente di e

analizzare in tempi brevi tutto il DNA o sequenza specifiche studiando materiale biologico di

,

vario tipo , cioè , , , , , (villi coriali,

sangue capelli saliva sudore liquido seminale biopsie tissutali

tumori), .

campioni di materiale biologico conservato in formalina

diagnosi molecolare delle malattie genetiche studio dei polimorfismi

Indicata

La PCR è per la , (siti

diagnosi di malattie infettive batteriche o virali identificazione di

di restrizione RSP, microsatelliti), ,

persone a partire da tracce biologiche riconoscimenti della paternità

medicina legale

usata in , ,

studio dell’espressione genica

.

La PCR consiste in una costituiti da :

serie di cicli sequenziali 3 reazioni

filamenti del DNA sono separati a 95°C

 denaturazione: i .

primer oligonucleotidici

50-70°C 20-30 basi

 ibridizzazione: avviene a , usando dei costituiti da ,

sintetizzati in laboratorio complementari alle sequenze dei filamenti del DNA bersaglio da

,

analizzare legame o ibridizzazione tra i primer e i filamenti del DNA

, favorendo il .

sintesi del DNA Taq polimerasi

70-75°C

 ad opera dell’enzima

polimerizzazione: la avviene a , che

sintetizza un segmento di DNA complementare e della stessa lunghezza del DNA bersaglio

funge da stampo per la sintesi di nuovi segmenti di DNA

che, a sua volta, , per cui si tratta di una

dopo 20 cicli ~ 1 milione

con : è possibile ottenere

reazione a catena > esponenziale del prodotto

di copie delle sequenze interessate .

Oltre alla PCR standard esistono alcune varianti, in particolare la PCR con trascrizione inversa

molecola di mRNA funge da stampo per la sintesi della molecola di DNA

(RT-PCR) in cui una ,

cDNA amplificata mediante PCR

detta (DNA copia) che viene .

Limiti della PCR

I sono che:

necessario conoscere la sequenza del DNA bersaglio da analizzare per sintetizzare in

─ è

laboratorio i primer necessari alla polimerizzazione .

Taq polimerasi non è dotata di attività di correzione di bozze

─ (3’→5’ esonucleasica), per cui

la polimerasi Pfu

enzimi capaci di riparare gli errori

si preferisce usare come la .

PCR standard non è possibile ottenere frammenti di DNA di dimensioni > 2000 bp

─ con la .

Tecniche di Sequenziamento del DNA

Le hanno consentito di superare i limiti della PCR

perché permettono di effettuare lo di di uno

screening sequenze diverse stesso gene o di più geni

identificare con alta precisione ogni variazione nucleotidica

consentendo di .

contemporaneamente tecnica

metodo enzimatico di Sanger

La tecnica di sequenziamento più usata è il ,

automatizzata DNA bersaglio viene denaturato in singoli filamenti fungono da

in cui il che

stampo per la sintesi in vitro di nuovi filamenti di DNA sintesi

, facendo avvenire la

simultaneamente in 4 provette diverse miscela dei 4 dNTP che vengono

contenenti ciascuna una

marcati con un fluoroforo per evidenziare la catena in crescita aggiungendo piccola [ ] di

, una

dideossinucleotide trifosfato ddNTP diverso per ogni provetta (ddGTP, CTP, ATP, TTP) che

terminatore di catena base-specifico privi del gruppo

agisce da , infatti, rispetto ai dNTP, sono

OH libero in 3’ e 2’ specifici di catena inseriti nella catena in

, per cui nel momento in cui sono

crescita non sono in grado di formare il legame fosfodiesterico con il nucleotide incorporato

,

precedentemente inibiscono subito la reazione di sintesi della catena

, per cui .

frammenti neosintetizzati separati dalle provette elettroforesi su gel di

I sono mediante

prodotti delle 4 reazioni vengano caricati nelle singole corsie del

poliacrilamide in modo che i

gel analizzare le sequenze di basi ad un computer fluorescenza

, dove è possibile osservando la

che viene emessa quando sono colpite da un raggio laser . 22

Genomica Comparata

Genomica Comparata relazioni esistenti tra il genoma umano e quello di altre specie

La studia le

viventi software informatici

, usando che consentono di valutare rapidamente la presenza di

sequenze geniche omologhe stessa origine ancestrale

probabilmente dovute alla ma con

evoluzione diversa

. Questi studi sono associati a quelli della genomica funzionale che consentono

funzione dei geni e dei loro prodotti

di valutare la (proteine).

Attraverso gli studi di genomica comparata è stato dimostrato che: complesso nucleoproteico

 il genoma delle cellule procariotiche (batteri) è organizzato in un

detto nucleoide ed è rappresentato da un contenente

unico cromosoma circolare a doppio filamento

meno di 10 Mb 1 sola origine di replicazione replicarsi rapidamente

, dotato di ma capace di ,

trascrizione e la traduzione avvengono in rapida successione

mentre la considerando che il

genoma non è delimitato dalla membrana nucleare molecole di mRNA prodotte

, per cui le

vengono direttamente tradotte sui ribosomi . nucleo mitocondri

 il genoma delle cellule eucariotiche è presente nel e nei .

Nucleo membrana nucleare comunica con il citoplasma

Il è delimitato dalla e attraverso un

complesso proteico favorendo il passaggio delle molecole di mRNA dal

, detto poro nucleare,

nucleoplasma al citoplasma ribosomi avverrà la sintesi delle

(fase acquosa del nucleo) dove sui

proteine altri enzimi e proteine passeranno dal citoplasma al nucleo

, mentre .

trascritte molecole di rRNA attraverso i

Il nucleolo è una regione del nucleo in cui vengono che

pori nucleari passano dal nucleo al citoplasma ribosomi

andando a costituire i .

Mitocondri organelli citoplasmatici Ø di ~ 1 μm membrana mitocondriale esterna

I sono con , ,

membrana interna numerosi ripiegamenti c’è la

più ampia per la presenza di (creste), tra cui

matrice mitocondriale acquosa ricca di enzimi e prodotti intermedi coinvolti nel metabolismo

, , produzione di energia enzimi del

energetico . Infatti, i mitocondri sono deputati alla , contengono gli

ciclo di Krebs 5 complessi proteici catena respiratoria

(ciclo dell’acido citrico) e i della

mitocondriale fosforilazione ossidativa reazione di ossidazione delle sostanze

responsabili della ,

nutritive organiche liberazione di energia utilizzata per produrre

con che viene molecole di

garantire l’energia sufficiente per le fx cellulari

importanti per .

ATP parente più prossimo dell’uomo

Inoltre, gli studi di genomica comparata hanno dimostrato che il è

Scimpanzè numerose sequenze nucleotidiche correlate a quelle umane

lo che presenta , infatti:

genoma umano e di scimpanzè presentano un 99% di geni codificanti simili fra loro

─ il poche differenze funzionali

(identità di sequenza) con .

95% del genoma di scimpanzè allineato direttamente con corrispondenti

─ il può essere

sequenze umane mancato allineamento si deve a delezioni o inserzioni

, mentre il .

Inoltre, sono state dimostrate varie analogie tra il (murino):

genoma umano e di topo

genoma del topo presenta più o meno lo stesso n° di geni dell’uomo

─ il (~ 30.000) ma il topo ha

19 autosomi 2 eterosomi

e .

ogni gene murino presenta un equivalente nell’uomo elemento importante

─ rappresentando un

studio di moltissime malattie nell’uomo eseguendo studi sperimentali nel topo

nello , .

genoma murino porzione eucromatica di 2500 Mb umano di 3000 Mb

─ il presenta una , quello .

introni dei geni murini sono più corti esoni del topo e dell’uomo hanno

─ gli , mentre gli

dimensioni simili 500-550 codoni in media

, pari a .

genoma umano presenta una maggiore quantità di DNA ripetitivo (trasposoni) 45%

─ il pari al

37% di quello murino

rispetto al .

molti geni umani e di topo sequenze divergenti topo presenta ben

─ presentano , in particolare il

1.200 geni dei recettori olfattivi 3 volte > a quelli dell’uomo

, , ecco perché il topo ha un olfatto

uomo presenta numerosi geni importanti dal punto di vista

migliore dell’uomo, ma l’

funzionale sistema nervoso meccanismi di riproduzione

, come per il e i .

maturazione dell’RNA azione dei promotori

─ l’uomo e il topo hanno meccanismi diversi per la , ,

inattivazione del cromosoma X imprinting

e . 23

GENOMA UMANO: struttura, caratteristiche e funzione

Genoma Umano insieme delle molecole di DNA di una cellula o dell’intero organismo

è l’

Il ,

24 molecole di DNA nucleare

25 molecole di DNA associate a proteine

rappresentato da , cioè molecola di mtDNA

istoniche e non istoniche 22 autosomi + 2 eterosomi X e Y

, cioè , più la .

DNA nucleare rappresenta il 99,5% di tutto il genoma cellulare tranne negli oociti

Il , che

70% di DNA nucleare 30% di mtDNA

hanno un e un .

Progetto Genoma Umano nato nel 1990 collaborazione internazionale dei

Il (HPG) grazie alla

principali centri di ricerca 2003 2

USA, UK, Francia, Germania, Giappone…

( ) ha consentito nel , con

sequenziare tutto il genoma umano

anni di anticipo rispetto ai tempi previsti , di e di:

sequenziare il genoma di altri 5 organismi modello E. coli Saccharomyces cerevisae

 , cioè ,

nematodi Drosophila melanogaster topo

(lievito), , (moscerino della frutta) e il .

sviluppare nuove tecniche più sensibili e specifiche per mappare e sequenziare il DNA

 .

valutare la struttura, funzioni e regolazioni dei geni

 .

diagnosi delle malattie genetiche sperimentazione di nuovi farmaci e vaccini

 e .

creare banche dati elettroniche sviluppo di software informatici per l’analisi delle sequenze

 con .

aggiornare la nomenclatura dei geni distinguendoli in base alle loro funzioni

 .

Inoltre, il sequenziamento del DNA ha consentito di effettuare altri tipi di studi:

studi di antropologia tracciare le origini dell’uomo migrazioni delle popolazioni

 per e .

analisi forensi identificare persone relazioni di parentela

 per valutare il profilo del DNA per e le .

evitare di usare in

Inoltre, sono state definite nuove norme etico-sociali e di medicina legale per

discriminare gli individui

modo sbagliato le infomazioni ottenute sul genoma umano ad es. per

portatori di alleli patogeni rinascita dell’eugenica riproduzione selettiva

e per evitare la cioè per

nascita di individui con caratteristiche ereditarie migliori

favorire la .

Il primo dato emerso da questi studi è che il è

genoma umano costituito solo da 30.000-35.000

n° molto più basso rispetto ai 100.000 stimati prima del sequenziamento del DNA

, un ,

geni

poco più alto dei 20.000 geni dei nematodi vermi lunghi 1 mm costituiti da 1000 cellule

, , , che a

migliaia di geni in più rispetto ai moscerini della frutta organismi più

loro volta hanno che sono

complessità genetica non è correlata alla complessità biologica

complessi , dimostrando che la .

dimensioni pari a ~ 3200 Mb

genoma nucleare

Il ha , dovute a +

3000 Mb di eucromatina 200 Kb di

molto condensata e inattiva dal punto di vista trascrizionale

, ,

eterocromatina costitutiva

localizzata a livello del centromero braccio q dei cromosomi acrocentrici braccio p del

(3 Mb), ,

cromosoma Y costrizioni secondarie dei cromosomi 1, 9 e 16

e .

cromosomi lunghezza media di 140 Mb n° di geni pari a ~ 1400

I hanno una , per cui presentano .

alta densità regioni

Nell’eucromatina la Densità Genica è pari a con nelle

~ 1 gene ogni 100 kb

subtelomeriche dei cromosomi cromosomi più ricchi di geni sono il 19 e 22 quello più povero

: i ,

dimensioni dei geni

è il cromosoma 18 n° degli esoni lunghezza

. Le dipendono dal che hanno una

media ~ 200 bp lunghezza estremamente variabile

di e dagli che presentano una , mentre

introni

alcuni geni sono di piccole dimensioni privi di introni geni per i tRNA istoni …

perché come i ,

Il è di cui solo

5% del genoma nucleare fortemente conservato 1.5% è rappresentato da DNA

produrre mRNA polipeptidi

(40 Mb) che per il 90% viene usato per e quindi , mentre

codificante non producono proteine

il 5-10% è rappresentato dai geni a RNA non codificante cioè ma

rRNA tRNA snRNA o piccoli

molecole di RNA importanti nel , cioè , ,

processo di espressione genica

RNA nucleari snoRNA o piccoli RNA nucleolari

, .

Inoltre, sono stati identificati numerosi pseudogeni o frammenti genici, cioè geni difettivi non

raggruppati su uno o più cromosomi dispersi nel genoma

, o , forse dovuti a vari

codificanti dell’evoluzione.

meccanismi di duplicazione genica verificatisi nel corso DNA

Il è costituito da , distinto in

44% del genoma umano DNA non codificante, ripetitivo

ripetuto in tandem DNA ripetuto intersperso

e . sequenze altamente ripetute inattive dal punto di

Il è caratterizzato da ,

DNA ripetuto in tandem

vista trascrizionale eterocromatina pericentromerica

nell’

, tra cui il DNA satellite (α) localizzato 24

centromerica localizzato a livello dei telomeri regioni

e , DNA minisatellite (TTAGGG) e SSR o

peritelomeriche brevi sequenze ripetute in tandem

, DNA microsatellite costituito da dette

ripetizioni di sequenze semplici disperse nel genoma che rappresentano il 2% del genoma umano.

45% del genoma

Il costituisce il ed è rappresentato da

DNA ripetuto intersperso Trasposoni o

segmenti mobili di DNA capaci di replicare e inserirsi in

, cioè

elementi genetici mobili

posizioni diverse del genoma tramite il meccanismo della trasposizione , tra cui abbiamo i

e i .

retrotrasposoni trasposoni fossili a DNA

frammenti di DNA capaci di trascriversi autonomamente in un

I sono

Retrotrasposoni

trascritto di RNA replicarsi in altre posizioni del genoma

(trascrittasi inversa) e (trasposizione

lunghi elementi nucleari interspersi LINE corti elementi nucleari

conservativa) tra cui abbiamo i ,

interspersi SINE trasposoni umani con LTR autonomi non autonomi

e (rari), distinti in o in base alla

loro capacità o meno di codificare i prodotti necessari per garantirsi la retrotrasposizione .

elementi trasponibili autonomi

21% del genoma umano localizzati

I LINE rappresentano il , sono ,

nelle regioni di eucromatina ricche di AT

, specie in quelle (G scure). Esistono 3 classi, cioè Line

lunga 6.1 kb 2

, ma solo la Line 1 è ancora attiva, pari al 17% del genoma, , costituita da

1, 2 e 3

moduli di lettura aperti ORF1 ORF2 promotore all’estremità 5’ RNA polimerasi II

, e , un per la

ORF1

coda di poli-A all’estremità 3’ codifica una proteina che si lega all’RNA

. L’

e una (RNA-

ORF2 codifica una proteina

binding protein), mentre con attività di e

endonucleasi trascrittasi

taglia la doppia elica lasciando un gruppo OH libero in 3’

, per cui che consente alla

inversa (RT)

trascrittasi inversa di sintetizzare una copia del DNA .

lunghi ~ 100-400 bp non codificano proteine non sono autonomi

I SINE (13%) sono , e , infatti

bisogno delle proteine codificate dalle sequenze LINE per trasporre

hanno (sequenza Alu).

sequenza non

I migrano mediante cioè la

Trasposoni fossili a DNA trasposizione conservativa

viene copiata tagliata e reinserita in un altro punto del genoma

ma viene per azione della

trasposasi sequenze di trasposoni di DNA hanno vita breve termine della quale non sono

. Le , al

più attive e sono considerate .

fossili di trasposoni

Mutazioni

Mutazioni alterazioni cromosomiche o geniche cambiamento

Le sono che determinano un

permanente nella struttura del genoma ereditabili dalle generazioni successive

, .

mutante

organismo che porta una mutazione organismo con genotipo e

L’ , mentre l’

viene detto

selvatico

fenotipo normale è detto . esposizione del DNA

all’

Eziopatogenetico

Dal punto di vista le mutazioni possono essere dovute

a vari agenti mutageni con distinzione tra ed :

mutazioni endogene esogene

eventi spontanei avvengono nella cellula durante la

 mutazioni endogene: sono dovute ad che

errori dei sistemi di riparazione

replicazione del DNA

, associati ad .

agenti mutageni presenti nell’ambiente esterno

 sono dovute all’azione

mutazioni esogene: di ,

sostanze di natura fisica, chimica o biologica indurre mutazioni solo nelle

cioè in grado di

cellule su cui agiscono direttamente

:

idrocarburi pesticidi chemioterapici

fumo di sigaretta

─ mutageni chimici: come il , , come gli

agenti intercalanti analoghi delle basi

(proflavina) e gli .

radiazioni ionizzanti campo medico scopi diagnostici e

─ mutageni fisici: utilizzate in per

rotture cromosomiche

terapeutici (raggi X, raggi γ, radioterapia), responsabili soprattutto di o di

mutazioni puntiformi entità del danno dose tempo di esposizione n°

, con correlata alla , ,

esposizioni tipo di cellula fase del ciclo cellulare

, e .

reazioni fotochimiche esposizione ai raggi UV solari

─ mutageni biologici: dovute alla .

Le cellule presentano vari con intervento di varie

Sistemi di Riparazione del DNA proteine ed

correggere i danni del DNA durante la fase G2 del ciclo cellulare prima della

in grado di ,

enzimi

divisione cellulare danno non viene riparato intervento di altri meccanismi

si ha l’

, mentre se il

morte cellulare

che provocano la (apoptosi).

Possiamo fare una distinzione tra :

riparazione diretta indiretta

e 25

attività esonucleasica 3’-5’

 si deve all’

riparazione diretta: di alcune che

DNA polimerasi

riconoscono ed eliminano direttamente il nucleotide incorporato in modo errato .

intervento di alcuni

 si deve all’

riparazione indiretta o per escissione: che

enzimi di correzione

controllano il DNA neosintetizzato rimuovono il segmento errato

, , poi la DNA polimerasi

risintetizza il segmento eliminato la unisce alle 2 estremità

e la .

DNA ligasi

Classificazione delle Mutazioni

La prevede una distinzione tra:

 mutazioni cromosomiche:

anomalie cromosomiche di n° poliploidia aneuploidia

─ : , .

anomalie cromosomiche di struttura traslocazioni inversioni delezioni inserzioni

─ : , , , ,

duplicazioni isocromosomi

, .

anomalie cromosomiche con presenza di più linee cellulari o Mixoploidia mosaicismo chimera

─ : , .

delezioni inserzioni mutazioni puntiformi sostituzione di singole basi

 mutazioni geniche: , , da .

mutazioni tipo germinale o somatico

Le possono essere di :

azione diretta degli agenti mutageni sulle gonadi senza

 dovute all’

mutazioni germinali: ,

provocare danni all’individuo trasmesse ai discendenti danni di

ma possono essere provocando

entità variabile tipo di mutazione stadio di formazione dei gameti

in base al e .

azione diretta degli agenti mutageni su tessuti costituiti da

 dovute all’

mutazioni somatiche:

cellule somatiche non vengono trasmesse alle generazioni successive

per cui , ma possono

provocare effetti nocivi nei portatori entità variabile tipo di cellule grado di

di a seconda del e

attività mitotica della cellula interessata cellula colpita non si

, infatti l’ se la

effetto è nullo espansione clonale della

divide cellula somatica continua a dividersi

, mentre se la si ha una

mutazione tumori maligni

, come succede nei .

mutazioni geniche Effetti

Le possono provocare di diverso tipo:

nessun effetto mutazioni a livello degli introni o sequenze non regolatrici

 in caso di .

mutazioni a livello degli esoni

 :

silenti interessano gli esoni non codificanti

─ se .

neutre interessano regioni non critiche per la sintesi della proteina

─ se .

deleterie

─ con (recessive) o con (dominanti).

perdita di funzione acquisizione di funzione

mutazioni nelle regioni regolatrici

 le hanno un (sovra-sotto espressione).

effetto quantitativo

delezione di un intero gene

Le mutazioni con perdita di funzione possono essere dovute a ,

mutazioni nonsense slittamenti del modulo di lettura con deficit della traduzione mutazioni

, ,

nei siti di splicing < parziale o totale della funzione della proteina

… In tal caso si ha una .

mutazioni con perdita di funzione fenotipi recessivi eterozigoti

In genere le producono perché gli

non presentano alcun problema cellula e l’organismo sono in grado di funzionare

, infatti la

anche con un livello di attività genica pari al 50% . Se il 50% del prodotto normale non è

fenotipo anomalo

sufficiente per il funzionamento dell’organismo si parla di aploinsufficienza con

ereditato come carattere dominante . riarrangiamento

Le mutazioni con acquisizione di funzione in genere sono causate da

cromosomico rimescolamento di esoni sovraespressione genica

con , tipica dei , in cui il

tumori

prodotto genico funziona in modo anomalo mutazioni con acquisizione di funzione

. Le in genere

producono fenotipi dominanti presenza di un allele normale non impedisce all’allele

, infatti la

mutato di comportarsi in modo anomalo .

Inoltre, possiamo fare una distinzione tra:

allele nullo o amorfo non produce nulla

─ se .

allele ipomorfo produce un prodotto in minore quantità o con funzioni ridotte

─ se .

allele ipermorfo produce un prodotto in maggiore quantità o con funzioni aumentate

─ se .

allele neomorfo produce un nuovo prodotto stesso prodotto funzioni nuove

─ se o lo ma con .

allele antimorfo produce un prodotto che ha una funzione antagonista al prodotto normale

─ se .

mutazioni utili o innocue

Le non sono incluse nelle mutazioni p.d. e sono dette polimorfismi che

frequenza nella popolazione > 1%

hanno una .

Clinico

Dal punto di vista le mutazioni possono determinare: 26


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kalamaj

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DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea magistrale in medicina e chirurgia (a ciclo unico - 6 anni)
SSD:
Università: Foggia - Unifg
A.A.: 2012-2013

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher kalamaj di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Genetica Umana e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Foggia - Unifg o del prof Margaglione Maurizio.

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