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1 CROMATINA E CROMOSOMI

2 UNA SCALA DI GRANDEZZE (E. coli) RNA + proteine Histon-like + DNA 4,64 Mb

3 UNA SCALA DI GRANDEZZE (H. sapiens) TTCAGGAAATGACCCCTTTGCCCCGTCTGAAGGTAGTGCAGAGGCTGCACCTGAGCTGGACCTCTTTGCAATGAAGCCACCT GAGACCAGTGTTCCTGTAGTTACCCCTACAGCTAGCACAGCCCCTCCGGTTCCCGCAACTGCTCCTTCTCCTGCTCCTGCCGTT = ca. 1,7 mt. GCAGCTGCTGCTGCTGCCACTACTGCTGCCACCGCCGCTGCCACCACCACTACCACCACCTCCGCTGCCACCGCCACCACTGCTC CTCCTGCTCTAGATATCTTTGGTGATTTATTTGAGTCCACTCCTGAAGTTGCTGCAGCGCCTAAGCCAGATGCTGCTCCTAG 3*10 9 (devono rientrare in uno CATAGACCTGTTTAGTACAGATGCTTTCTCCTCTCCACCACAAGGGGCCTCTCCTGTGCCTGAGAGTTCTCTCACTGCTGACC TCTTATCTGTGGATGCATTTGCAGCACCATCTCCTGCAACCACTGCCTCGCCAGCAAAGGTGGATTCTTCAGGTGTCATAGA spazio ristretto di 5 um) CCTTTTTGGGGATGCATTTGGAAGTAGCGCTTCTGAACCCCAACCTGCATCTCAGGCTGCTTCTAGTTCATCAGCATCGGCA GACCTACTAGCTGGATTTGGGGGTTCTTTCATGGCGCCTTCCCCATCTCCAGTGACTCCAGCTCAGAATAACCTGCTACAGC CCAATTTTGAGGCAGCTTTTGGGACAACGCCTTCAACTTCCAGCAGCAGCTCCTTTGATCCATCAGTGTTTGATGGTCTAGG TGATCTTTTGATGCCAACCATGGCACCAGCTGGGCAGCCTGCACCTGTCTCAATGGTACCACCCAGTCCTGCAATGGCAGCC AGCAAAGCCCTTGGAAGTGATCTTGATTCATCTCTTGCCAGCTTAGTAGGCAATCTTGGAATTTCTGGTACCACAACAAAA AAGGGAGATCTTCAGTGGAATGCTGGAGAGAAAAAGTTGACTGGTGGAGCCAACTGGCAGCCTAAAGTAGCTCCAGCAACC TGGTCAGCAGGCGTTCCACCAAGTGCACCTTTGCAAGGAGCTGTACCTCCAACCAGTTCAGTTCCTCCTGTTGCCGGGGCCCC ATCGGTTGGACAACCTGGAGCAGGATTTGGAATGCCTCCTGCTGGGACAGGCATGCCCATGATGCCTCAGCAGCCGGTCATG TTTGCACAGCCCATGATGAGGCCCCCCTTTGGAGCTGCCGCTGTACCTGGCACGCAGCTTTCTCCAAGCCCTACACCTGCCAG TCAGAGTCCCAAGAAACCTCCAGCAAAGGACCCATTAGCGGATCTTAACATCAAGGATTTCTTGTAAACAATTTAAGCTGC AATATTTGTGACTGAATAGGAAAATAAATGAGTTTGGAGACTTCAAATAAGATTGATGCTGAGTTTCAAAGGGAGCCAC 150*10 6 CAGTACCAAACCCAATACTTACTCATAACTTCTCTTCCAAAATGTGTAACACAGCCGTGAAAGTGAACATTAGGAATATGT ACTACCTTAGCTGTTATCCCTACTCTTGAAATTGTAGTGTATTTGGATTATTTGTGTATTGTACGATGTAAACAATGAAT GGATGTTACTGATGCCGTTAGTGCTTTTTTGGACTTCACCTGAGGACAGATGATGCAGCTGTTGTGTGGCGAGCTATTTGG AAAGACGTCTGTGTTTTTGAAGGTTTCAATGTACATATAACTTTTGAACAAACCCCAAACTCTTCCCATAAATTATCTTTT CTTCTGTATCTCTGTTACAAGCGTAGTGTGATAATACCAGATAATAAGGAAAACACTCATAAATATACAAAACTTTTTCA GTGTGGAGTACATTTTTCCAATCACAGGAACTTCAACTGTTGTGAGAAATGTTTATTTTTGTGGCACTGTATATGTTAAG AAATTTTATTTTAAAAAATATAAAGGTTAACGTCCATAATAAATACTTCTCTTTGAAGCTACCTTATCAAGAACGAAAA ATCGTATGGGAAGAATCCCCTATTTATCACTGCTATATTAAAATATATATATTTTAATTATATTTGACAGGTTTTGCATC TAAATTGACCTATTTATTCATTCTTGATTAAATGCACTGAAAAGTAAAGGGTCTGTTTGTGTCATGTTCATGAAAATGCG GTTAGAGAGGTGCTATTCAAGTGATTCTGAAGGCACCCCAAGGTATATCTGTAATTTAAAGATTACTGCAAATATCTTTA CTTTACTGTGGGTTTTTAGTACATCTGTTAATTTAGTGTTTCTTTGTGTGTTTTGTAGACTAGTGTTCTTCCATCCTTCAA 1-5*10 6 CTGAGCTCAAAGTAGGTTTTGTTGTAACATTGTGATTAGGATTTAAACTAATTCAGAGAATTGTATCTTTTACTGTACAT ACTGTATTCTTTAAGTTTTAATTTGTTGTCATACTGTCTGTGCTGATGGCTTGGCTTAAGATTTTGATGCATAAATGAGG TCACTGTTGATCAGTGTTGCTAGTAGCTTGGCAGCTCTTCATAAAAGCATATTGGGTTGGAAAGGTGTTTGCCTATTTTTC AAATTATTTAATAGATGTATGGTACCATTTAAAAGTGGTTGTATCTGAATTTACTGTGGGGATAACATACACTGTAATG GGGAAAAATTACCTAAAACCAATTTCAAAATGGCTTTCTTTGTATTTCAGTTTAAAAACCCAGTGCATGTACGCCCTCTGA GATGCAATAAACACCTTGAACAAAG

4 La cromatina La cromatina è una costruzione sovramolecolare costituita dalle molecole di DNA genomico e da due diverse classi di proteine

5 Le proteine della cromatina sono: Gli istoni Proteine non istoniche

6 Gli istoni Sono presenti nel nucleo in quantità pressochè uguale a quella del DNA Sono proteine ricche di carica elettrica positiva perché ricche di aminoacidi basici (lisina e arginina) Possono essere suddivise in 2 classi

7 Classi di istoni Classe 1: H2A H2B H3 H4 (Formano strutture ottameriche rocchetti intorno ai quali si avvolge il DNA- che permettono la prima fase di compattamento: collana di perle ) Classe 2: H1 NOTA: Gli Istoni H2A H2B H3 H4 sono tra le proteine più conservate dal punto di vista evolutivo: la loro sequenza aminoacidica è estremamente simile in tutti gli esseri viventi

8 I nucleosomi I nucleosomi sono l unità fondamentale della cromatina. Tipicamente un nucleosoma è costituito da un core di istoni (ottamero composto da due tetrameri, ciascuno dei quali costituito dagli istoni H2A, H2B, H3 ed H4). intorno al quale si avvolge il DNA per circa 146 bp.

9 L organizzazione base della cromatina è una struttura a collana di perle Un segmento di DNA della lunghezza di 140 bp si avvolge attorno ad ogni ottamero di istoni (la perla), formandovi circa due giri che aderiscono stabilmente alla superficie dell ottamero mediante legami ionici

10 La molecola di DNA (il filo) si estende con continuità per tutta la sua lunghezza da un nucleosoma all altro, lasciando tra loro un tratto di collegamento di circa 60 bp (DNA linker)

11 La presenza dell istone H1 dà origine ad una struttura più compatta di 30nm (Fibra di 30 nm)

12 ISTONI + DNA + PROT. NON ISTONICHE = CROMATINA. [NOTA: GLI ISTONI, OLTRE A NEUTRALIZ= ZARE LE CARICHE NEGATIVE DEL DNA COSA CHE PERMETTE A DIVERSE MOLECOLE DI DNA ADDOSSATE L UNA ALL ALTRA DI NON RESPINGERSI-, SONO LE PROTEINE RESPONSABILI DEL GRADO DI COMPATTAMENTO DELLA CROMATINA STESSA

13 eucromatina: meno condensata e corrisponde a zone in cui vi è un'intensa attività di trascrizione per la sintesi proteica (ossia di copiatura delle molecole di DNA in molecole di RNA messaggero, mrna) eterocromatina: più condensata, non presenta attività di trascrizione.

14 L eucromatina è sempre attiva da un punto di vista trascrizionale. L eterocromatina si distingue in: I. Costitutiva (resta sempre allo stato di massimo compattamento in tutte le cellule, non viene mai trascritta); II. Facoltativa (viene inattivata in modo specifico in alcune fasi della vita dell organismo)

15 Le differenze strutturali tra i due tipi di cromatina possono essere imputate a: A. Una diversa interazione tra il DNA linker e l istone H1; B. Un diverso stato di acetilazione degli istoni; C. Un diverso stato di fosforilazione che interessa in particolare l istone H2B; D. Metilazione degli istoni; E. Ubiquitinazione o sumolazione degli istoni

16 Si definisce cromosoma una struttura molto compatta e colorabile, visibile al microscopio ottico durante la divisione cellulare, in particolare durante la metafase, quando viene raggiunto il massimo livello di compattamento della cromatina (spessore di circa 1400 nm)

17 Braccio corto (p) Braccio lungo (q) I cromosomi sono dicromatidici, fatti da 2 cromatidi fratelli (duplicati in fase S), associati a livello del centromero. Le proteine centromeriche che tengono uniti tra di loro i cromatidi fratelli prendono il nome di coesine.

18 Cromosomi Omologhi: Nella specie umana sono presenti due copie per ciascun cromosoma, pertanto i 46 cromosomi corrispondono a 23 coppie. Nella Specie Umana Il Corredo Cromosomico è pari a 46. L'Ultima coppia di Cromosomi (23) Cromosomi Sessuali, determina il sesso dell'individuo. La coppia XX determina la femmina, mentre la coppia XY determina il maschio. I Cromosomi non sessuali, sono detti Autosomi.

19 Tutte le cellule dell'organismo Umano contengono quindi 46 cromosomi, divisi in due coppie di 23 Cromosomi di cui 22 Autosomi e 1 di Cromosomi sessuali (cellule diploidi). Unica eccezione le cellule gonadiche (ovociti e spermatozoi) dette cellule aploidi che invece contengono solo 23 cromosomi singoli e non in coppia. In particolare ciascun Ovocita ha 22 autosomi ed 1 solo cromosoma sessuale che è sempre X. Mentre Lo spermatozoo, ha 22 autosomi ed un solo cromosoma sessuale che può essere o X o Y. Questo spiega perchè il sesso del nascituro è determinato dal maschio.

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21 Il cariotipo di una cellula eucariota è dato dal numero e dalla morfologia dei suoi cromosomi.

22 La posizione del centromero permette di classificare i cromosomi in 4 tipi: acrocentrici: centromero in posizione terminale (A) telocentrici: centromero in posizione subterminale (B) submetacentrici: centromero in posizione submediana (C) metacentrici: centromero in posizione mediana (D)

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24 Organismo Numero di cromosomi Numero di copie di cromosomi Tipo Dimensione (Mbps) Mycoplasma genitalium 1 1 circolare 0,58 Escherichia coli K circolare 4,6 Agrobacterium tumefaciens circolari 1 lineare 5,67 Sinorizhobium melioti 3 1 circolare 6,7 Saccharomyces cerevisiae 16 1 o 2 lineare 12,1 Schizosaccharomyces pombe 3 1 o 2 lineare 12,5 Caenorhabditis elegans 6 2 lineare 97 Drosophila melanogaster 4 2 lineare 180 Fugu rubripes 22 2 lineare 365 Mus musculus 19+X+Y 2 lineare 2500 Homo sapiens sapiens 22+(X o Y) 2 lineare 2900

25 Organism Homo sapiens(human) estimated size 3000 million bases estimated gene number ~20,000-25,000 Rattus norvegicus (rat) 2,750 million bases ~30,000 Mus musculus (mouse) 2500 million bases ~30,000 Drosophila melanogaster (fruit fly) Arabidopsis thaliana (plant) Caenorhabditis elegans (roundworm) Saccharomyces cerevisiae (yeast) Escherichia coli (bacteria) 180 million bases 13,600 average gene density 1 gene per 100,000 bases 1 gene per 100,000 bases 1 gene per 100,000 bases 1 gene per 9,000 bases chromosome number 125 million bases 25,500 1 gene per 4000 bases 5 97 million bases 19,100 1 gene per 5000 bases 6 12 million bases gene per 2000 bases million bases gene per 1400 bases 1 H. influenzae (bacteria) 1.8 million bases gene per 1000 bases Human immunodeficiency virus (HIV) gene per 1000 bases

26 REGOLAZIONE DELLA ESPRESSIONE GENICA

27 Una completa descrizione della sequenza di DNA di un organismo non sarebbe in grado di ricostruire lo stesso organismo più di quanto una lista di vocaboli inglesi non sarebbero in grado di ricostruire un sonetto di Shakespeare. In entrambi i casi il problema principale consiste nel conoscere come gli elementi nella sequenza di DNA o le parole nella lista siano usate. Sotto quali condizioni ciascun prodotto genico viene generato? E una volta sintetizzato, cosa fa?

28 mirna

29 Filamento lungo il quale il DNA viene scansito,, detto filamento stampo.. La sequenza di RNA sarà identica (a meno della U alposto della T) a quella del filamento senso (complementare dello stampo)

30 PROCARIOTI 5 3 A livello trascrizionale le cellule batteriche regolano l espressione genica attraverso il modello dell operone. L operone è un tratto di DNA comprendente (in sequenza dal 5 -P al 3 -OH) tratti regolativi (promotore ed operatore) e geni strutturali (solitamente correlati tra loro nella loro funzione).

31 Gli operoni si distinguono in: 1) Inducibili (se possono essere accesi da un determinato induttore). Solitamente sono catabolici (degradano cioè substrati): 2) Reprimibili (se possono essere accesi da un determinato repressore). Solitamente sono anabolici (sintetizzano cioè substrato)

32 OPERONE Lac: : UN ESEMPIO DI OPERONE INDUCIBILE Un esempio di come il Lattosio viene degradatro, se presente nel mezzo di coltura, in Glucosio e Galattosio nei batteri.

33 REGOLAZIONE FINE DELL OPERONE Lac MEDIANTE L ATTIVITA DEL GLUCOSIO Alti livelli di Glc nel mezzo di coltura = scarsa efficienza di trascrizione (e traduzione) dell operone; Bassi livelli di Glc nel mezzo di coltura Associati a presenza di Lattosio = elevata efficienza di trascrizione dell operone

34 EUCARIOTI

35 RIMODELLAMENTO DELLA CROMATINA (1) (In particolare iperacetilazione a livello delle Lisine)

36 RIMODELLAMENTO DELLA CROMATINA (2)

37 Epigenetica Si intende per Epigenetica una qualunque attività di regolazione dei geni tramite processi chimici che non comportino cambiamenti nel codice del DNA ma possono modificare il fenotipo dell individuo e/o della progenie. Ad esempio: - metilazione del DNA; - acetilazione degli istoni. Questi fenomeni epigenetici alterano l'accessibilita' fisica al genoma da parte di complessi molecolari deputati all'espressione genica e, quindi, alterano il grado di funzionamento dei geni.

38 La metilazione del DNA nei vertebrati avviene tipicamente nei siti CpG (citosina-fosfato-guanina; che si ha ove la citosina è direttamente seguita da una guanina nella sequenza del DNA); tale metilazione risulta nella conversione della citosina in 5-metilcitosina. La formazione del Me-CpG è catalizzato dall'enzima DNA metiltransferasi. I siti CpG sono poco comuni nel genoma degli invertebrati mentre sono spesso trovati con maggior densità nei promoters genici dei vertebrati, in cui sono collettivamente denominati isole CpG. Lo stato di metilazione di questi siti CpG può avere un grave impatto sull'attività/espressione genica.

39 Imprinting genomico

40 Alcuni geni vengono espressi solo se sono stati trasmessi dal padre, mentre altri vengono espressi solo se vengono trasmessi dalla madre. Il fenomeno della espressione differenziale dipendente dal sesso del genitore di origine viene chiamato imprinting. Mentre nella sindrome di Praeder-Willi è il cromosoma 15 materno ad essere presente in duplice copia, nella sindrome di Angelmann abbiamo una duplice copia del cromosoma paterno (si parla di Unisomia Diparentale). In particolare in entrambe le sindromi la regione genomica interessata è quella del chr 15q11-q13. Nella PWS tale regione è metilata nel chr di origine materna e, siccome gli alleli paterni vengono persi per delezione, i geni contenuti nella controparte materna, essendo metilati, non possono esprimersi. Viceversa, nella AS sono i chr 15 paterni ad essere in duplice copia, con conseguente iperattività di quella coppia di cromosomi.

41 Lo stato complessivo di metilazione in una cellula può anche essere un fattore accelerante nella carcinogenesi come suggerisce l'evidenza che l'ipometilazione genomica può portare ad instabilità cromosomica e crescenti tassi di mutazione. Lo stato di metilazione di alcuni geni può essere usata come biomarker per la tumorigenesi. Per esempio, l'ipermetilazione del pi-class glutathione S- transferase gene (GSTP1) appare come un affidabile indicatore del tumore alla prostata.