Genomi 3 Capitolo 8: Genomi dei procarioti e degli organelli eucariotici

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1 T.A. Brown Genomi 3 Capitolo 8: Genomi dei procarioti e degli organelli eucariotici Chapter 2_Genome Anatomies Copyright Garland Science 2007

2 Capitolo 8: Genomi dei procarioti The Nucleoid of a dividing E. coli Figure 8.1 Genomes 3 ( Garland Science 2007)

3 E. Coli genome (4.6-Mb) DNA gyrase and DNA topoisomerase I Figure Genomes 3 ( Garland Science 2007)

4 Figure 8.6 Genomes 3 ( Garland Science 2007)

5 Insertion Seq.s 50kb of the E.coli genome 1. No introni 2. Poche seq. ripetute Figure 8.7 Genomes 3 ( Garland Science 2007)

6 (Catabolismo) operone: insieme di geni regolati in modo strettamente coordinato Diversi geni, 1 promotore, 1 operatore Figure 8.8a Genomes 3 ( Garland Science 2007)

7 Riassumendo Il genoma procariotico Non è provvisto di una membrana nucleare che lo separa dal citoplasma. Ha un genoma (cromosomico) circolare costituito da una doppia elica di DNA. Es. E. Coli = 4x10 6 bp di cui il 99% è costituito da sequenze codificanti o regolatrici e solo l 1% da sequenze ripetute non codificanti. NB: esistono anche genomi lineari I geni sono organizzati in operoni ovvero unità funzionali in cui i geni correlati per attività (es. enzimi di una via metabolica) sono posti l uno accanto all altro sul cromosoma, trascritti in un unico mrna e regolati in blocco. Sono dotati di molecole di DNA accessorie, distinte dal o dai cromosomi principali (plasmidi)

8 Capitolo 8: Genomi degli organelli eucariotici Genoma mitocondriale (mtdna) e plastidiale (cpdna) Geni extracromosomiali (extranucleari)

9 Regole della trasmissione non-mendeliana EREDITA EXTRACROMOSOMICA (o citoplasmatica) Geni extranucleari mostrano trasmissione non-mendeliana con 3 caratteristiche principali a. Geni extranucleari non possono essere mappati sui cromosomi nucleari b. No rapporti Mendeliani tipici Assenza di segregazione meiotica c. Trasmissione uniparentale Incroci reciproci danno progenie con fenotipo di uno solo dei genitori Generalmente della madre (+ citoplasma nella cellula uovo)

10 Eredità non mendeliana Es. EREDITA MATERNA Pigmenti cloroplastici (variegazione delle foglie) Cloroplasti normali: verde, fotosintetico Cloroplasti mutanti (Leucoplasti): bianco, non fotosintetico Cloroplasti misti: bianco/verde/misto

11 Origine dei genomi degli organelli Eubatterio internalizzazione in eucariote diversificazione degli eucarioti Una linea eucariote internalizzazione di cianobatterio -> precursore di cloroplasti

12 Mitocondri Teoria endosimbiontica la fagocitosi (circa un miliardo di anni fa) di un a-proteobacterio da parte di una cellula eucariotica ancestrale (acheozoo, già provvista di un rudimentale sistema di membrane e priva di capsula). Il batterio fagocitato anziché andare incontro a distruzione è rimasto in una nicchia protetta, fornendo la sua capacità ossidativa in cambio di questa protezione. Anche analisi del genoma confortano tale teoria, in quanto si tratta di cromosomi circolari, con geni e uso dei codoni tipici dei batteri. Il probabile antenato dei mitocondri attuali è un progenitore di Rickettsia prowazekii (batterio agente del tifo) vive all interno di cellule eucariotiche. Cloroplasti da un cianobatterio fotosintetico (fotosintesi). Relitto Evolutivo : Cyanophora paradoxa presenta strutture fotosintetiche (cyanelles) di un cianobatterio.

13 Il DNA promiscuo Una pressione selettiva (probabilmente l elevata mutagenicità dell ambiente ossidativo) ha spinto la migrazione verso il nucleo della maggior parte dei geni mitocondriali Si può presumere che quelli rimasti nel mitocondrio non possano essere trasferiti per difficoltà di importarli una volta sintetizzati nel citosol Trasferimento di materiale genetico dal cloroplasto e mitocondrio al nucleo dal cloroplasto al mitocondrio Dal nucleo verso cloroplasti e mitocondri ES. Nel riso frammenti di DNA cloroplastico nel genoma mtdna, nel genoma nucleare varie inserzioni di cpdna, una delle quali rappresenta quasi l intero genoma In Arabidopsis l mtdna contiene varie copie di ndna e 16 frammenti di cpdna Nel genoma umano sono stati identificati almeno 296 frammenti di DNA mitocondriale di dimensioni variabili (NUMTS)

14 I genomi degli organuli Caratteristiche comuni

15 I mitocondri nei Mammiferi

16 Network mitocondriale in fibroblasti di mammifero Yaffe (2002) Science

17 Dinamica mitocondriale in colture di cellule di mammifero Karbowski and Youle (2003) Cell Death Differ

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21 Contenuto genico Il contenuto in geni dei genomi mitocondriali è sostanzialmente conservato comprendendo essenzialmente geni coinvolti nella respirazione e nella traduzione. Meno frequentemente vi sono geni per l import e la maturazione delle proteine e il processing dell RNA. Questi geni derivano dal progenitore "-proteobatterico. Il numero di geni codificanti proteine varia da circa 100 nel protozoo Reclinomonas americana a 5 nel Plasmodium falciparum. Si osserva invariabilmente la presenza di 2 o 3 rrna, mentre il numero di trna è estremamente variabile, da nessuno a >30. Una compilazione aggiornata delle carateristiche dei genomi mitocondriali è disponibile nella banca dati GoBase:

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23 In generale negli animali mtdna contiene geni per: trna rrna Alcune subunità polipeptidiche della NADHdeidrogenasi, citocromo ossidasi e ATPasi. ndna codifica gli altri componenti mitocondriali: DNA polimerasi e altre proteine replicative RNA polimerasi (uomo POLRMT) e altre proteine per la trascrizione Proteine ribosomiali, fattori di traduzione e aminoacil trna syntetasi Le altre subunità della catena respiratoria