Evoluzione del concetto di gene. Da Mendel ai giorni nostri passando per diverse definizioni

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1 Evoluzione del concetto di gene Da Mendel ai giorni nostri passando per diverse definizioni

2 Fino al 1940 Teoria perle di una collana, considerate come unità indivisibili Gene = Unita dell informazione genetica, definibile a due livelli, in base a 3 criteri 1. Unita di materiale genetico che controlla l eredita di un carattere FUNZIONALE 2. Unita di ricombinazione 3. Unita di mutazione STRUTTURALE

3 Gene = Unita di funzione = Unita di informazione genetica che controlla la sintesi di una catena polipeptidica Gene suddivisibile sia per ricombinazione che per mutazione Unita di struttura =singola coppia di nucleotidi un gene mutante = un blocco metabolico (Garrod, 1900) un gene = un enzima (Beadle e Tatum, 1942) un gene = una catena polipeptidica

4 Archibald Garrod (1902) I geni possono controllare le reazioni metaboliche Alcune malattie ereditarie umane dovute a mutazioni recessive consistono in difetti metabolici es. fenilchetonuria (allele autosomico recessivo) incapacità di convertire la fenilalanina in tirosina. La fenilalanina si accumula nei tessuti e si trasforma in un composto tossico, l acido fenilpiruvico

5 Fenilalanina fenilchetonuria Tirosina Acido omogentisinico (HA) Albinismo Alcaptonuria Melanina CO2+ H2O

6 Ipotesi un gene-un enzima

7 Beadle e Tatum (anni 40) indussero vari tipi di mutanti auxotrofi di Neurospora con raggi X (es met-, arg-, gli- etc.) Queste richieste auxotrofiche venivano ereditate come mutazioni in un singolo gene

8 Beadle e Tatum studiarono i mutanti che richiedevano arginina (arg-) e mapparono i geni corrispondenti. Trovarono tre diversi geni arg : arg1, arg2 e arg3 I mutanti arg1-, arg2- e arg3- differivano per la risposta a due sostanze chimiche simili all arginina: l ornitina e la citrullina

9 i mutanti arg1- crescevano in presenza di arginina oppure di ornitina o di citrullina i mutanti arg2- crescevano in presenza o di arginina o di citrullina i mutanti arg3- crescevano solo in presenza di arginina

10 ornitina citrullina arginina

11 All epoca si sapeva già che all interno della cellula sostanze chimiche simili possono essere convertite una nell altra dagli enzimi

12 Beadle e Tatum proposero il seguente modello biochimico per la sintesi dell arginina: enzima X enzima Y enzima Z precursore ornitina citrullina arginina Beadle e Tatum ipotizzarono che ad opera di enzimi un precursore potesse essere convertito in ornitina che a sua volta poteva essere convertita in citrullina e infine in arginina

13 arg1+ arg2+ arg3+ enzima X enzima Y enzima Z precursore ornitina citrullina arginina Beadle e Tatum ipotizzarono che nei mutanti arg1 fosse difettivo l enzima che converte il precursore in ornitina, nei mutanti arg2 l enzima che converte l ornitina in citrullina e nei mutanti arg3 l enzima che converte la citrullina in arginina

14 Fornendo ai mutanti una sostanza dopo il blocco si può avere la sintesi dell arginina.

15 arg1- arg2+ arg3+ enzima X enzima Y enzima Z precursore ornitina citrullina arginina arg1+ arg2- arg3+ enzima X enzima Y enzima Z precursore ornitina citrullina arginina arg1+ arg2+ arg3- enzima X enzima Y enzima Z precursore ornitina citrullina arginina

16 Epistasi : Più geni influenzano un carattere L allelle di un gene domina sugli altri geni Colore dell occhio in Drosophila: Precursore bianco Enzima w Precursore marrone rosso Enzima bw Occhio bianco Occhio marrone white è epistatico su brown

17 Sulla base dei risultati ottenuti Beadle e Tatum formularono l ipotesi UN GENE-UN ENZIMA ovvero i geni sono responsabili della produzione degli enzimi Successivamente Ingram (1957, studi sull emoglobina) dimostrò che i geni sono responsabili della produzione delle proteine (e non solo degli enzimi)

18 Ingram nel 1957 determinò la sequenza dell emoglobina normale e di quella presente in pazienti omozigoti per il gene mutante che causa l anemia a cellule falciformi (recessivo autosomico)

19 Le proteine sono macromolecole composte di aminoacidi legati in una struttura lineare: la catena polipetidica Nell Emoglobina S nella posizione 6 c è una valina al posto dell acido glutammico Una mutazione in un gene determina la sostituzione di un singolo amminoacido I geni determinano la struttura primaria, cioè la sequenza di aminoacidi, delle proteine,

20 Non più un gene-un enzima Ma Un gene una catena polipeptidica

21 Colinearità tra gene e proteina La sequenza lineare dei nucleotidi in un gene determina la sequenza lineare degli aminoacidi nella proteina corrispondente Yanofsky mappò alcune mutazioni all interno del gene della triptofano sintetasi di Escherichia coli ed esaminò le proteine prodotte dai mutanti

22 Yanofsky osservò che l ordine delle mutazioni sul gene corrispondeva all ordine degli aminoacidi mutati nelle proteine

23 Pertanto dimostrò la colinearità tra i geni e le proteine corrispondenti Come fanno i geni (cioè il DNA) a controllare la sequenza delle proteine?

24 La trascrizione è il processo con cui l informazione ereditaria viene trasferita dal DNA all RNA. La traduzione è il processo con cui l informazione viene trasferita dall RNA alle proteine trascrizione traduzione Trascrizione: RNA polimerasi e mrna Traduzione: mrna, ribosomi, trnas

25 L RNA E una catena polinucleotidica a singolo filamento in cui è presente lo zucchero ribosio al posto del desossiribosio e l Uracile al posto della Timina

26 La trascrizione Viene copiata solo una delle due eliche del DNA

27 I promotori sono sequenze a monte dei geni che definiscono dove deve iniziare la trascrizione. I terminatori indicano dove deve terminare la trascrizione

28 La trascrizione viene effettuata dalla RNA polimerasi Nei procarioti esiste solo una RNA polimerasi che trascrive tutti i geni Negli eucarioti ci sono 3 diverse RNA polimerasi: RNA polimerasi I per la sintesi dell RNA ribosomale (rrna) RNA polimerasi II per la sintesi dell RNA messaggero (mrna) RNA polimerasi III per la sintesi dell RNA transfer (trna)

29 Struttura di un mrna sia eucariotico che procariotico

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31 Negli eucarioti, prima di passare nel citoplasma, l RNA deve essere modificato mediante una serie di eventi noti come processo di maturazione dell RNA - Aggiunta del cappuccio al 5 (guanina + 2 gruppi metilici (sito di inizio traduzione) - Processamento degli introni - Aggiunta coda poli-a al 3

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33 Dall RNA devono essere allontanate le sequenze introniche con un processo chiamato splicing

34 La decifrazione del codice genetico Come si passa da una sequenza di nucleotidi alla sequenza di aminoacidi di una proteina formula di un aminoacido H 2 N-CHR-COOH esistono 20 aa ciascuno con un diverso gruppo R

35 Numero di nucleotidi che specificano un aminoacido 4 basi azotate (A,T,C,G) e 20 aminoacidi. Un codice di due nucleotidi genererebbe solo 16 (4 2 ) parole diverse. Un codice a triplette porta alla formazione di 64 (4 3 ) parole Dato che gli aminoacidi sono 20 più di una tripletta deve specificare per una dato aminoacido (il codice è degenerato)

36 Il codice genetico Non si legge a sovrapposizione. Esame di proteine mutate: una mutazione altera solo un aminoacido per volta in una data regione della proteina. Se il codice fosse a sovrapposizioni la sostituzione di una singola base potrebbe cambiare fino a tre aminoacidi adiacenti nella sequenza della proteina aa2 aa3 aa1 GTT ACT TTC aa2 aa3 aa1 GTC ACT TTC set muta a C

37 Il codice genetico è stato decifrato usando vari sistemi di sintesi proteica in vitro Sintesi di mrna poliu per dare significato alla tripletta UUU Costruzione di mini mrna di tre nucleotidi

38 Caratteristiche del codice genetico è letto a triplette senza sovrapposizioni più codoni possono specificare lo stesso aminoacido (il codice è degenerato) esiste un codone di inizio AUG che codifica per la metionina (se inserita all inizio è formilata nei procarioti) esistono tre codoni di stop: UAG UGAe UAA è universale

39 La sintesi proteica Principali elementi cellulari coinvolti: i ribosomi l mrna i trna

40 I geni per l RNA ribosomale e per gli RNA transfer non codificano per proteine, ma per molecole di RNA che hanno un ruolo strutturale. L RNA ribosomale insieme alle proteine ribosomali costituisce i ribosomi (organelli deputati alla sintesi delle proteine) L RNA transfer porta gli amminoacidi ai ribosomi per sintetizzare le proteine

41 sito di legame dell amminoacido Struttura a trifoglio del trna sito di riconoscimento del codone (alanina)

42 Esistono meno di 64 trna perchè in alcuni casi lo stesso trna può leggere più di un codone che codifica per lo stesso amminoacido Ciò è possibile per il vacillamento (oscillazione) della terza base dell anticodone

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45 I ribosomi

46 Inizio della traduzione Un ribosoma si attacca alla molecola di mrna in corrispondenza della tripletta di inizio AUG. Su questo codone AUG si lega il trna con l anticodone corrispondente che porta la metionina (N-formil metionina nei procarioti) Sintesi della proteina Entra il trna corrispondente al secondo codone e si forma il legame peptidico (peptidil-transferasi) tra la metionina iniziale e il secondo aminoacido. Il ribosoma si sposta sull mrna permettendo che una sola tripletta alla volta sia disponibile all attacco col trna specifico. Man mano che il ribosoma si sposta si ha l allungamento della catena proteica Termine della traduzione Quando il ribosoma raggiunge le triplette di stop (UAG,UAA,UGA) si stacca dall mrna e la catena polipetidica viene rilasciata