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Scarica appunti appunti appunti appunti appunti appunti e più Appunti in PDF di Geologia solo su Docsity! RIASSUMIAMO le CARATTERISTICHE DEI GENOMI Il genoma procariotico è 1. relativamente piccolo (E. coli: 4x106 pb) 2. unica molecola avvolta su se stessa, circolare chiusa 3. non racchiuso in una struttura organizzata nucleare 4. non complessato permanentemente a proteine 5. unica componente omogenea con geni distribuiti uniformemente 6. geni in singola copia 7. senza regioni intergeniche né introni Composizione in basi dei genomi procariotici I genomi procariotici mostrano una notevole variabilità nel contenuto in G+C (25-75%). La diversità nel contenuto in G+C nei batteri costituisce una forma di adattamento all’ambiente. Organismi simbionti, che vivono in ambienti con risorse scarseggianti, hanno genomi di piccole dimensioni con basso contenuto in G e C, in modo da limitare i costi energetici della replicazione. (a) Obligatory pathogen'intraceliular bacteria 85 tg GTP e CTP sono energeticamente più dispendiosi rispetto ad Îa ATP e UTP. 3 ' CTP deriva dalla transaminazione di UTP da parte della CTP 35 30/36 40% s0 66 60 66 101 sintetasi, che usa una molecola di ATP. e nnt La sintesi di GMP richiede più equivalenti riducenti (NAD+) si a rispetto ad AMP. moneta di scambio energetica è di per sé il nucleotide più 25 30 35 40 45 50 55 60 85 70 75 abbondante nella cellula. hi | Inoltre, l’ATP, a causa del suolo ruolo fondamentale come | T T T No ofgenomes o - NWA Genomic GC frequency (%) | batteri free-living si possono dividere in due gruppi: ad alto contenuto G+C (Actinobacteria, Acidobacteria, Betaproteobacteria e Deinococcus-Thermus); a più basso contenuto G+C. L'elevato contenuto G+C incrementa la stabilità del DNA e rappresenta una forma di adattamento che permette di occupare nicchie ecologiche associate ad ambienti con temperature estremamente elevate. Il biofilm che deteriora i monumenti del tavoliere della zona del Foggiano è composto prevalentemente da Actinobatteri e Deinococchi-Termococchi. Contenuto in G+C di alcuni genomi nucleari eucariotici Composizione in basi dei genomi eucariotici I genomi eucariotici mostrano una minore variabilità nel contenuto in G+C rispetto ai genomi procariotici, anche se differenze si possono osservare sia all’interno che tra i diversi phyla Higher taxon Species G+C% Mammalia H. sapiens 41 M. musculus 42 Plants A. thaliana 36 O. sativa 44 Nematoda C. elegans 36 Fungi S. cerevisiae 38 S. pombe 36 2) La composizione in basi del genoma umano non è omogenea: 40% è composta da G -C 60% è composta da A –T La struttura del genoma ad isocore è correlata ad alcune proprietà del genoma nucleare La maggior parte del genoma è costituita da isocore leggere (L1, L2) che contengono pochi geni: empty space (88% del genoma) a densità genica molto bassa (un gene ogni 50-150kb) Al contrario la maggior parte dei geni è localizzata nelle isocore pesanti (H2 e H3): genome core (12% del genoma) a densità molto alta (un gene per 5-15kb): sono per lo più geni housekeeping 0 10 20 30 40 L1 L2 H1 H2 H3 D e n s it à g e n ic a ( g e n e s /M b ) Distribuzione dei geni 0 200 400 600 800 1000 1200 L2 H1 H2 H3L1 Q u a n ti tà d i D N A , M b Famiglie di Isocore Isocore Leggere Isocore pesanti Struttura Lunghezza di introni e UTR maggiore minore Struttura della cromatina chiusa aperta eterogeneità GC% bassa alta Abbondanza di SINEs bassa alta Abbondanza di LINEs alta bassa Metilazione (CpG) maggiore minore Funzione espressione genica bassa alta Tempo di replicazione tardiva precoce Ricombinazione bassa alta Alle differenze strutturali (%GC) corrispondono differenze funzionali: contenuto genico La distribuzione degli elementi ripetuti del genoma umano sembra essere influenzata dalle proprietà composizionali del genoma: I LINEs sono localizzati preferenzialmente nelle isocore L, mentre i SINEs, soprattutto Alu, sono localizzati preferenzialmente nelle isocore H • A cosa è dovuta l’elevato contenuto in GC nelle isocore pesanti? • A monte dei geni dei mammiferi ci sono raggruppamenti di sequenze ricche in C e G:“isole CpG”: la frequenza del dinucleotide è maggiore rispetto a quella del resto del genoma • Le isole sono tratti di DNA della lunghezza di 1-5 kb • Il genoma umano contiene ~ 50 000 isole • Le isole sono associate alla espressione dei geni • Tutti i geni costitutivi contengono isole CpG • Molti geni regolati contengono isole CpG La metilazione delle C delle isole è responsabile del legame o del non legame di fattori di regolazione dell’espressione genica Non codificante een DNA unico e a 810 Mb SIANO basso numero di copie | 1680 Mb | Porzione codificante del genoma eucariotico ➢ geni codificanti per proteine, in copia singola ➢ geni codificanti per proteine, organizzati in famiglie geniche ➢ geni per rRNA, tRNA ed istoni, organizzati in unità ripetute in tandem ➢ geni per ncRNA (non coding RNA) I genomi eucariotici codificano per un gran numero di RNA non codificanti proteine (ncRNA). Circa il 30% dei trascritti identificati nel topo risulta non codificante per proteine Ridondanza genetica del genoma nucleare Intera sequenza di DNA la cui trascrizione è regolata da uno o più promotori e altri elementi di controllo trascrizionale, che contiene l’informazione per la sintesi di proteine e per RNA non codificanti con funzione strutturale o regolatoria, comprendente parti codificanti (esoni), parti non direttamente codificanti (introni) e porzioni che precedono e seguono (leader e trailer). Più correttamente: gli esoni entrano a fare parte del trascritto maturo, a differenza degli introni. DEFINIZIONE MOLECOLARE di GENE Negli eucarioti di solito le unità di trascrizione sono indipendenti: monocistroniche Ogni gene è espresso separatamente e possiede una sua regione regolatoria: promotore Negli eucarioti ogni gene ha il suo promotore (a volte anche più di uno) COME E’ FATTO UN GENE EUCARIOTICO Il più grande: Gene per Distrofina (2.4 Mb) la sua trascrizione richiede circa 16h) Il più piccolo: Gene per tRNAGLU (69 bp) Il numero di esoni può variare da 1: geni privi di introni come: molti geni per ncRNA, interferoni, istoni, ribonucleasi sino a geni con 363 esoni: Titina o connectina, proteina gigante responsabile della elasticità del muscolo Geni eucariotici I geni eucariotici sono un mosaico di esoni e introni Presentano grande varietà di strutture e dimensioni Ad esempio nel genoma umano: I geni omologhi hanno un’organizzazione comune La lunghezza degli introni è però variabile Nei geni correlati le sequenze degli esoni sono conservate mentre quelle degli introni variano Formazione di mutazioni: velocità uguale Rimozione di mutazioni:diversa Negli esoni c’è una costrizione funzionale tra specie diverse Il grado di divergenza che si riscontra tra due esoni è legato alle differenze tra le proteine e in genere deriva da sostituzioni di singola base Nelle regioni tradotte gli esoni sono sotto constraint in quanto codificano gli aminoacidi: le sequenze degli esoni sono sottoposte a selezione negativa che agisce sugli individui nei quali le sequenze sono cambiate Negli introni corrispondenti i cambiamenti possono essere sia di lunghezza (indels= inserzioni/delezioni) che sostituzioni di basi Gli introni evolvono molto più rapidamente degli esoni ORGANIZZAZIONE TIPICA di UN GENE EUCARIOTICO AUG inizio traduzione Codone STOP +1 Inizio trascrizione Promotore Gene della globina umana •Un gene può utilizzare diversi promotori • La trascrizione di un gene si può arrestare in corrispondenza di diversi terminatori • I trascritti espressi da un gene possono subire splicing alternativo che genera trascritti che differiscono sia nelle regioni non tradotte (5’ e 3’UTR) che nella regione codificante Le isoforme proteiche derivanti dai trascritti alternativi possono avere anche funzioni opposte (sopravvivenza, apoptosi) Sebbene i geni sovrapposti siano una caratteristica dei genomi compatti, il sequenziamento del genoma umano ha mostrato la loro inusuale presenza anche in questo genoma. Sul cromosoma 1 esiste un gene le cui estremità risultano parzialmente sovrapposte ciascuna con un altro gene, entrambi trascritti in orientamento inverso rispetto al gene centrale (l’elica codogenica del gene MUTYH corrisponde all’elica non coding del gene centrale). 3’ UTR E’ la regione dell' mRNA collocata a valle della sequenza codificante di un gene e segue immediatamente il codone di terminazione di traduzione Contiene la sequenza del segnale di poliadenilazione AAUAAA. Nei mammiferi esiste una notevole variazione nella lunghezza della 3' UTR Può variare da 60 a circa 4000 nt. La lunghezza media della 3' UTR nell'uomo è di circa 800 nt, mentre la lunghezza media della 5' UTR è solo di circa 200 nt Contiene siti di legame per i microRNA (miRNA). Legandosi a siti specifici all'interno della 3' UTR, sequenze MRE, i miRNA possono silenziare diversi mRNA: inibiscono la traduzione o provocano la degradazione del trascritto In generale, più lunga è la 3' UTR e più è probabile che siano osservati livelli più bassi di espressione. Questo perché le 3' UTR più lunghe potenzialmente possiedono più siti miRNA che hanno la capacità di inibire la traduzione Gli elementi nella 3' UTR sono stati collegati a numerose patologie: tumorigenesi, leucemia mieloide acuta, α-talassemia, neuroblastoma, e a malattie cardiache congenite Ricapitolando CDS 3’UTR5’UTR mRNA esone GENE esone esone TRASCRIZIONE introne TRADUZIONE introne Mediana Media Numero di esoni 7 8,8 L introni (bp) 1023 3365 L 5'UTR (bp) 240 300 L CDS (bp) 1100 1340 L 3'UTR (bp) 400 770 L gene (bp) 14000 27000 Caratteristiche dei geni umani