Secondo semestre genetica

L’ORGANIZZAZIONE DEL GENOMA

Nei batteri le sequenze codificanti coprono tutto il genoma.

Negli eucarioti inferiori, come il lievito, le sequenze codificanti sono raramente interrotte da sequenze non

codificanti.

Nei procarioti non esistono sequenza non codificanti,

Nei mammiferi la maggior parte del genoma contiene circa 12 esoni, ma vi sono anche genomi più estesi,

che contano 30-40 esoni.

Negli eucarioti l’insieme completo dei cromosomi metafasici di una cellula è definito cariotipo.

Il cariotipo è specie-specifico, cioè varia da specie a specie.

La quantità di DNA in un cromosoma di un procariote o la quantità aploide (N) in una cellula eucariotica è

chiamata valore C.

La quantità di materiale genetico varia moltissimo tra procarioti ed eucarioti.

Non esiste una relazione diretta tra il valore C e la complessità di struttura o di organizzazione

dell’organismo.

Una cellula eucariotica, se confrontata con una procariotica, contiene nel suo nucleo una grande quantità di

DNA. Si può quindi affermare che la quantità di DNA, è diversa in diversi organismi.

5 8 4

Per esempio, le piante con fiore hanno tra 10 e 10 Kb di DNA per genoma; l’E.coli ha 4 x 10 paia di basi;

10

l’ameba ha 2.9 x 10 bp.

Eucromatina ed eterocromatina:

1 2

Esistono due tipi di cromatina, l’ eterocromatina e l’eucromatina.

L’eterocromatina è la cromatina che si colora intensamente e questo perché è più condensata; è

geneticamente inattiva, o perché non contiene geni o perché i geni in essa contenuti non possono essere

espressi.

L’eucromatina è la cromatina che si colora debolmente e si condensa durante la mitosi. Costituisce la

maggior parte del genoma. Funzionalmente, l’eucromatina è geneticamente attiva, vale a dire che contiene

geni che vengono espressi.

DNA A SEQUENZE UNICHE E A SEQUENZE RIPETURTE NEI CROMOSOMI DEGLI EUCARIOTI

Dagli studi sono stati individuati tre diversi tipi di sequenze:

1. Uniche (o a singola copia, presenti da una a poche copie per genoma)

5

2. Moderatamente ripetute (presenti fino a 10 volte nel genoma):

- DNA ripetuto in tandem: le sequenze non ripetute una dietro l’altra. Sono geni rRNA, tRNA e le famiglie

geniche, come il gene emoglobina (due copie -globina e due di -globina)

- DNA ripetuto sparso: sono sequenze sparse sul genoma e hanno quindi diverse regioni cromosomiche,

comprendono alcune famiglie multigeniche, come gli istoni.

6

3. Altamente ripetute (presenti fino a 10 volte nel genoma)

-DNA ripetuto in tandem: è associato ai centromeri e ai telomeri. In corrispondenza a ciascun centromero,

per esempio, si trovano centinaia di migliaia di copie di sequenze relativamente corte ripetute in tandem.

Hanno diverso contenuto percentuale di guanina e citosina riguardo al restante DNA e c’è quindi una

diversa densità visibile con le bande. Queste bande sono dette bande satellite, ed è qui che si localizza il

DNA SATELLITE, separabile quindi su gradiente di densità, in quanto, a seconda della densità della struttura,

questa si posizionerà su gradiente diverso.

-DNA ripetuto sparso: si trovano negli introni e possono essere di due tipi.

17

1 SINE (short interspersed repeated sequences), che arrivano a 100-500 bp

2 LINE (long interspersed repeated sequences), che arrivano a 5000 Kb e si possono trovare anche tra un

gene e l’altro.

Nei procarioti, con l’eccezione dei geni per l’RNA ribosomiale, dei geni per i tRNA e di poche altre sequenze,

tutto il genoma è presente come DNA a sequenze uniche.

Negli eucarioti si ha del DNA sia a sequenze uniche sia a sequenze ripetute, queste ultime molto complesse

nel numero di tipi, di copie e di distribuzione.

Geni associabili agli operoni sono gli rRNA dei procarioti.

RIBOSOMA: più molecole di RNA della stessa unità trascrizionale (RNA policistronico), vengono trascritte

insieme in un unico gene. Il trascritto primario (precRNA) viene processato da RNASI III, formando mRNA

maturo, sia in eucarioti sia in procarioti.

L’RNA, complessato a varie proteine, va a costituire i ribosomi.

I geni ribosomiali sono geni ripetuti; le subunità ribosomiali sono 30S e 50S nei procarioti e 40S e 60S negli

eucarioti, dove S è il coefficiente di sedimentazione in Svedberg.

Il fatto che le due subunità unite non siano il risultato della somma delle singole parti dipende dal fatto che

il coefficiente di sedimentazione non è un peso, ma un dato ricavano da un gradiente di densità.

COMPLESSITA’ DELLE SEQUENZE GENOMICHE – CINETICA DI RIASSOCIAZIONE

Tanto più il DNA è complesso, tanto più sarà complessa la cinetica di riassociazione, perché ogni sequenza

unica di DNA avrà la stessa probabilità di esserci.

Dopo aver denaturato il DNA tramite il calore, è possibile, attraverso studi di diffrazione o fotometri,

osservare la cinetica di riassociazione. Il tempo di riassociazione è più breve per le sequenze ripetute, in

quanto impiegheranno meno tempo a trovare le sequenze complementari.

La cinetica di riassociazione è dunque utile per la comprensione della complessità del genoma.

ORIGINE DEL DNA RIPETUTO

DNA RIPETUTO IN TANDEM: deriva da una sequenza ancestrale che si è duplicata; è l’espansione di una

sequenza progenitrice per slittamento durante la replicazione

DNA RIPETUTO SPARSO (nel genoma): deriva da una trasposizione.

I. Retrotrasposizione: avviene quando le sequenze non codificanti vengono trascritte nell’RNA, poi,

attraverso la retrotrascrizione, sono integrate nel DNA.

Le sequenze LINE e SINE sono un esempio di questo tipo di fenomeno; SINE è più rappresentata nell’uomo,

sequenza ALU.

Non si conosce la funzione di queste regioni non codificanti che vengono integrate nel DNA, ma

contengono di ‘punti di rottura’ che portano il genoma a ricombinarsi proprio in corrispondenza di questi

punti, generando mutazioni oppure ulteriori fonti di variabilità genetica.

1

II. Trasposoni a DNA: il DNA viene copiato dal sito originario e dunque integrato in altre regioni del

genoma, generando così sequenze ripetute.

2

Può, oppure, prevedere un’escissione del DNA e la reintegrazione di questo segmento in un nuovo sito;

ciò però non genera ripetizioni.

DUPLICAZIONE E FAMIGLIE GENICHE

Negli organismi eucariotici si trovano di frequente copie multiple di geni, tutte con sequenza identica o

18

simile. Un gruppo di tali geni è detta famiglia multigenica, che è definita come un insieme di geni correlati

che si sono evoluti da un certo gene ancestrale mediante il processo di duplicazione allelica.

I membri di una famiglia allelica possono trovarsi raggruppati assieme o dispersi su cromosomi diversi e

questo perché derivano da crossing over ineguali, che portano all’accumulo di ripetizioni.

Quando vi è un gene duplicato su un cromosoma, si ha maggior probabilità che contengano più copie dello

stesso gene e altrettanti cromosomi su cui geni vengono deleti.

Vi è un valore soglia di sequenze ripetute per geni codificanti, mentre non ci sono criteri selettivi per la

ripetizione di sequenze non codificanti, per questo il 97% del nostro genoma conta geni non codificanti.

19

LE MAPPE FISICHE

Le mappe fisiche sono mappe che non misurano le distanze geniche in Centimorgan, bensì in paia di basi e

permettono di stabilire la distanza reale tra due loci.

La prima mappa fisica fu costruita basandosi sulla Drosophila, la quale contiene cromosomi ‘politenici’,

cioè costituiti da fasci di cromatidi che derivano da cicli ripetuti di duplicazioni di cromosomi non seguite da

mitosi, senza cioè divisioni nucleari o cellulari.

I cromosomi politenici sono presenti in particolare nelle ghiandole salivari della Drosophila.

I cromosomi politenici possono avere una dimensione di migliaia di volte maggiore di quella dei

corrispondenti cromosomi visibili alla meiosi e sono facilmente riconoscibili al microscopio.

In ogni cromosoma politenico i cromosomi omologhi sono strettamente appaiati, perciò il numero dei

cromosomi politenici per cellula corrisponde alla metà del numero diploide di cromosomi; inoltre sono

visibilissimi anche in interfase, dove sono svolti, ma discreti.

I cromosomi sono colorati a bande perché le loro regioni hanno diversi gradi di comportamento alla

cromatina; nella Drosophila ogni banda contiene da uno a tre geni e circa 30000 bp.

Le bande sono state classificate e numerate, pertanto, una banda in più o in meno stava a delineare una

mutazione, cui, eventualmente, poteva essere anche associata un’alterazione fenotipica; in questo modo si

faceva un’associazione fisica, mappando il gene che provocava l’alterazione fenotipica (o per una delezione

o per una replicazione) in corrispondenza di quella banda mancante o in più che veniva osservata.

Le mappe fisiche quindi permettono di stabilire una distanza reale tra due loci:

1. Assegnazione di geni a cromosomi

2. Assegnazioni di geni a regioni subcromosomiche

Sul GENOMA UMANO, la prima mappa fisica fu la mappa citogenetica sui cromosomi metafasici (NB: non

interfasici come nella Drosophila, nella cui specie una banda corrispondeva a 30Kb) nell’uomo e prevedeva

6

una banda con 6x10 bp; i loci vengono riferiti alle bande citogenetiche.

Con lo sviluppo delle tecniche di mappatura fisica migliora la risoluzione delle mappe e ciò ha permesso il

sequenziamento dei geni appartenenti a una data regione e per quanto riguarda il conteggio delle basi, si

cominciò a contare le basi tra un locus genico e un altro.

Il genoma umano, a oggi, è stato completamente sequenziato, eccetto le sequenze altamente ripetute;

questo perché il sequenziamento può essere fatto su piccoli frammenti di DNA, che vengono poi collocati

secondo un ordine nel genoma, invece sequenze molto lunghe non possono essere facilmente sequenziate.

Cosa cambia tra mappe genetiche e mappe fisiche?

Tra mappe genetiche e mappe fisiche, in sostanza, l’ordine dei geni non cambia, ma può variare la loro

distanza reciproca; questo perché nelle mappe genetiche l’unità di misura è quella dei cM (centiMorgan).

Esse mappano i geni sui cromosomi in base alla frequenza di ricombinazione.

Verso i telomeri infatti, il Crossing Over è più favorito, quindi la distanza fra i geni è sovrastimata;

verso i centromeri, invece, il Crossing Over è meno favorito, quindi la distanza fra i geni è sottostimata.

Inoltre, mentre le mappe fisiche si basano sulla possibilità di stabilire una distanza reale tra i due loci, le

mappe genetiche si basano sulla possibilità che due loci siano separat