Organizzazione del genoma umano
Genoma nucleare
3200Mb
Geni e sequenze
annesse 1200Mb
Geni
48Mb
Pseudogeni
DNA Intergenico
2000Mb
Sequenze correlate
1152Mb
frammenti
genici
LINE
640Mb
Ripetizioni
Intersperse
1400Mb
Introni,
UTR
Microsatelliti
90Mb
Elementi LTR
250Mb
SINE
420Mb
Trasposoni a DNA
90b
Altre regioni
intersperse
600Mb
Varie
510Mb
Organizzazione del genoma umano
Genoma nucleare
3200Mb
DNA Intergenico
2000Mb
Ripetizioni
Intersperse
1400Mb
Microsatelliti
90Mb
LINE
640Mb
Elementi LTR
250Mb
SINE
420Mb
Trasposoni a DNA
90b
Altre regioni
intersperse
600Mb
Varie
510Mb
Esistono diversi modi di classificazione delle sequenze genomiche:
1) Numero di copie
➣ Sequenze a copia singola
➣ Sequenze mediamente ripetute
➣ Sequenze altamente ripetute
2) Velocità evolutiva ➣ Sequenze ad alta velocità evolutiva
➣ Sequenze ad bassa velocità evolutiva
3) Capacità Codificante➣ Sequenze codificanti
➣ Sequenze non codificanti
4) Plasticità
➣ Sequenze con alto grado di plasticità
➣ Sequenze con basso grado di plasticità
Esistono diversi modi di classificazione delle sequenze genomiche:
1) Numero di copie
➣ Sequenze a copia singola
➣ Sequenze mediamente ripetute
➣ Sequenze altamente ripetute
Costituite da sequenze geniche singole o poco ripetute
2) Velocità evolutiva ➣ Sequenze ad alta velocità evolutiva
➣ Sequenze ad bassa velocità evolutiva
3) Capacità Codificante➣ Sequenze codificanti
➣ Sequenze non codificanti
4) Plasticità
➣ Sequenze con alto grado di plasticità
➣ Sequenze con basso grado di plasticità
Esistono diversi modi di classificazione delle sequenze genomiche:
1) Numero di copie
➣ Sequenze a copia singola
➣ Sequenze mediamente ripetute
➣ Sequenze altamente ripetute
da elementi
da geni
ripetuti,
in tandem o
2)Costituite
Velocità evolutiva
➣ trasponibili
Sequenze ade alta
velocità
evolutiva
interspersi (rDNA e tDNA)
➣ Sequenze ad bassa velocità evolutiva
3) Capacità Codificante➣ Sequenze codificanti
➣ Sequenze non codificanti
4) Plasticità
➣ Sequenze con alto grado di plasticità
➣ Sequenze con basso grado di plasticità
Esistono diversi modi di classificazione delle sequenze genomiche:
1) Numero di copie
➣ Sequenze a copia singola
➣ Sequenze mediamente ripetute
➣ Sequenze altamente ripetute
2)Costituite
Velocità evolutiva
➣ Sequenze
altatandem
velocità aevolutiva
da sequenze
ripetutead in
formare DNA
➣ Sequenze ad bassa velocità evolutiva
satellite:
a) DNA microsatellite triplette
3)b)Capacità
Codificante➣ satellite
Sequenzetelomerico;CNV;
codificanti
DNA minisatellite
➣ Sequenze non codificanti
c) DNA satellite
4) Plasticità
➣ Sequenze con alto grado di plasticità
➣ Sequenze con basso grado di plasticità
od intersperso come le sequenze Sine e Line
Microsatelliti e Minisatelliti
I microsatelliti sono costituiti da unità di
ripetizione lunghe da 1 a 10 pb, ripetute in
tandem
10-20
volte,
che
formano
raggruppamenti molto corti, <150pb, di
tipo (A)n, (CA)n, (CGG)n, ecc.
Sono anche detti SSR (simple sequence
repeats). Le ripetizioni possono essere
perfette o presentare piccole variazioni.
I minisatelliti sono costituiti da unità più
lunghe (da 11 a 100pb)
ripetute in
tandem
20-50
volte
che
formano
raggruppamenti di lunghezza fino a 20kb
Gli SSR costituiscono circa il 3% del genoma
umano. Sono molto importanti nello studio
delle malattie genetiche in quanto mostrano
un elevato grado di polimorfismo nella
popolazione umana.
7
Gli SSR possono formarsi attraverso un
meccanismo di scivolamento della replicazione
Gli SSR sono presenti con una frequenza di almeno uno ogni circa 2 kb del genoma.
• Si originano da vari meccanismi tra cui il più importante è lo scivolamento della
DNA polimerasi durante la replicazione.
Microsatelliti: Genetic Fingerprint
Caratteristiche degli SSRs
• Polimorfismo di lunghezza: DNA fingerprinting
• Spesso adoperati come marcatori genetici per la mappatura di geni
associati a patologie.
Microsatelliti e malattie genetiche
I microsatelliti, ed in particolare le ripetizioni di triplette sono associati a varie
malattie genetiche (vedi Cummings and Zoghbi, ARGHG 2000).
10
Metodi Bioinformatici per l’individuazione di SSR
http://tandem.bu.edu/trf/trf.h
tml
Esistono diversi modi di classificazione delle sequenze genomiche:
1) Numero di copie
➣ Sequenze a copia singola
➣ Sequenze mediamente ripetute
➣ Sequenze altamente ripetute
2) Velocità evolutiva ➣ Sequenze ad alta velocità evolutiva
➣ Sequenze ad bassa velocità evolutiva
Costituite da sequenze non codificanti libere di evolvere poiché,
3)apparentemente
Capacità Codificante➣
prive di Sequenze
funzione codificanti
➣ Sequenze non codificanti
4) Plasticità
➣ Sequenze con alto grado di plasticità
➣ Sequenze con basso grado di plasticità
Esistono diversi modi di classificazione delle sequenze genomiche:
1) Numero di copie
➣ Sequenze a copia singola
➣ Sequenze mediamente ripetute
➣ Sequenze altamente ripetute
2) Velocità evolutiva ➣ Sequenze ad alta velocità evolutiva
➣ Sequenze ad bassa velocità evolutiva
3) Capacità Codificante➣ Sequenze codificanti
Costituite da sequenze codificanti sottoposte a pressione evolutiva
➣ Sequenze non codificanti
4) Plasticità
➣ Sequenze con alto grado di plasticità
➣ Sequenze con basso grado di plasticità
Esistono diversi modi di classificazione delle sequenze genomiche:
1) Numero di copie
➣ Sequenze a copia singola
➣ Sequenze mediamente ripetute
➣ Sequenze altamente ripetute
2) Velocità evolutiva ➣ Sequenze ad alta velocità evolutiva
➣ Sequenze ad bassa velocità evolutiva
3) Capacità Codificante➣ Sequenze codificanti
➣ Sequenze non codificanti
4) Plasticità
➣ Sequenze con alto grado di plasticità
➣ Sequenze con basso grado di plasticità
Esistono diversi modi di classificazione delle sequenze genomiche:
1) Numero di copie
➣ Sequenze a copia singola
➣ Sequenze mediamente ripetute
➣ Sequenze altamente ripetute
2) Velocità evolutiva ➣ Sequenze ad alta velocità evolutiva
➣ Sequenze ad bassa velocità evolutiva
3) Capacità Codificante➣ Sequenze codificanti
➣ Sequenze non codificanti
4) Plasticità
➣ Sequenze con alto grado di plasticità
➣ Sequenze con basso grado di plasticità
Esistono diversi modi di classificazione delle sequenze genomiche:
1) Numero di copie
➣ Sequenze a copia singola
➣ Sequenze mediamente ripetute
➣ Sequenze altamente ripetute
2) Velocità evolutiva ➣ Sequenze ad alta velocità evolutiva
➣ Sequenze ad bassa velocità evolutiva
3) Capacità Codificante➣ Sequenze codificanti
➣ Sequenze non codificanti
4) Plasticità
➣ Sequenze con alto grado di plasticità
➣ Sequenze con basso grado di plasticità
Con il termine di plasticità del genoma si intende la sua capacità
di modificarsi senza mutare
Ripetizioni in tandem: Duplicazioni segmentali
Le duplicazioni segmentali sono ripetizioni di segmenti genomici comunemente osservate
in genomi di animali e piante, non riconducibili a elementi trasponibili, di lunghezza ≥10
kbp e identità ≥90%. Queste possono essere anche molto estese come nel cromosoma Y
umano che presenta un blocco ripetuto di 1.45 Mbp.
La porzione eucromatica del genoma umano contiene circa il 5,3% di duplicazioni
segmentali che sono classificate in :
-duplicazioni inter-cromosomiche, segmenti che si sono duplicati tra cromosomi non
omologhi;
-duplicazioni intra-cromosomiche, segmenti duplicati all’interno di un particolare
cromosoma.
Duplicazione
segmentali
Gap
Ripetizioni in tandem: Duplicazioni segmentali
Le duplicazioni segmentali sono localizzate in prevalenza nelle regioni adiacenti ai
centromeri, mentre raramente coinvolgono le regioni più distali di ciascun braccio dei
cromosomi.
Sono di grande interesse in campo
medico in quanto sono regioni che
mostrano
una
particolare
predisposizione a riarrangiamenti con
conseguenti effetti fenotipici. Sono
note varie malattie genetiche correlate
a
queste
regioni
(es.
sindrome
DiGeorge, Charcot-Marie-Tooth, etc.).
Copy Number Variations (CNV)
Le duplicazioni segmentali sono una importante fonte di variabilità genetica tra individui
nella popolazione umana. Dato che si estendono su più geni, portano alla variazione del
numero di copie di determinati geni tra diversi individui.
E’ oggi possibile fare studi su larga
scala di queste varianti strutturali del
genoma
mediante
specifiche
piattaforme di microarray.
Uno studio su 270 individui di 4
popolazioni ha identificato circa 1500
CNVs.
I CNV sono responsabili di variazioni
del livello di espressione genica e
possono essere associati a specifici
tratti fenotipici e/o patologici (es.
HIV, cancro della mammella, autismo,
malattie auto-immuni).
Il DNA
Il DNA in cellula non è mai “nudo”, a sempre complessato
con una serie di proteine a formare la cosiddetta
CROMATINA
Compattamento
DNA doppia elica
2 nm
0
Collana di nucleosomi
11 nm
~3
Solenoide
30 nm
~6
Anse su armatura
300 nm
~24
Cromatidio (Rosette)
700 nm
~20
~8600
Telomere
IL CROMOSOMA EUCARIOTICO
Origin of replication
Origin of replication
Kinetochore proteins
Centromere
Origin of replication
SONO MOLECOLE DI DNA LUNGHE E
LINEARI
UNA MOLECOLA DÌ DNA PUO’ ESSERE
CONSIDERATA UN CROMOSOMA SE HA:
ORIGINE DÌ REPLICAZIONE (+ DÌ UNA)
CENTOMERO (UNO)
Origin of replication
Genes
Repetitive sequences
Telomere
TELOMERO (DUE)
Il CENTROMERO è un complesso locus genetico, cis-agente,
responsabile della corretta segregazione dei cromosomi in mitosi ed
in meiosi.
Esso rappresenta:
1) il sito di attacco dei microtubuli del fuso;
2) La regione di coesione tra cromatidi fratelli;
3) Il motore meccano-chimico responsabile del movimento dei
cromosomi.
Dal un punto di vista citologico il CENTROMERO appare come un
dominio strutturale distinto nel cromosoma metafasico (Costrizione
Primaria) dovuta alla mancanza dell’ultimo passaggio di
superavvolgimento della cromatina.
Il CENTROMERO è composto da almeno tre distinti
domini strutturali:
1) Dominio del Cinetocoro (lungo la superficie esterna);
2)Dominio Centrale;
3)Dominio di Appaiamento (lungo la superficie
interna).
Dominio del Cinetocoro
E’ una struttura proteica formata da almeno tre distinte regioni:
1) disco interno (giustapposto al dominio centrale)
2) disco centrale
3) disco esterno
La Corona Fibrosa, è visibile sul disco esterno quando i microtubuli
sono assenti
Organizzazione del DNA satellite ai centromeri
The DNA sequence of centromeres differs between
species, but the presence and function of CENPA and
its homologues at kinetochores is highly conserved.
a | S. cerevisiae centromere function depends on a
region that contains three conserved elements (I, II,
III), to which Cse4 localizes.
B| S. pombe centromeres contain a unique central core,
which Cnp1 localizes to, flanked by conserved inverted
inner and outer repeats.
C|The minichromosome Dp1187, with the only defined
Drosophila melanogaster centromere, consists of a core
of 5-bp satellites and transposons, flanked by other
repetitive DNA (red).
D|Human centromeres consist of alpha-satellite DNA
tandemly arranged into higher-order repeats. CENPA
localizes to a portion of these arrays. CENPB (red), a
centromeric alpha-satellite-binding protein, is present at
both centromeres. CENPA (green) locates to only the
active centromere of the dicentric chromosome.
e|Caenorhabditis elegans kinetochores assemble along the
length of each chromosome. Right, at metaphase, the
centromeric histone HCP-3 (green) is present on the
poleward-facing side of chromatids.
The schematics show the location of different centromere-region proteins with respect to the
DNA sequence.
a | Prometaphase Caenorhabditis elegans holocentric chromosomes contain inner and outer
kinetochore proteins distributed in clusters.
b | Drosophila melanogaster centromere proteins.
c | Schizosaccharomyces pombe centromere proteins bind either the inner centromere (the
centromere core and inner repeats), or the flanking heterochromatin.
a|The S. cerevisiae centromere probably consists of a single, Cse4containing nucleosome that gives rise to the kinetochore.
b|The S. pombe centromere consists of multiple Cnp1-containing
nucleosomes that are flanked by heterochromatin. The invertedrepeat structure of the centromere-flanking regions indicate that
the centromere region might form a stem–loop structure97, perhaps
stabilized by heterochromatic proteins, such as homologues of HP1
and SU(VAR)3-9.
c|The
larger
and
more
complex
centromeres
of
Drosophila
melanogaster and humans possibly contain repeats of similar 'loops',
or related higher-order structures, that are concentrated at specific
chromosomal regions. Because tandem, rather than inverted, repeats
exist in fly and human centromeric DNA, they might not form
stem–loop structures; the DNA might, for example, spiral through a
centromeric higher-order structure. Flanking heterochromatin might
form a boundary that limits the spreading of centromeric chromatin
in monocentric chromosomes. Such boundaries might distinguish
monocentric from holocentric centromeres.
d|C. elegans holocentric chromosomes might contain more repeat
units at multiple sites, covering most of the chromosome. In these
models, the higher-order structure of centromeric chromatin is
conserved, and might be required to 'present' the centromeric
chromatin to the outer face of condensed.
Telomere
IL CROMOSOMA EUCARIOTICO
Origin of replication
Origin of replication
Kinetochore proteins
Centromere
Origin of replication
SONO MOLECOLE DI DNA LUNGHE E
LINEARI
UNA MOLECOLA DI DNA PUO’ ESSERE
CONSIDERATA UN CROMOSOMA SE HA:
ORIGINE DI REPLICAZIONE (+ DI UNA)
CENTOMERO (UNO)
Origin of replication
Genes
Repetitive sequences
Telomere
TELOMERO (DUE)
Il TELOMERO
Il telomero è la regione terminale del cromosoma composta di
DNA altamente ripetuto.
Il telomero ha la duplice funzione:
1) funge da estremità vera del cromosoma lineare;
2) si oppone all’accorciamento del cromosoma stesso come risultato
dei cicli replicativi del genoma.
Contrariamente alle sequenze ripetute (DNA satellite) centromeriche,
che sono estremamente variabili da specie a specie, le sequenze ripetute
che formano il telomero hanno una sequenza molto simile tra loro
L’enzima telomerasi è in grado di catalizzare la reduplicazione dei
telomeri; il core dell’enzima è costituito da una proteina chiamata
TERT (telomerase reverse trascriptase) e da TERC (telomerase RNA
component) un piccolo RNA.
In sintesi la telomerasi è una trascrittasi inversa che utilizza il suo
RNA come stampo per allungare l’estremo 3’ grazie ad un secondo
intervento della DNA polimerasi.
Si suppone che l’espressione della telomerasi sia repressa nelle cellule
somatiche, ma non nelle cellule germinali. Ciò significa che nelle prime le
estremità telomeriche siano soggetto ad una continua erosione e
l’accorciamento telomerico risulta essere un evento fondamentale che
conduce alla senescenza della stessa cellula.
La riattivazione della telomerasi in queste cellule è uno dei passaggi chiave
nella trasformazione neoplastica.
Recentemente nell’uomo è stata individuata una proteina denominata
TRF1 capace di legarsi ai telomeri. La sua assenza provoca l’allungamento
dei telomeri, mentre la sua sovraespressione ne provoca l’accorciamento.