Università degli Studi di Cagliari Corso di Laurea in Biotecnologie Industriali A.A. 2008/09 GENETICA (4 + 3 CFU)

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Stefano Casini
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1 Università degli Studi di agliari orso di Laurea in Biotecnologie Industriali A.A. 2008/09 GENETIA (4 + 3 FU) Prof. Annalisa Marchi Dipartimento di Biologia Sperimentale, Sezione Gnenetica

2 DI HE OSA SI OUPA LA GENETIA?

3 TRASMISSIONE EREDITARIA: apire come le caratteristiche (i caratteri) di una specie (di un individuo) vengono trasmesse di generazione in generazione. (Parole chiave: fenotipo, genotipo, mendelismo, eredità genetica) ESPRESSIONE: apire come vengono codificati ed espressi i caratteri (Parola chiave: DNA; RNA; proteine, geni, regolazione genica) VARIABILITA GENETIA: apire come insorgono varianti di uno stesso carattere (Parola chiave: mutazioni) EVOLUZIONE: apire come variano nello spazio e nel tempo le frequenze geniche e comprenderne le implicazioni a livello di popolazione e di specie (Parola chiave: polimorfismo, pool genico, popolazioni)

4 1. BASI MOLEOLARI DELL EREDITA

5 IL DNA E IL MATERIALE GENETIO A. Griffith (1928) 1 Batteri di tipo III S vivi iniettati in un topo 1 Batteri di tipo II R vivi iniettati in un topo 1 Batteri di tipo III S uccisi con il calore iniettati in un topo 1 Batteri di tipo II R uccisi con il calore iniettati in un topo 2 Il topo muore 2 Il topo non si ammala 2 Il topo non si ammala 2 Il topo muore 3 Dal topo morto vengono isolate colonie di batteri di tipo III S 3 Dal topo vengono isolate colonie di batteri di tipo II R. 3 Nessuna colonia 3 Dal topo morto vengono isolate colonie di batteri di tipo III S vivi

B. Avery, Mc Leod e Mcarthy (1944) ellule di tipo II R ellule di tipo II R Estratto da ceppo III S ellule di tipo II R Estratto da ceppo III S + DNasi ellule di tipo II R Estratto

6 B. Avery, Mc Leod e Mcarthy (1944) ellule di tipo II R ellule di tipo II R Estratto da ceppo III S ellule di tipo II R Estratto da ceppo III S + DNasi ellule di tipo II R Estratto da ceppo III S + RNasi ellule di tipo II R Estratto da ceppo III S + proteasi Mescolare Mescolare Mescolare Mescolare olonie di tipo III S olonie di tipo III S olonie di tipo III S

7 Forcella di replicazione Filamento lento Filamento guida T G G T T T A G A G A T G G A A A G T A T G T T G G A G G A A T G A G G A A T A T G T T G La struttura molecolare del DNA suggerisce le modalità per la sua duplicazione Il DNA è l unica molecola in grado di autoduplicarsi producendo copie identiche di se stessa

I geni codificano proteine Enzimi Proteina Le alterazioni metaboliche Sono trasmissibili Fenilalanina idrossilasi Transaminasi A. idrossifenilpiruvico ossidasi Fenilalanina Tirosina blocco blocco A.

8 I geni codificano proteine Enzimi Proteina Le alterazioni metaboliche Sono trasmissibili Fenilalanina idrossilasi Transaminasi A. idrossifenilpiruvico ossidasi Fenilalanina Tirosina blocco blocco A. idrossifenilpiruvico blocco Un blocco fa deviare il flusso verso Melanina Tiroxina Acido fenilpiruvico Albinismo Albinismo retinismo retinismo Tirosinosi Tirosinosi Fenilchetonuria Fenilchetonuria (PKU) (PKU) A. omogentisico A. omogentisico ossidasi A. maleilacetacetico blocco Alcaptonuria Alcaptonuria O 2 e H 2 O O 2 e H 2 O

9 Un gene un enzima Esperimenti di Beadle e Tatum Spore Neurospora crassa Micelyum Ascospore

10 Esperimento Beadle Tatum Raggi x onidi mutagenizzati + Incrociato con ceppo selvatico di sesso opposto Terreno minimo

Fenilananina Tirosina Arginina Prolina Triptofano Lisina Istidina

11 Terreno minimo Minimo + aminoacidi Minimo + vitamine ompleto (controllo) Glicina Alanina Leucina Isoleucina Valina Metionina Fenilananina Tirosina Arginina Prolina Triptofano Lisina Istidina Acido glutammico Acido aspartico Glutamina Asparagina Serina Treoninina isteina

12 ORRELAZIONE GENE - ENZIMA Neurospora crassa 7 mutanti auxotrofi per l arginina (arg-) Geni arge argf argg argh Enzimi E F G H Reazioni n-acetiornitina ornitina citrullina Arginosucc. ARGININA

13 ORRELAZIONE GENE - ENZIMA GENE A GENE B GENE ENZIMA A ENZIMA B ENZIMA substrato Prodotto A Prodotto Prodotto B Tappa A Tappa B Tappa Le macromolecole che costituiscono un organismo vivente sono il prodotto diretto dei geni (proteine) o sono il risultato dell azione dei geni

14 Un gene una proteina (Ingram, 1957) Emoglobina (Hb) Emoglobina falcemica (HbS) 2 catene alfa (α) 2 catene beta (β) catene α normali catene β mutate in posizione 6 Hb Acido glutamico (Glu) HbS Valina ( Val) AS S A AA SS Linea d origine - S A +

15 DNA RNA PROTEINE Retrovirus RNA DNA RNA PROTEINE

16 GENE:unità ereditaria funzionale; porzione di DNA (o RNA in alcuni virus) GENE STRUTTURALE: codifica per una proteina GENOMA: insieme dei fattori ereditari (geni) DNA RNA PROTEINA Geni rrna trna trna rrna Proteina A Proteina B

VIRUS: PARASSITA ELLULARE Procarioti Eucarioti Genoma: DNA o RNA (1.8 280 kb, 0.

17 VIRUS: PARASSITA ELLULARE Procarioti Eucarioti Genoma: DNA o RNA ( kb, µ) a singola e doppia elica, lineare o circolare Geni strutturali: (a volte sovrapposti) Dimensioni del virus: nm

GENOMA BATTERIO DNA: doppia elica circolare Dimensioni: 760 4.000Kb (260 1.

18 GENOMA BATTERIO DNA: doppia elica circolare Dimensioni: Kb ( µ) Geni strutturali (in singola copia e colineari) Geni per rrna (alcune ripetizioni) Geni per trna

19 GENOMA DEGLI EUARIOTI Genoma nucleare: DNA a doppia elica lineare Dimensioni: kb

20 IL GENOMA DEGLI EUARIOTI E UN GENOMA OMPLESSO n. copie nucleotidi n. possibili geni n. stimato di geni E. coli Drosophila Homo

21 LASSIFIAZIONE DEL GENOMA NULEARE Geni codificanti proteine Geni ripetuti in tandem Geni singoli Geni duplicati Geni per trna Geni per rrna Sequenze ripetute Sequenze mediamente ripetute Sequenze altamente ripetute DNA di spaziatura

22 DIMENSIONE DEI GENI ISTONI (0 senza introni) α-globina 0.8 kb (3 introni) DISTROFINA 2.4 MB (79 introni)

23 GLOBINE UMANE romosoma 16p13 ξ ψξ ψα α2 α1 ψβ2 ε Gγ Aγ ψβ1 δ β romosoma 11p15 Hb A Hb A 2 Hb F α2β2 α2δ2 α2γ2 Omologia di sequenza Emoglobina embrionale ξ2ε2 β δ 90% β Gγ > 80%

24 Famiglie di geni in Eucarioti Famiglie di geni in Vertebrati Actine Istoni heratine Globine (α, β) (12) Immunoglobuline (765) Proteine chinasi (575) Miosina Tubuline (α, β) Omologia di sequenza entro una famiglia di proteine riflette una duplicazione genica a partire da un unico gene ancestrale

25 Geni ripetuti in tandem pre rrna pre 5S rrna trna Lievito Drosophila Xenopus Uomo Istoni luster di 5 geni (H1,H2a, H2b, H3, H4) ripetuti in tandem ( copie in eucarioti pluricellulari) Nei vertebrati i geni per gli istoni non sono ripetuti in tandem

26 DNA altamente ripetuto Esempi di semplici sequenze di DNA negli eucarioti

27 DNA altamente ripetuto Uomo: Satellite I Satellite II Satellite III Satellite IV 6 % DNA totale Quantità di DNA S II Picco principale S I S III Densità ottica (260 µm) Altre sequenze ripetutue: Minisatelliti - sequenze di pb ripetute in tandem per kb Microsatelliti - sequenze di 2-4 pb ripetute in tandem per < 150pb

28 Sequenze mediamente ripetute orte sequenze intersperse (SINES) Piccole sequenze ( pb) inserite nel genoma eucariote Sequenze Alu: 290 pb ripetute volte (1% genoma) Lunghe sequenze intersperse (LINES) Sequenze di 1 5 kb Line 1: sequenze di 5 kb ripetute volte (uomo topo) opia: sequenze di 5 8 kb ripetute volte (Drosophila) Elemento P: sequenze di 2,9 kb ripetute 50 volte (Drosophila)

29 Plethodon richmondi Dimensione del genoma (numero di coppie di nucleotidi per ogni genoma aploide) Plethodon larselli

Introni, sequenze leader, di coda, ecc 70 80 % Sequenze uniche o con un basso numero di copie DNA

30 Genoma umano kb Geni e sequenze associate a geni < 10% > 90% DNA codificante Pseudogeni % DNA non codificante Introni, sequenze leader, di coda, ecc % Sequenze uniche o con un basso numero di copie DNA extragenico % % Sequenze moderatamente o altamente ripetute 40% 60% Ripetuti Ripetuti dispersi associati Frammenti genici SINES LINES DNA satellite classico DNA minisatellite DNA microsatellite

31 Genoma citoplasmatico: : DNA a dopppia elica circolare Geni strutturali singoli Geni per trna Geni per rrna Dimensioni Mitocondri: kb loroplasti: 150 kb

32 Testi consigliati Klug W.S. et al. (2007) ONETTI DI GENETIA. Pearson Education Russel P. J. (2007) igenetia. EdiSES Griffith et al. (2006) GENETIA Principi di Analisi Formale. Zanichelli Hartwell et al. (2006) GENETIA. Dai geni ai genomi. McGraw-Hill Hartl D.L., Jones E. (2006) GENETIA. In una prospettiva genomica. Ed. Idelson Gnocchi Russel P. J. (2004) igenetia-fondamenti EdiSES

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