Genomi dei procarioti

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Samuele Carlini
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1 Genomi dei procarioti Una molecola circolare di DNA E.coli circa 4 x 10 6 coppie di basi Il genoma è quasi tutto codificante Viene trascritto in mrna policistronici

2 Il genoma eucariotico Il genoma eucariotico si trova nel nucleo Singole molecole lineari di DNA organizzate in cromosomi. I geni vengono trascritti in molecole di RNA messaggero (mrna ) monocistronici (1 molecola di mrna codifica per 1 proteina) I geni rappresentano solo 2% di tutto il DNA umano; cio significa che 98% del genoma umano e non codificante

3 Genoma umano Singole molecole lineari di DNA 22 autosomi presenti in duplice copia (genoma diploide) 2 cromosomi sessuali X Y maschio; X X femmina Per un totale di 46 cromosomi 6 x 10 9 coppie di basi Viene trascritto in mrna monocistronici

4 Le molecole di DNA eucariotiche sono altamente compattate nei cromosomi Cariotipo umano 22 autosomi 2 cromosomi sessuali Totale di 46 cromosomi

7 Lewin, IL GENE VIII, Zanichelli editore S.p.A. Copyright

8 Watson et al., BIOLOGIA MOLECOLARE DEL GENE,

12 Figure 5.1b

Sequenziamento con metodo Sanger Watson et al.

14 Sequenziamento massivo parallelo (next generation sequencing, NGS) Sequenziamento parallelo Assemblaggio Frammentazione random

15 I genomi di molte specie (compreso uomo e topo) sono interamente sequenziati e disponibili sul web. Strategia di sequenziamento Frammentazione In piccoli segmenti Parzialmente sovrapposti Sequenziamento dei frammenti agctct tctgaaagg aaaggctcccc..tgatgta Assemblaggio della sequenza completa agctct..tctgaaaggctccccc.tgatgta

18 Cromatina

19 -> nucleo <- citoplasma

20 I DNA genomici sono piu lunghi di vari ordini di grandezza delle cellule, organelli o particelle virali che li contengono # coppie di basi del DNA Lunghezza del DNA genomico Virus T nm 200 nm Diametro della particella virale o della cellula E. coli ,7 mm >1 micron Homo sapiens ~ 2 metri 7 30 micron Il DNA di tutti gli organismi deve essere compattato per stare dentro una cellula

22 Il nucleosoma è l unità minima di compattamento del DNA cromosomico

24 MNase ( P19Cl6 cells) approx. G. Fulcoli

25 Le interazioni tra il core istonico e il DNA sono mediate da molti contatti indipendenti dalla seq. nucleotidica dimero H3.H4 1) 14 siti di contatto tra l ottamero istonico e il DNA 2) >140 legami idrogeno tra gli istoni e gli atomi di ossigeno dei legami fosfodiestere à forniscono l energia per curvare il DNA 3) la natura basica degli istoni maschera la carica negativa del DNA e permette al DNA di curvare attorno al core istonico.

30 Farmaci possono essere usati per modulare le modificazioni istoniche G. Fulcoli

31 Mutazioni geniche e modificazioni istoniche G. Fulcoli

Il DNA batterico e altamente condensato Il DNA batterico e compattato in nucleoidi, strutture meno note rispetto alla cromatina eucariotica In E.

32 Il DNA batterico e altamente condensato Il DNA batterico e compattato in nucleoidi, strutture meno note rispetto alla cromatina eucariotica In E. coli, circa 500 anse di DNA lungo 10 kbp sono attacate alla superficie interna della membrana plasmatica Punti di connessione alla membrana plasmatica

33 Geni e Genomi

34 Che cosa e un gene? Unità fondamentale dell eredità genetica (codifica molecola funzionale). Un gene e costituito da sequenze codificanti (esoni) e sequenze non-codificanti (introni) I geni sono separati da regioni intrageniche contenenti elementi regolatori La dimensione dei geni e molto variabile; il gene che codifica la distrofina e lungo 2.2 x 10 6 bp; la OXT (ossitocina) 896 bp

35 Dove sono localizzati i geni nel genoma eucariotico?

36 Distribuzione piu o meno casuale con variazione della densita genica nelle diverse posizioni del cromosoma Arabidopsis (erba galletta): densita genica media di 25 geni ogni 100 kb di DNA (varia da 1 a 38). Situazione simile al genoma umano

37 Cariotipo umano colorato con il Giemsa (bande G) Giemsa: maggior affinita per il DNA ricco in A e T Bande G appaiono scure nel cariotipo perche hanno un contenuto A/T >>50% Contenuto A/T dei geni e < 50%

38 Come sono organizzati i geni nel genoma umano?

Un segmento contiguo da 50 kb del cromosoma 12 umano 4 Geni (25% del segmento, esoni, 9%) PKP2: codifica una proteina coinvolto nella sintesi di desmosomi

funzione CD27: codifica una proteina che regola le vie di trasduzione del segnale 7 microsatelliti (<1%) brevi motivi ripetuti in tandem, CAGCAGCAG 88 sequenze

39 Un segmento contiguo da 50 kb del cromosoma 12 umano 4 Geni (25% del segmento, esoni, 9%) PKP2: codifica una proteina coinvolto nella sintesi di desmosomi SYB1: codifica una proteina di membrana FLJ10143:? funzione CD27: codifica una proteina che regola le vie di trasduzione del segnale 7 microsatelliti (<1%) brevi motivi ripetuti in tandem, CAGCAGCAG 88 sequenze ripetute intersperse (45%) che si trovano distribuite in tutto il genoma; LINE; SINE; LTR LINE: long interspersed nuclear elements SINE: short interspersed nuclear elements LTR: long terminal repeats DNA a singola copia, (30%) non-genico, nonripetitivo, senza funzione nota

40 La dimensione del genoma Misurato in numero di coppie di basi per genoma aploide (singola copia del genoma) Organismi che si riproducono sessualmente hanno un genoma diploide; due copie del genoma, una ereditata dalla madre e l altra dal padre La dimensione del genoma degli eucarioti, anche quelli piu' semplice (lievito), e' un ordine di grandezza maggiore rispetto al genoma dei batteri. Non esiste una precisa correlazione tra la complessita dell organismo e la dimensione del suo genoma

41 dimensione del genoma in varie specie 3.12 miliardi bp ~ geni

42 Organizzazione di altri genomi eucariotici Il genoma del lievito e molto compatto Nel segmento illustrato di 50 kb: 26 geni, nessun gene discontinuo (nessuno introne), poche sequenze ripetitive, regioni intrageniche piccole

44 Compattezza di tre genomi Caratteristica Lievito Moscerino della frutta Uomo Densita genica: No. geni per megabase di DNA Introni per gene 0, % genoma occupato da sequenze ripetute intersperse 3,4% 12% ~45%

45 Il DNA ripetitivo del genoma eucariotico DNA ripetuto intersperso; blocchi di sequenze che sono disperse in tutto il genoma in maniera pseudocasuale (LINE, SINE). DNA ripetuto in tandem (DNA satellite); unita ripetute localizzate una a fianco all altra (LTR, STR). DNA alfoide del centromero: Seq. lunghe 171 bp che sono ripetute dalle 1500 alle volte. DNA non-codificante. Potrebbe svolgere un ruolo strutturale, ad es. sito di legame per proteine centromero-specifico. Minisatelliti: unita ripetuta lunga fino a 25 bp, raggruppate in blocchi di lunghezza fino a 20 kb, ad es. DNA telomerico. Microsatelliti: unita ripetuta lunga 13 bp o meno, raggruppati di lunghezza fino a 150 bp, sono disperse in tutto il genoma

46 Quanti geni e quali le loro funzioni?

Categorie funzionali dei geni umani Le funzioni di >50% dei ~35.

47 Categorie funzionali dei geni umani Le funzioni di >50% dei ~ geni umani sono note o possono essere dedotte con un ragionevole margine di sicurezza La maggior parte codifica per proteine; <10% specificano vari tipi di RNA funzionale Le tre categorie principali rappresentano le aree piu studiate della biologia cellulare I geni i cui prodotti non sono stati ancora identificati sono, con molta probabilita, coinvolti in attivita cellulari meno studiate

48 Genoma mitocondriale umano - primo genoma ad essere sequenziato - densa compattazione dei geni - geni codificano per 13 proteine e 24 RNA funzionali (22 trna; 2 rrna) - dimensione del genoma: 16,569 coppie di basi - poche sequenze regolatrici

L origine dei genomi degli organelli La teoria dell endosimbionte: 1) similarita nei processi di espressione genica che avvengono nei mitocondri

49 L origine dei genomi degli organelli La teoria dell endosimbionte: 1) similarita nei processi di espressione genica che avvengono nei mitocondri eucariotici e nei batteri 2) sequenza nucleotidica dei geni mitocondriali e piu simile a geni equivalenti dei batteri che non ai geni nucleari eucariotici

50 RIASSUNTO I Il genoma eucariotico e suddiviso in una seria di molecole lineari di DNA, I cromosomi Il DNA e associato a proteine istoniche costituendo i nucleosomi, l unita di base della cromatina La doppia elica è avvolta intorno al nucleosoma, con andamento sinistrorso (superavvolgimento negativo) Le code N-terminali istoniche sono al cuore della regolazione dinamica della struttura cromatinica L organizzazione piu compatta della cromatina e quella dei cromosomi metafasici

51 RIASSUNTO II Il centromero, che e visibile nei cromosomi metafasici, e costituito da lunghi tratti di DNA ripetitivo noto come DNA alfoide I telomeri contengono DNA ripetitivo (minisatellite) Il 44% del genoma umano e costituito da sequenze ripetitive, distinte in seq. ripetitive intersperse e in tandem I geni non sono distribuiti uniformemente lungo i cromosomi e la densita e altamente variabile

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