•CROMATINA
• E
•CROMOSOMI
…UNA SCALA DI GRANDEZZE (E. coli)
RNA + proteine Histon
Histon-like
+ DNA
4,64 Mb
…UNA SCALA DI GRANDEZZE (H. sapiens)
•
TTCAGGAAATGACCCCTTTGCCCCGTCTGAAGGTAGTGCAGAGGCTGCACCTGAGCTGGACCTCTTTGCAATGAAGCCACCT
GAGACCAGTGTTCCTGTAGTTACCCCTACAGCTAGCACAGCCCCTCCGGTTCCCGCAACTGCTCCTTCTCCTGCTCCTGCCGTT
GCAGCTGCTGCTGCTGCCACTACTGCTGCCACCGCCGCTGCCACCACCACTACCACCACCTCCGCTGCCACCGCCACCACTGCTC
9
CTCCTGCTCTAGATATCTTTGGTGATTTATTTGAGTCCACTCCTGAAGTTGCTGCAGCGCCTAAGCCAGATGCTGCTCCTAG
(devono rientrare in uno
CATAGACCTGTTTAGTACAGATGCTTTCTCCTCTCCACCACAAGGGGCCTCTCCTGTGCCTGAGAGTTCTCTCACTGCTGACC
TCTTATCTGTGGATGCATTTGCAGCACCATCTCCTGCAACCACTGCCTCGCCAGCAAAGGTGGATTCTTCAGGTGTCATAGA
spazio ristretto di 5 um)
CCTTTTTGGGGATGCATTTGGAAGTAGCGCTTCTGAACCCCAACCTGCATCTCAGGCTGCTTCTAGTTCATCAGCATCGGCA
GACCTACTAGCTGGATTTGGGGGTTCTTTCATGGCGCCTTCCCCATCTCCAGTGACTCCAGCTCAGAATAACCTGCTACAGC
CCAATTTTGAGGCAGCTTTTGGGACAACGCCTTCAACTTCCAGCAGCAGCTCCTTTGATCCATCAGTGTTTGATGGTCTAGG
TGATCTTTTGATGCCAACCATGGCACCAGCTGGGCAGCCTGCACCTGTCTCAATGGTACCACCCAGTCCTGCAATGGCAGCC
AGCAAAGCCCTTGGAAGTGATCTTGATTCATCTCTTGCCAGCTTAGTAGGCAATCTTGGAATTTCTGGTACCACAACAAAA
AAGGGAGATCTTCAGTGGAATGCTGGAGAGAAAAAGTTGACTGGTGGAGCCAACTGGCAGCCTAAAGTAGCTCCAGCAACC
TGGTCAGCAGGCGTTCCACCAAGTGCACCTTTGCAAGGAGCTGTACCTCCAACCAGTTCAGTTCCTCCTGTTGCCGGGGCCCC
ATCGGTTGGACAACCTGGAGCAGGATTTGGAATGCCTCCTGCTGGGACAGGCATGCCCATGATGCCTCAGCAGCCGGTCATG
TTTGCACAGCCCATGATGAGGCCCCCCTTTGGAGCTGCCGCTGTACCTGGCACGCAGCTTTCTCCAAGCCCTACACCTGCCAG
TCAGAGTCCCAAGAAACCTCCAGCAAAGGACCCATTAGCGGATCTTAACATCAAGGATTTCTTGTAAACAATTTAAGCTGC
6
AATATTTGTGACTGAATAGGAAAATAAATGAGTTTGGAGACTTCAAATAAGATTGATGCTGAGTTTCAAAGGGAGCCAC
CAGTACCAAACCCAATACTTACTCATAACTTCTCTTCCAAAATGTGTAACACAGCCGTGAAAGTGAACATTAGGAATATGT
ACTACCTTAGCTGTTATCCCTACTCTTGAAATTGTAGTGTATTTGGATTATTTGTGTATTGTACGATGTAAACAATGAAT
GGATGTTACTGATGCCGTTAGTGCTTTTTTGGACTTCACCTGAGGACAGATGATGCAGCTGTTGTGTGGCGAGCTATTTGG
AAAGACGTCTGTGTTTTTGAAGGTTTCAATGTACATATAACTTTTGAACAAACCCCAAACTCTTCCCATAAATTATCTTTT
CTTCTGTATCTCTGTTACAAGCGTAGTGTGATAATACCAGATAATAAGGAAAACACTCATAAATATACAAAACTTTTTCA
GTGTGGAGTACATTTTTCCAATCACAGGAACTTCAACTGTTGTGAGAAATGTTTATTTTTGTGGCACTGTATATGTTAAG
AAATTTTATTTTAAAAAATATAAAGGTTAACGTCCATAATAAATACTTCTCTTTGAAGCTACCTTATCAAGAACGAAAA
ATCGTATGGGAAGAATCCCCTATTTATCACTGCTATATTAAAATATATATATTTTAATTATATTTGACAGGTTTTGCATC
TAAATTGACCTATTTATTCATTCTTGATTAAATGCACTGAAAAGTAAAGGGTCTGTTTGTGTCATGTTCATGAAAATGCG
GTTAGAGAGGTGCTATTCAAGTGATTCTGAAGGCACCCCAAGGTATATCTGTAATTTAAAGATTACTGCAAATATCTTTA
6
CTTTACTGTGGGTTTTTAGTACATCTGTTAATTTAGTGTTTCTTTGTGTGTTTTGTAGACTAGTGTTCTTCCATCCTTCAA
CTGAGCTCAAAGTAGGTTTTGTTGTAACATTGTGATTAGGATTTAAACTAATTCAGAGAATTGTATCTTTTACTGTACAT
ACTGTATTCTTTAAGTTTTAATTTGTTGTCATACTGTCTGTGCTGATGGCTTGGCTTAAGATTTTGATGCATAAATGAGG
TCACTGTTGATCAGTGTTGCTAGTAGCTTGGCAGCTCTTCATAAAAGCATATTGGGTTGGAAAGGTGTTTGCCTATTTTTC
AAATTATTTAATAGATGTATGGTACCATTTAAAAGTGGTTGTATCTGAATTTACTGTGGGGATAACATACACTGTAATG
GGGAAAAATTACCTAAAACCAATTTCAAAATGGCTTTCTTTGTATTTCAGTTTAAAAACCCAGTGCATGTACGCCCTCTGA
GATGCAATAAACACCTTGAACAAAG
= ca. 1,7 mt.
3*10
150*10
1-5*10
La cromatina
La cromatina è una costruzione
sovramolecolare costituita
dalle molecole di DNA genomico
e
da due diverse classi di proteine
Le proteine della cromatina sono:
• Gli istoni
• Proteine non istoniche
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
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
I nucleosomi
I nucleosomi sono l’unità fondamentale della
cromatina.
Tipicamente un nucleosoma è costituito da un core di
istoni (ottamero
(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
bp..
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
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
DNA linker
linker)
La presenza dell’istone H1 dà origine ad
una struttura più compatta di 30nm
(Fibra di 30 nm)
ISTONI + DNA +
PROT. NON ISTONICHE =
CROMATINA.. [NOTA: GLI
CROMATINA
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
RESPINGERSI-,
SONO LE PROTEINE
RESPONSABILI DEL GRADO DI
COMPATTAMENTO DELLA
CROMATINA STESSA
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.
L’
L’eucromatina
eucromatina è sempre attiva da un punto di
vista trascrizionale.
trascrizionale.
L’
L’eterocromatina
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)
Le differenze strutturali tra i due tipi di
cromatina possono essere imputate a:
a:
Una diversa interazione tra il DNA linker e
A.
l’istone H1;
B.
C.
Un diverso stato di acetilazione degli istoni;
Un diverso stato di fosforilazione che interessa
in particolare l’istone H2B;
D.
E.
Metilazione degli istoni;
Ubiquitinazione o sumolazione degli istoni
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)
nm)
Braccio corto (p)
Braccio lungo (q)
I cromosomi sono dicromatidici,
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
coesine..
Cromosomi Omologhi:
Omologhi: Nella specie umana sono presenti due copie per ciascun
cromosoma,, pertanto i 46 cromosomi corrispondono a 23 coppie.
cromosoma
coppie.
Nella Specie Umana Il Corredo Cromosomico è pari a 46.
L'Ultima coppia di Cromosomi (23) Cromosomi Sessuali,
Sessuali, determina il sesso
dell'Individuo.. La coppia XX determina la femmina,
dell'Individuo
femmina, mentre la coppia XY
determina il maschio
maschio..
I Cromosomi non sessuali, sono detti Autosomi.
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.
Il cariotipo di una cellula eucariota è dato dal numero e dalla morfologia dei suoi
cromosomi.
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)
Organismo
Numero
di cromosomi
Numero di copie
di cromosomi
Tipo
Dimensione (Mbps)
Mycoplasma genitalium
1
1
circolare
0,58
Escherichia coli K12
1
1
circolare
4,6
Agrobacterium tumefaciens
4
1
3 circolari
1 lineare
5,67
Sinorizhobium melioti
3
1
circolare
6,7
Saccharomyces cerevisiae
16
1o2
lineare
12,1
Schizosaccharomyces pombe
3
1o2
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
estimated size
estimated
gene number
average gene
density
chromosome
number
Homo sapiens(human)
3000 million bases
~20,00025,000
1 gene per 100,000
bases
46
Rattus norvegicus (rat)
2,750 million bases
~30,000
1 gene per 100,000
bases
42
Mus musculus (mouse)
2500 million bases
~30,000
1 gene per 100,000
bases
40
180 million bases
13,600
1 gene per 9,000
bases
8
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
6300
1 gene per 2000 bases
16
4.7 million bases
3200
1 gene per 1400 bases
1
H. influenzae (bacteria)
1.8 million bases
1700
1 gene per 1000 bases
1
Human immunodeficiency
virus (HIV)
9700
9
1 gene per 1000 bases
Organism
Drosophila melanogaster
(fruit fly)
Arabidopsis thaliana
(plant)
Caenorhabditis elegans
(roundworm)
Saccharomyces
cerevisiae
(yeast)
Escherichia coli
(bacteria)
•REGOLAZIONE
•DELLA
•ESPRESSIONE
•GENICA
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
usate.. Sotto quali
condizioni ciascun prodotto genico viene generato
generato?
?
E…
E…una
una volta sintetizzato,
sintetizzato, cosa fa
fa?
?
miRNA
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)
PROCARIOTI
A livello trascrizionale le
cellule batteriche regolano
3’
5’
l’espressione genica
attraverso il modello
dell’operone.
L’operone è un tratto di DNA
comprendente (in sequenza
dal 5’5’-P al 3’
3’-OH) tratti
regolativi (promotore ed
operatore) e geni strutturali
(solitamente correlati tra
loro nella loro funzione).
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)
OPERONE Lac: UN ESEMPIO DI OPERONE INDUCIBILE
Un esempio di come
il Lattosio
viene degradatro
degradatro,,
se presente nel
mezzo di coltura, in
Glucosio e
Galattosio nei
batteri.
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
EUCARIOTI
RIMODELLAMENTO DELLA CROMATINA (1)
(In particolare
iperacetilazione
a livello delle
Lisine)
RIMODELLAMENTO DELLA CROMATINA (2)
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.
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.
Imprinting genomico
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.
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 Stransferase gene (GSTP1) appare come un affidabile indicatore del tumore alla
prostata.