978-88-08-26116-8 Indice generale Prefazione PARTE QUARTA I geni e l ereditarietà XIII 11 La divisione e il ciclo cellulare 209 11.1 Come si dividono le cellule procariotiche ed eucariotiche? 210 I procarioti si dividono per scissione binaria 210 La cellula eucariote si divide per mitosi o meiosi, seguite dalla citodieresi 211 11.2 Come viene controllata la divisione della cellula eucariotica? 212 Specifici segnali interni regolano gli eventi del ciclo cellulare 213 I fattori di crescita possono stimolare le cellule a dividersi 215 11.3 Che cosa avviene durante la mitosi? 216 Prima della mitosi, il DNA eucariotico è impacchettato in cromosomi estremamente compatti 216 Un quadro generale: la mitosi segrega copie di informazione genetica 216 I centrosomi determinano il piano di divisione cellulare 217 Il fuso comincia a formarsi durante la profase 218 La separazione e i movimenti dei cromosomi sono processi altamente organizzati 220 La citodieresi è la divisione del citoplasma 220 11.4 Qual è il ruolo della divisione cellulare nel ciclo sessuale? 222 La riproduzione asessuata per mitosi non produce variabilità genetica 222 La riproduzione sessuata per mezzo della meiosi produce variabilità genetica 222 11.5 Che cosa avviene durante la meiosi? 223 La divisione meiotica riduce il numero cromosomico 224 Uno scambio tra i cromatidi durante la meiosi I genera diversità genetica 225 Durante la meiosi i cromosomi si separano per assortimento indipendente 226 Gli errori nella meiosi portano ad anomalie nella struttura e nel numero dei cromosomi 228 Il numero, la forma e la dimensione dei cromosomi metafasici costituiscono il cariotipo 229 I poliploidi hanno più di due set completi di cromosomi 229 11.6 In un organismo vivente, come muoiono le cellule? 230 11.7 In che modo una divisione cellulare non regolata può produrre il cancro? 231 Le cellule tumorali sono diverse dalle cellule normali 232 Le cellule tumorali perdono il controllo del ciclo cellulare e dell apoptosi 232 La cura del cancro ha come bersaglio il ciclo cellulare 233 Il capitolo in sintesi 234 Per il ripasso 235 12 Ereditarietà, geni e cromosomi 237 12.1 Quali sono le leggi mendeliane dell ereditarietà? 238 Mendel usò il metodo scientifico per testare le sue ipotesi 238 I primi esperimenti di Mendel hanno riguardato incroci monoibridi 239 La prima legge di Mendel afferma che le due copie del gene segregano 241 Mendel verificò le sue ipotesi facendo dei reincroci (test cross) 242 La seconda legge di Mendel afferma che le copie di geni diversi assortiscono indipendentemente 243 Il calcolo delle probabilità può essere usato per prevedere l ereditarietà 244 Le leggi di Mendel possono essere osservate negli alberi genealogici umani 245
VI Indice generale 978-88-08-26116-8 12.2 Come interagiscono gli alleli? 246 I nuovi alleli si formano a causa delle mutazioni 247 Molti geni hanno alleli multipli 247 La dominanza non è sempre completa 247 Nella codominanza, vengono espressi entrambi gli alleli in un locus 247 Alcuni alleli hanno effetti fenotipici multipli 249 12.3 Come interagiscono i geni? 249 Il vigore degli ibridi è il risultato di nuove combinazioni e interazioni geniche 250 L ambiente influenza l azione del gene 250 Molti fenotipi complessi sono determinati da geni multipli e dall ambiente 251 12.4 Quali sono le relazioni tra geni e cromosomi? 252 I geni sullo stesso cromosoma sono associati 252 I geni possono essere scambiati tra i cromatidi e mappati 253 L associazione genica viene evidenziata da studi sui cromosomi sessuali 254 12.5 Quali sono gli effetti dei geni che si trovano fuori dal nucleo? 258 12.6 In che modo i procarioti trasmettono i geni? 258 I batteri si scambiano geni tramite la coniugazione 258 La coniugazione batterica è controllata da plasmidi 259 Il capitolo in sintesi 260 Per il ripasso 261 13 Il DNA e il suo ruolo nell ereditarietà 264 13.1 Qual è la prova che un gene è formato da DNA? 265 Il DNA di un tipo di batterio trasforma geneticamente un altro tipo 265 Esperimenti di infezione virale confermarono che il DNA è il materiale genetico 267 Anche le cellule eucariotiche possono essere trasformate geneticamente dal DNA 267 13.2 Qual è la struttura del DNA? 269 Watson e Crick usarono un modello molecolare per dedurre la struttura del DNA 269 Quattro caratteristiche chiave per definire la struttura del DNA 271 La struttura a doppia elica del DNA è essenziale per la sua funzione 271 13.3 Come viene duplicato il DNA? 272 Sono ipotizzabili tre modi diversi di replicazione del DNA 273 Un elegante esperimento ha dimostrato che la replicazione del DNA è semiconservativa 273 Ci sono due fasi nella replicazione del DNA 274 Le DNA polimerasi aggiungono nucleotidi alla catena in crescita 275 Molte altre proteine coadiuvano la polimerizzazione del DNA 278 Il due filamenti di DNA crescono in maniera diversa nella forcella di replicazione 278 Una pinza scorrevole aumenta il tasso di replicazione del DNA 279 I telomeri non vengono replicati completamente e sono propensi a fenomeni di riparazione 280 13.4 Come vengono corretti gli errori nel DNA? 281 13.5 In che modo la reazione a catena della polimerasi (PCR) amplifica il DNA? 283 La PCR produce copie multiple di una sequenza di DNA 283 Il capitolo in sintesi 284 Per il ripasso 285 14 Dal DNA alle proteine: l espressione genica 287 14.1 Quali sono le prove che i geni codificano proteine? 288 Osservazioni sull uomo permisero di proporre che siano i geni a determinare gli enzimi 288 Esperimenti sulla muffa del pane dimostrano che i geni determinano gli enzimi 288 Un gene determina un polipeptide 290 14.2 In che modo l informazione passa dai geni alle proteine? 290 Tre tipi di RNA hanno un ruolo nel flusso di informazione dal DNA alle proteine 291 In alcuni casi, l RNA determina la sequenza del DNA 291
978-88-08-26116-8 Indice generale VII 14.3 In che modo l informazione contenuta nel DNA viene trascritta per produrre RNA? 292 Le RNA polimerasi condividono caratteristiche comuni 292 La trascrizione avviene in tre fasi 292 L informazione per la sintesi proteica risiede in un codice genetico 294 14.4 Come viene trascritto il DNA eucariotico e processato l RNA? 296 Molti geni eucariotici sono interrotti da sequenze non codificanti 296 I trascritti eucariotici vengono processati prima della traduzione 297 14.5 In che modo l RNA è tradotto in proteine? 299 Gli RNA transfer portano amminoacidi specifici e si legano a specifici codoni 299 Ogni trna è legato specificamente a un amminoacido 300 Il ribosoma è il banco da lavoro della traduzione 300 La traduzione avviene in tre fasi 301 La formazione di polisomi aumenta la velocità di sintesi proteica 304 14.6 Che cosa avviene ai polipeptidi dopo la traduzione? 304 Sequenze segnale nelle proteine le dirigono alla loro destinazione cellulare finale 304 Molte proteine vengono modificate dopo la traduzione 306 Il capitolo in sintesi 307 Per il ripasso 308 15 Mutazioni geniche e medicina molecolare 310 15.1 Che cosa sono le mutazioni? 311 Le mutazioni hanno effetti fenotipici diversi 311 Le mutazioni puntiformi sono dei cambiamenti di singoli nucleotidi 312 Le mutazioni cromosomiche sono cambiamenti su larga scala del materiale genetico 314 I retrovirus e i trasposoni possono causare mutazioni con perdita di funzione o duplicazioni 314 Le mutazioni possono essere spontanee o indotte 315 I mutageni possono essere naturali o artificiali 316 Alcune paia di basi sono più vulnerabili di altre alla mutazione 316 Le mutazioni hanno sia costi sia benefici 316 15.2 Quali tipi di mutazioni producono malattie genetiche? 317 Le mutazioni geniche possono rendere le proteine disfunzionali 317 Le mutazioni che causano malattie possono interessare qualsiasi numero di coppie di basi 318 L espansione di triplette ripetute dimostra la fragilità di alcuni geni umani 319 Il cancro spesso implica mutazioni somatiche 320 La maggior parte delle malattie sono causate da geni multipli e dall ambiente 320 15.3 Come si possono rilevare e analizzare le mutazioni? 321 Gli enzimi di restrizione tagliano il DNA in sequenze specifiche 321 L elettroforesi su gel separa i frammenti di DNA 322 Il DNA fingerprinting combina la PCR, l analisi di restrizione e l elettroforesi 322 La genetica inversa può essere usata per identificare mutazioni che producono malattie 324 I marcatori genetici possono essere usati per identificare i geni che causano patologie 325 Il progetto DNA barcode si propone di identificare tutti gli organismi sulla Terra 325 15.4 In che modo lo screening genetico viene usato per rivelare malattie? 326 Lo screening per i fenotipi patologici comporta l analisi di proteine e di altre sostanze 326 Il test del DNA è il modo più accurato per evidenziare geni anormali 327 L ibridazione oligonucleotidica allele-specifica può individuare le mutazioni 328 15.5 Come vengono trattate le malattie genetiche? 328 Le malattie genetiche possono essere trattate modificando il fenotipo 328 La terapia genica offre la speranza di trattamenti specifici 329 Il capitolo in sintesi 332 Per il ripasso 332
VIII Indice generale 978-88-08-26116-8 16 La regolazione dell espressione genica 334 16.1 Com è regolata l espressione genica nei procarioti? 335 La regolazione della trascrizione genica risparmia energia 335 Gli operoni sono unità di regolazione della trascrizione nei procarioti 336 L interazione operatore-repressore controlla la trascrizione degli operoni lac e trp 337 La sintesi proteica può essere controllata aumentando l efficienza del promotore 338 L RNA polimerasi può essere indirizzata verso una specifica classe di promotori 338 16.2 Com è regolata la trascrizione negli eucarioti? 339 Fattori di trascrizione generali agiscono nei promotori eucariotici 339 Proteine specifiche sono in grado di riconoscere e legare una sequenza di DNA e di regolarne la trascrizione 341 Il legame con il DNA richiede interazioni specifiche DNA-proteine 341 L espressione dei fattori di trascrizione è alla base del differenziamento cellulare 342 L espressione di gruppi di geni può essere regolata in maniera coordinata dai fattori di trascrizione 342 16.3 In che modo i virus regolano la loro espressione genica? 345 Molti batteriofagi hanno un ciclo litico 345 Alcuni batteriofagi possono avere un ciclo lisogeno 346 I virus eucariotici possono avere cicli vitali complessi 347 La regolazione genica dell HIV avviene durante la trascrizione nella fase di allungamento 347 16.4 In che modo i cambiamenti epigenetici regolano l espressione genica? 349 La metilazione del DNA avviene nei promotori e silenzia la trascrizione 349 Modificazioni delle proteine istoniche influiscono sulla trascrizione 350 I cambiamenti epigenetici possono essere indotti dall ambiente 350 La metilazione del DNA può produrre imprinting genomico 351 Cambiamenti cromosomici globali implicano una metilazione del DNA 351 16.5 In che modo l espressione genica degli eucarioti è regolata dopo la trascrizione? 353 mrna diversi possono essere sintetizzati dallo stesso gene per mezzo dello splicing alternativo 353 I piccoli RNA sono regolatori importanti dell espressione genica 353 La traduzione dell mrna può essere regolata da proteine e ribointerruttori 354 Il capitolo in sintesi 356 Per il ripasso 357 PARTE QUINTA I genomi 17 I genomi 358 17.1 Come sono stati sequenziati i genomi? 359 Sono stati sviluppati nuovi metodi per sequenziare velocemente il DNA 359 Le sequenze genomiche forniscono diversi tipi di informazioni 361 17.2 Che cosa abbiamo imparato dal sequenziamento dei genomi procariotici? 362 I genomi procariotici sono compatti 362 Il sequenziamento dei genomi dei procarioti e dei virus può dare potenziali benefici 363 La metagenomica permette di descrivere nuovi organismi ed ecosistemi 363 Alcune sequenze di DNA si possono muovere nel genoma 364 Determinare quali geni sono necessari per la vita cellulare porterà alla vita artificiale? 365 17.3 Che cosa abbiamo imparato dal sequenziamento dei genomi eucariotici? 366 Gli organismi modello hanno rivelato molte delle caratteristiche del genoma eucariotico 366 Gli eucarioti hanno famiglie geniche 370 I genomi degli eucarioti contengono molte sequenze ripetute 370 17.4 Quali sono le caratteristiche del genoma umano? 372 La sequenza del genoma umano ha portato ad alcune sorprese 372
978-88-08-26116-8 Indice generale IX La genomica comparativa ha rivelato l evoluzione del genoma umano 373 La genomica umana produce benefici potenziali per la medicina 374 17.5 Che cosa ci rivelano le nuove discipline della proteomica e della metabolomica? 375 Il proteoma è più complesso del genoma 375 La metabolomica è lo studio del fenotipo chimico 376 Il capitolo in sintesi 377 Per il ripasso 378 18 Il DNA ricombinante e le biotecnologie 379 18.1 Che cos è il DNA ricombinante? 380 18.2 Come si possono inserire nuovi geni in una cellula? 381 I geni possono essere inseriti in cellule procariotiche o eucariotiche 382 Per inserire il DNA ricombinante nelle cellule ospiti viene utilizzata un ampia gamma di metodi diversi 383 I geni reporter permettono di selezionare o identificare le cellule ospiti che contengono il DNA ricombinante 384 18.3 Quali fonti di DNA sono usate nel clonaggio? 385 Le librerie forniscono collezioni di frammenti di DNA 385 Il cdna è prodotto dai trascritti di mrna 385 Il DNA sintetico può essere prodotto dalla PCR o con reazioni di chimica organica 386 18.4 Quali altri strumenti sono usati per studiare la funzione del DNA 386 I geni possono essere fatti esprimere in diversi sistemi biologici 387 Mutazioni nel DNA possono essere create in laboratorio 387 I geni possono essere inattivati dalla ricombinazione omologa 387 L RNA complementare può prevenire l espressione di geni specifici 388 I microarray a DNA rivelano i pattern di espressione dell RNA 389 18.5 Che cos è la biotecnologia? 390 I vettori di espressione possono trasformare le cellule in fabbriche di proteine 390 18.6 In che modo le biotecnologie stanno cambiando la medicina e l agricoltura? 391 Proteine utili per la medicina possono essere prodotte utilizzando la biotecnologia 391 La manipolazione del DNA sta cambiando l agricoltura 393 Le biotecnologie suscitano allarme nell opinione pubblica 395 Il capitolo in sintesi 396 Per il ripasso 397 19 Espressione genica differenziale nello sviluppo 399 19.1 Quali sono i processi dello sviluppo? 400 Lo sviluppo implica processi distinti ma sovrapposti 400 I possibili destini delle cellule diventano progressivamente più limitati durante lo sviluppo 401 19.2 In che modo si determina il destino di una cellula? 402 La segregazione citoplasmatica può determinare la polarità e il destino cellulare 402 Induttori che passano da una cellula all altra possono determinare il destino cellulare 403 19.3 Qual è il ruolo dell espressione genica nello sviluppo? 404 La determinazione del destino cellulare implica vie di trasduzione di segnale che portano a espressione genica differenziale 405 La trascrizione genica differenziale è garanzia del differenziamento cellulare 405 19.4 In che modo l espressione genica determina la formazione del pattern? 406 Molte proteine interagiscono per determinare la morte cellulare programmata durante lo sviluppo 406 Le piante hanno geni che determinano l identità degli organi 407 I gradienti morfogenetici forniscono informazioni di posizione 408 Una cascata di fattori di trascrizione stabiliscono la segmentazione del corpo nel moscerino della frutta 409
X Indice generale 978-88-08-26116-8 19.5 Il differenziamento cellulare è reversibile? 412 Le cellule vegetali possono essere totipotenti 412 Il trasferimento di nuclei permette il clonaggio degli animali 413 Le cellule staminali multipotenti si differenziano in risposta a segnali ambientali 414 Le cellule staminali pluripotenti possono essere ottenute in due modi 415 Il capitolo in sintesi 418 Per il ripasso 418 20 Geni, sviluppo ed evoluzione 420 20.1 Come possono delle piccole modificazioni genetiche produrre estesi cambiamenti nel fenotipo? 421 I geni dello sviluppo di organismi lontanamente imparentati sono simili tra loro 421 20.2 Come possono le mutazioni con effetti estesi cambiare solo una parte del corpo? 423 Gli interruttori genetici governano come viene utilizzato il toolkit genetico 423 La modularità consente le differenze nei pattern di espressione genica 424 20.3 Come possono le modificazioni dello sviluppo produrre differenze tra specie? 426 Le differenze nei pattern di espressione dei geni Hox produce importanti differenze nel piano corporeo 426 Mutazioni nei geni per lo sviluppo possono produrre grandi cambiamenti morfologici 426 20.4 In che modo l ambiente può modulare lo sviluppo? 428 La temperatura può determinare il sesso 428 Informazioni sulla dieta possono predire condizioni future 430 Una varietà di segnali ambientali influenzano lo sviluppo 430 20.5 In che modo i geni per lo sviluppo possono limitare l evoluzione? 431 L evoluzione procede solitamente per cambiamento di quello che c è già 431 Geni dello sviluppo conservati possono portare a evoluzione parallela 431 Il capitolo in sintesi 433 Per il ripasso 434 Fonti delle illustrazioni Indice analitico A1 A2
978-88-08-26116-8 Indice dei box Indice generale XI Un caso da vicino Fig. 11.4 La regolazione del ciclo cellulare 213 Fig. 12.2 Esperimenti monoibridi di Mendel 239 Fig. 12.5 Omozigote o eterozigote? 243 Fig. 12.17 Alcuni alleli non assortiscono in maniera indipendente 252 Fig. 13.1 La trasformazione genetica 265 Fig. 13.2 Trasformazione genetica operata dal DNA 266 Fig. 13.4 L esperimento di Hershey e Chase Fig. 13.5 La transfezione di cellule eucariotiche 268 Fig. 13.10 L esperimento di Meselson e Stahl 274 Fig. 14.1 Un gene, un enzima 289 Fig. 14.5 La decifrazione del codice genetico 294 Fig. 14.19 L identificazione della sequenza segnale 306 Fig. 15.20 Terapia genica 330 Fig. 16.10 L espressione di specifici fattori di trascrizione trasforma i fibroblasti in neuroni 343 Fig. 17.6 L uso della mutagenesi con trasposoni per determinare il genoma minimo 365 Fig. 18.1 Il DNA ricombinante 380 Fig. 19.16 La clonazione di una pianta 413 Fig. 21.9 Selezione sessuale in azione 444 Lavorare con i dati Cap. 11 La regolazione del ciclo cellulare 214 Cap. 12 Gli esperimenti monoibridi di Mendel 240 Cap. 12 Alcuni alleli non assortiscono indipendentemente 253 Cap. 13 L esperimento di Meselson e Stahl 276 Cap. 14 Un gene, un enzima 290 Cap. 15 Una terapia genica per il morbo di Parkinson 331 Cap. 16 Cap. 17 L espressione di fattori di trascrizione trasforma i fibroblasti in neuroni 344 L impiego della mutagenesi da trasposoni per determinare il genoma minimo 367 Cap. 18 Il DNA ricombinante 382 Cap. 19 La clonazione di un mammifero 415 Metodi di ricerca Fig. 13.21 La reazione a catena della polimerasi (PCR) 283 Fig. 15.13 La separazione di frammenti di DNA con l elettroforesi su gel 323 Fig. 15.18 Test del DNA con ibridazione oligonucleotidica allele-specifica 328 Fig. 18.3 La selezione del DNA ricombinante 384 Fig. 18.5 La costruzione di librerie genomiche 386 Fig. 18.6 Come si costruisce un topo knockout 387 Fig. 19.17 La clonazione di un mammifero 414