POMERIGGIO DI AGGIORNAMENTO 23.03.2011PROF. M.A. ZORDAN, Ph.D

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA

I MOTORI DELL’EVOLUZIONE

PT2

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IL MATERIALE GENETICO

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• Per svolgere il proprio ruolo, il materiale genetico deve rispettare diversi criteri– 1. Informazione: deve contenere l’informazione necessaria a

formare un intero organismo– 2. Trasmissione: deve essere trasmesso dal parentale alla

progenie

– 3. Replicazione: deve essere copiato • Per poter essere trasmesso dal parentale alla progenie

– 4. Variazione: deve essere in grado di cambiare• Questo spiegherebbe le note variazioni fenotipiche di ciascuna specie

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• DNA e RNA sono grandi macromolecole con diversi livelli di complessità

– 1. I nucleotidi rappresentano le unità ripetute

– 2. I nucleotidi sono legati tra loro e formano un filamento– 3. Due filamenti interagiscono formano la doppia elica– 4. La doppia elica si ripiega e si curva interagendo con

proteine. Si forma la struttura tridimensionale dei cromosomi

La struttura degli acidi nucleici

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• I nucleotidi sono l’unità strutturale ripetuta di DNA e RNA

• Essi hanno tre componenti– Un gruppo fosfato– Uno zucchero pentosio– Una base azotata

I nucleotidi

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A, G, C or T

• Gli atomi indicati in rosso si trovano nei singoli nucleotidi– Però essi vengono rimossi quando i nucleotidi si uniscono tra loro

per formare i filamenti di DNA o RNA

A, G, C or U

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• Base + zucchero nucleoside – Per esempio

• Adenina + ribosio = Adenosina• Adenina + deossiribosio = deossiadenosina

• Base + zucchero + fosfato/i nucleotide– Per esempio

• Adenosina monofosfato (AMP)• Adenosina difosfato (ADP)• Adenosina trifosfato (ATP)

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• I nucleotidi sono legati covalentemente tra loro mediante legami fosfodiesterici– Un gruppo fosfato collega il carbonio in posizione 5’ di un

nucleotide al carbonio in posizione 3’ dell’altro nucleotide

• Perciò il filamento è orientato in direzione 5’ → 3’• I gruppi fosfato e le molecole di zucchero formano lo

scheletro dell’acido nucleico– Le basi sporgono all’esterno dello scheletro di zucchero-

fosfato

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IL MODELLO DELLA DOPPIA ELICA

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• realizzarono che il legame idrogeno tra A e T dava una struttura simile a quella che lega C e G – Così essi costruirono dei modelli a sfere e bastoncini che

includevano delle interazioni AT e CG• Questi modelli erano compatibili con tutti i dati noti sulla

struttura del DNA

• Watson, Crick e Maurice Wilkins ricevettero il Premio Nobel nel 1962– Rosalind Franklin morì nel 1958, e il premio Nobel non

viene assegnato in forma postuma

Watson e Crick

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La doppia elica di DNA

– Due filamenti sono avvolti attorno a un asse comune

– Per giro completo ci sono 10 basi e 3,4 nm– I due filamenti sono antiparalleli

• Uno corre in direzione 5’ → 3’ e l’altro in direzione 3’ → 5’

– L’elica è destrorsa • Ovverosia si avvolge in direzione oraria

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La doppia elica di DNA

– La struttura a doppia elica è stabilizzata da

• 1. Legami idrogeno tra basi complementari– A si lega a T mediante due legami idrogeno– C si lega a G mediante tre legami idrogeno

• 2. L’orientamento delle basi – Nel DNA le basi sono disposte in modo che le loro

strutture planari siano impilate lungo uno stesso asse

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La doppia elica di DNA– All’esterno dell’elica sono presenti

due solchi asimmetrici• 1. Il solco maggiore • 2. Il solco minore• Alcune proteine possono legarsi in

corrispondenza di questi solchi– Interagendo così con una particolare

sequenza nucleotidica

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• Per essere contenuto nelle cellule, la doppia elica di DNA deve venire fortemente compattata in una struttura tridimensionale– A questo scopo agiscono delle proteine che

legano il DNA.

L’organizzazione tridimensionale del DNA

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LA STRUTTURA DELL’RNA

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• La struttura primaria del filamento di RNA è molto simile a quello del DNA

• I filamenti di RNA sono lunghi tipicamente da diverse centinaia a diverse migliaia di nucleotidi

• Per la sintesi di RNA, viene usato come stampo uno solo dei due filamenti di DNA

La struttura dell’RNA

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L’EUCROMATINA E L’ETEROCROMATINA

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• Il livello di condensazione dei cromosomi interfasici non è del tutto uniforme– Eucromatina

• Rappresenta le regioni meno condensate del cromosoma• È trascrizionalmente attiva • La fibra di 30 nm forma i domini ad ansa radiale

– Eterocromatina• Rappresenta le regioni più condensate del cromosoma• In generale è trascrizionalmente inattiva• I domini ad ansa radiale sono ulteriormente condensati

Eterocromatina/eucromatina

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• Esistono due tipi di eterocromatina– L’eterocromatina costitutiva

• Regioni che sono sempre eterocromatiche• Permanentemente inattiva dal punto di vista trascrizionale

– L’eterocromatina facoltativa• Regioni che possono essere reciprocamente convertite da

eucromatina a eterocromatina o viceversa• Per esempio il corpo di Barr

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IL GENE E IL DOGMA CENTRALE DELLA BIOLOGIA

MOLECOLARE

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• A livello molecolare il gene è un segmento di DNA usato per sintetizzare un prodotto funzionale– un RNA oppure un polipeptide

• La trascrizione è il primo passaggio della espressione genica

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• Letteralmente trascrizione significa copiare• In genetica, il termine si riferisce alla copia di una

sequenza di DNA in una sequenza di RNA

• La struttura di DNA non è alterata in conseguenza di questo processo– Può continuare a contenere l’informazione

Trascrizione

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• I geni strutturali codificano una sequenza polipeptidica– La trascrizione di un gene strutturale produce un RNA

messaggero, o mRNA– La sequenza di mRNA determina la sequenza

aminoacidica del polipeptide– La funzione della proteina determina il carattere

• Questo percorso dal gene al carattere viene definito il dogma centrale della biologia

Espressione genica

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Il dogma centrale della biologia

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• Un concetto cruciale è che le sequenze nucleotidiche definiscono l’inizio e la fine del gene e regolano il livello della sintesi di DNA

• L’espressione genica è il processo generale mediante il quale l’informazione di un gene viene usata per produrre un prodotto funzionale che determina un carattere

La trascrizione

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Segnala il termine della sintesi

proteica

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• Il filamento che effettivamente viene trascritto si chiama stampo oppure antisenso

• Il filamento opposto si chiama filamento di senso o codificante– La sua sequenza nucleotidica è identica al trascritto di

RNA• Con l’eccezione che al posto della timina si trova l’uracile

L’espressione genica si basa su sequenze nucleotidiche

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• I fattori di trascrizione riconoscono il promotore e le sequenze di regolazione che controllano la trascrizione

• Sequenze di mRNA come il sito di legame al ribosoma e i codoni dirigono la traduzione

L’espressione genica si basa su sequenze nucleotidiche

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• La trascrizione avviene in tre fasi– Inizio– Allungamento– Terminazione

• Queste fasi coinvolgono delle interazioni DNA-proteine– Proteine quali l’RNA polimerasi interagiscono con le

sequenze di DNA

Le fasi della trascrizione

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I TRASCRITTI DI RNA (RUOLO DELL’mRNA)

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• Una volta prodotti, i trascritti giocano ruoli funzionali diversi

• Ben oltre il 90% dei geni sono geni strutturali che producono un mRNA

I trascritti di RNA hanno diverse funzioni

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• I trascritti di RNA da geni non strutturali non sono tradotti– Essi possiedono importanti funzioni cellulari– E possono comunque conferire un carattere

– In alcuni casi il trascritto diviene parte di un complesso proteico

– Ad esempio– Ribosomi– Spliceosomi– Particelle di riconoscimento del segnale

I trascritti di RNA hanno diverse funzioni

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• Il DNA nucleare viene trascritto da tre differenti RNA polimerasi– La RNA polimerasi I

• Trascrive i geni dell’rRNA con l’eccezione dell’rRNA 5S

– La RNA polimerasi II• Trascrive tutti i geni strutturali

– Ovverosia sintetizza tutti gli mRNA

• Trascrive alcuni snRNA

– La RNA polimerasi III• Trascrive tutti i geni dei tRNA • E il gene dell’rRNA 5S

Le RNA polimerasi eucariotiche

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• I promotori eucariotici sono più variabili e più complessi di quelli batterici

• Nella maggioranza dei promotori dei geni strutturali si trovano perlomeno tre caratteristiche – Elementi di regolazione– TATA box– Sito di inizio della trascrizione

I promotori dei geni strutturali eucariotici

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Di solito A

• Il promotore centrale è relativamente breve

– Consiste nel TATA box• E’ importante per determinare il sito preciso di inizio della

trascrizione

• Di per sè il promotore centrale assicura un livello di trascrizione basso – Che si definisce trascrizione basale

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• Gli elementi di regolazione influenzano il legame dell’RNA polimerasi al promotore– Ve ne sono di due tipi

• Gli enhancer– Che stimolano la trascrizione

• I silenziatori – Che la inibiscono

– La loro posizione è estremamente variabile anche se spesso si trovano nelle regioni da –50 a –100

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• I fattori che controllano l’espressione genica possono essere divisi in due tipi, in base alla loro posizione– Elementi in cis

• Sequenze di DNA che agiscono solo su un particolare gene

• Per esempio: TATA box, enhancer, silenziatore

– Elementi in trans• Proteine di regolazione che si legano a queste

sequenze di DNA

I promotori dei geni strutturali eucariotici

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• Al contrario le sequenze codificanti, dette esoni, sono interrotte da sequenze interposte o introni

• La trascrizione produce l’intero prodotto genico– Successivamente gli introni sono rimossi

– Gli esoni sono congiunti

• Questo fenomeno prende il nome di splicing, un termine inglese che significa giustapporre

• Si tratta di un fenomeno genetico comune negli eucarioti– Che talvolta avviene anche nei batteri

Modificazioni dell’RNA

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• Un vantaggio dell’organizzazione dei geni in esoni-introni è il fenomeno dello splicing alternativo

• Un pre-mRNA con più introni potrà essere maturato in modi diversi– Generando mRNA maturi con diverse combinazioni

di esoni

• Queste variazioni possono avvenire in diversi tipi cellulari durante i diversi stadi dello sviluppo

Quali sono i vantaggi dell’esistenza degli introni?

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• Se lo splicing alternativo consente di derivare più polipeptidi da un solo gene…

• …allora un organismo può portare un numero inferiore di geni nel proprio genoma

Quali sono i vantaggi dell’esistenza degli introni?

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LA SINTESI PROTEICA E IL CODICE GENETICO

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• La traduzione dei codoni dell’mRNA in sequenza aminoacidica porta alla sintesi proteica

• Una varietà di componenti cellulari svolgono un ruolo importante nella traduzione– Tra questi proteine, RNA e piccole molecole

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• Le proteine sono attivi partecipanti alla struttura e funzione della cellula

• I geni che codificano i polipeptidi sono detti geni strutturali– Essi sono trascritti in RNA messaggero (mRNA)

• La funzione principale del materiale genetico è quella di codificare la produzione delle proteine– Nella cellula corretta, al momento giusto, in quantità

adeguate

Le basi genetiche della sintesi proteica

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• La traduzione implica l’interpetazione di un linguaggio in un altro– In genetica, il linguaggio nucleotidico dell’mRNA viene

tradotto nel linguaggio aminoacidico delle proteine

• Questo è ciò che si definisce il codice genetico– Riferisciti alla Tabella 13.2

• L’informazione genetica è codificata nell’mRNA in gruppi di tre nucleotidi detti codoni

Il codice genetico

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• Codoni speciali:– AUG (specifica metionina) = codone di inizio

• AUG specifica metionina all’interno della sequenza codificante

– UAA, UAG e UGA = codoni di stop (o terminazione)

• Il codice è degenerato– Più di un codone può specificare uno stesso

aminoacido• Per esempio: GGU, GGC, GGA e GGG codificano tutti per

lisina

– In molti casi la terza base è la base degenerata• Talvolta la si definisce base vacillante

• Il codice è universale– Sono state notate solo rare eccezioni

• Vedi la Tabella 13.3

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• La sintesi di un polipeptide ha una sua direzionalità parallela all’orientamento 5’ 3’ dell’mRNA– Durante ogni ciclo di allungamento, un legame peptidico

viene formato tra l’ultimo aminoacido della catena polipeptidica e quello che deve essere aggiunto

• Il primo aminoacido ha un gruppo aminico esposto– L’estremità N-terminale o amino-terminale

• L’ultimo aminoacido ha un gruppo carbossilico esposto– L’estremità C-terminale o carbossiterminale

Una catena polipeptidica ha una sua direzionalità

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LE FUNZIONI DELLE PROTEINE

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• Le caratteristiche delle cellule dipendono dai tipi di proteine che esse producono

• Le proteine possono svolgere diverse funzioni– Elencate nella Tabella 13.5

Le funzioni delle proteine

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• Gli organismi eucarioti regolando i loro geni godono di molti vantaggi

• Per esempio:– Possono rispondere a modificazioni della disponibilità di

nutrienti– Possono rispondere a condizioni di stress ambientale

• Nelle piante e negli animali la pluricellularità, e il fatto che la struttura cellulare sia più complessa, richiedono inoltre un livello di regolazione genica più stringente

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LA REGOLAZIONE GENICA

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• La regolazione genica è necessaria per assicurare:– 1. L’espressione dei geni nella modalità corretta

durante i vari stadi dello sviluppo e del ciclo vitale• Alcuni geni sono espressi sono negli stadi embrionali, altri

solo negli stadi adulti

– 2. Le differenze tra tipi cellulari diversi• Cellule muscolari e del sistema nervoso sono così diverse

perché ha avuto luogo la regolazione genica

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• Si chiamano fattori trascrizionali quelle proteine che influenzano la capacità dell’RNA polimerasi di trascrivere un determinato gene

• Li raggruppiamo in due tipi principali:– Fattori generali di trascrizione

• Sono necessari per legare l’RNA polimerasi al promotore centrale e per passare alla fase di allungamento

• Sono necessari per la trascrizione basale– Fattori di regolazione della trascrizione

• Regolano la velocità della trascrizione dei geni adiacenti

• Influenzano la capacità dell’RNA polimerasi di iniziare la trascrizione di un determinato gene

I fattori che regolano la trascrizione

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• I fattori di regolazione della trascrizione riconoscono degli elementi di regolazione incis localizzati vicino al promotore centrale– Queste sequenze sono chiamate elementi di controllo

• Il legame dei fattori di regolazione della trascrizione agli elementi di controllo influenza la trascrizione di un particolare gene adiacente

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• Una proteina di regolazione che fa aumentare il tasso della trascrizione si definisce attivatore– La sequenza a cui si lega l’attivatore è chiamata enhancer

• Una proteina di regolazione che fa diminuire il tasso della trascrizione si definisce repressore– La sequenza a cui si lega il repressore è chiamata

sllenziatore

• Molti geni eucariotici sono regolati da diversi fattori– Un fenomeno definito controllo combinatoriale

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• Il legame di un fattore di trascrizione a un enhancer fa aumentare il tasso di trascrizione– Questa sovraregolazione può essere dell’ordine di 10-

1000 volte

• Il legame di un fattore di trascrizione a un silenziatore fa diminuire il tasso di trascrizione– Questo effetto si definisce sottoregolazione

Enhancer e silenziatori

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• Ci sono tre modi comuni con i quali può essere influenzata la funzione dei fattori di regolazione della trascrizione – 1. Il legame a piccoli effettori– 2. Le interazioni proteina-proteina– 3. Le modificazioni covalenti

La modulazione dei fattori di regolazione della trascrizione

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Ora il fattore di trascrizione può legarsi al DNA

Formazione di omodimeri o eterodimeri

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