struttura e funzione del gene evoluzione dei genomi 15-16/struttura ed ev... · polimorfismo nella...

STRUTTURA E FUNZIONE DEL GENE

EVOLUZIONE DEI GENOMI

GENOME: total genetic information carried by a cell or organism

GENE: physical and functional unit of heredity, which carries

information from one generation to the next. In molecular terms,

it is the entire DNA sequence (including exons, introns and

noncoding transcriptional control regions) necessary for

production of a functional protein or RNA

Lodish – Molecular Cell Biology

ATGGAGGAGGACATGTACGTGGACATTTTCCTGGACCCTTATACCTTCCAGATGGAGGAGGACATGTACGTGGACATTTTCCTGGACCCTTATACCTTCCAGGATGACTTTCCTCCAGCTACGTCTCAAC

TATTCAGCCCAGGAGCGCCTTTAGATGTGCACCCACTTAATCCATCCAATCCAGAGACTGTATTTCATTCACATCTTGGTGCAGTCAAAAAGGCACCCAGTGACTTTTCATCTGTGGATCTAAGCTTCTT

ACCAGATGAACTTACCCAAGAAAATAAAGACCGAACTGTCACTGGAAACAAAGTCACAAATGAGGAAAGCTTTAGGACTCAAGATTGGCAAAGTCAGTTGCAGTTGCCTGATGAACAAGGCAGTGGG

CTGAACTTGAATAGCAACAGTTCACCAGATACCCAGTCATGTCTGTGCTCTCATGATGCTGACTCCAACCAGCTCTCTTCAGAAACACCAAATTCCAATGCCTTACCTGTGGTATTGATATCATCCATGA

CACCAATGAACCCTGTTACAGAATGTTCTGGAATTGTGCCTCAATTACAGAATGTAGTTTCCACTGCAAATCTGGCCTGTAAATTGGATCTGAGAAAAATAGCTTTGAATGCCAAAAACACAGAATATA

ATCCAAAGAGGTTTGCTGCAGTCATAATGAGGATCCGAGAGCCAAGGACCACAGCTCTTATATTTAGCTCTGGGAAAGTGGTCTGTACAGGAGCCAAAAGTGAAGACGAGTCTCGGCTGGCAGCAAGA

AAGTATGCTCGCGTGGTGCAGAAGCTGGGGTTCCCCGTCAGATTCTTCAATTTTAAAATTCAGAACATGGTTGCAAGCTGTGATGTGAAATTTCCCATCAGGCTGGAGATTTTGGCACTAACCCATCGGC

AGTTCAGTAGTTATGAGCCTGAACTGTTCCCTGGCCTTATTTATAAGATGGTGAAACCGCAGGTTGTGCTGCTCATCTTTGCATCTGGAAAGGTTGTACTGACAGGTGCCAAAGAGCGTTCTGAGATCTA

CGAAGCATTTGAAAACATGTATCCTATTCTAGAAAGTTTTAAGAAAGTCTGAATGGAGGAGGACATATACCTGGACCTCTTCCTGGATCCTTATACCATCCAGGATGACTTTCCTCCAGCTATGTCTCAA

CTGTTCAGCCCAGGAGTGCCTTTAGACATGCACTCACTTCCATCTAATCCAGAGACTGTGTTTCATCCACATCTTGGTGGAGTCAAAAAGGCATCCACTGACTTTTCATCTGTGGATCTAAGCTTCTTACC

AGATGAACTTACCCAAGAAAATAGAGACCAAACTGTCACTGGAAACAAGCTGGCAAGTGAGGAAAGCTGTAGGACTCGAGATCGACAAAGTCAGTTGCAGTTGCCCGATGAACATGGCAGTGAGCTG

AACTTGAATAGCAACAGTTCACCAGATCCCCAGTCATGCCTGTGCTTTGATGATGCTCACTCCAACCAGCCCTCTCCAGAAACACCAAACTCCAATGCCTTACCTGTGGCATTGATAGCATCCATGATGC

CAATGAACCCTGTTCCAGGATTTTCTGGAATTGTGCCTCAATTACAGAATGTAGTTTCCACTGCAAATCTGGCCTGTAAATTGGATCTGAGAAAAATAGCCCTGAATGCCAAAAACACAGAATATAACC

CAAAGAGGTTTGCTGCAGTAATAATGAGGATCCGAGAGCCAAGGACAACAGCTCTCATCTTTAGCTCTGGGAAAGTGGTCTGTACAGGAGCCAAAAGTGAAGAGGAGTCTCGGCTGGCAGCGAGAAA

GTATGCTCGTGTGGTGCAGAAGCTCGGGTTCCCTGTCAGATTCTTCAATTTTAAAATTCAGAACATGGTTGGAAGCTGTGATGTGAAATTTCCCATCAGGCTGGAGATTTTGGCACTAACCCATCGGCAG

TTCAGTAGTTATGAACCTGAACTTTTCCCCGGCCTTATTTATAAGATGGTAAAACCACAGGTTGTGTTGCTAATCTTTGCATCTGGAAAAGTTGTGTTAACAGGTGCCAAAGAGCGTTCTGAGATCTATG

AAGCATTTGAAAACATGTATCCTATTCTAGAAAGTTTTAAGAAAGTCTGAATGGAGCAGGAGGAGACCTACCTGGAGCTCTACCTGGACCAGTGCGCCGCTCAGGATGGCCTTGCCCCACCCAGGTCTC

CCCTGTTCAGCCCAGTTGTACCTTATGATATGTACATACTGAATGCATCCAATCCGGATACTGCATTTAATTCGAACCCTGAAGTCAAAGAAACATCTGGTGATTTCTCATCTGTGGATCTTAGCTTCCTA

CCAGATGAAGTTACCCAGGAAAATAAAGACCAGCCTGTCATTAGCAAACACGAAACTGAAGAAAATTCTGAAAGCCAAAGTCCACAAAGTAGGTTGCCATCACCCAGCGAACAGGACGTTGGGCTGG

GCTTAAACAGCAGCAGTTTGTCAAATTCCCATTCACAGCTGCACCCTGGTGATACTGACTCAGTCCAGCCCTCTCCTGAGAAACCAAACTCCGACTCCTTGTCTCTGGCATCCATAACTCCCATGACACC

AATGACCCCTATTTCAGAATGTTGTGGAATTGTACCTCAACTACAGAATATAGTTTCCACTGTAAACCTGGCCTGTAAGTTGGATCTGAAGAAAATAGCTTTGCATGCAAAAAATGCAGAATATAACCC

AAAGAGGTTTGCTGCTGTCATAATGAGGATCCGAGAGCCCAGGACAACAGCCCTTATATTTAGCTCTGGGAAGATGGTCTGCACGGGAGCCAAAAGTGAAGAGCAGTCTCGACTTGCAGCAAGAAAAT

ATGCTCGTGTGGTGCAGAAGCTTGGGTTCCCTGCCAGATTCCTCGATTTTAAAATTCAGAACATGGTTGGAAGCTGTGATGTGAGATTTCCCATCAGGCTGGAAGGTTTGGTGCTAACCCATCAGCAGTT

CAGTAGTTACGAGCCTGAACTGTTTCCTGGTCTTATTTATAGAATGGTAAAACCACGAATTGTGTTGCTTATCTTTGTATCTGGAAAAGTTGTGTTGACAGGTGCCAAAGAACGTTCTGAGATCTATGAA

GCATTTGAAAACATCTATCCTATTCTAAAAGGTTTTAAAAAAGCCTGAGAAGTCCCCTGGGTAACTTCCAGGCAGCTTCATTTCTGAAGAGTCCAAACTGCAGCATAGAGGACTTATGAAAAACTGTAA

AAAATTGGTTTTAAGTGTTCCATTAAACCCAAAGAAAACAGTCACACAACAAAGCCAGACACAGAAAATTAGGGTGACATGTTTCCTGTCATATGTGGAGCCTAGAGAACATAGAGATGATGTGAAAG

CAGAAGGAGCTATCAAGAAAAAGGAAAGCAGATGGGGCAGCAGATCCATGGGAATACTGGCAGAACTGTATAATGGAAGAATGTCGTATGCACATATGAACATGTCATAATGAAACCTAGTATTTTGT

ACAGTTAATATGGACTAGACAATAGCACAAAGAAATTAGAGATTAGTCTAGCTATATGAAGAGGCTACATCAAAGATCACTCCTTTTTGATGGACAAATTTAATTCCTTATAACTGTAGAGCTGAGATA

TTCACTTGCTTGTCAGACATTAAATGTATCCCACTCTTAGGGTCTAGAAGTTACCCAGACTTCTTGTACCATGGTCCCATCTATCTTCAAAGTCAGCAGTGACGACTCTGCCTTATGACAAGGTCATCTCC

TGCTTTCAAATCCCTCCCAAAGAGTGGCCAATTCCTCCTTGGCTGCTCAGTCAGTAAGGGCAGGCTTGGATCCTTTCCCTTTCCTAACAATGGACTTGGAATTTTAATTACATCTTCAAAACCCAAGAGC

ATTTGGTTTTTTTTAGATAACTGGGAGATACATTTGGAGATAGGGATTTGGGGAGCCACCGAAACATTCTACCTACCATAGGAAATAGTTATAAATCTATTTTACTGGCTGGAGAGATGGCCAAGCAGTT

AAGAATACTTTCTGCTTTTTCAAAGGATAGAAATTCTGTTCCTAGCACCCACACTGGGCTTCTTAGTGATTCCAACTCTACAGGACCTGATGCCTCCTTCTCTCTGGCTTCCTTAGATACCAGTTTGTACT

GGCACATGCATATGCACAGGAGAAGGCTCTCTCTCTCTCTCTCCCCCCCCCCCCTCTCTCTCTCTCACACACACACACAAGATGGTGAGATATAATTAATAAAATAAAGTAAAATTTGGATCTGTTTTAG

TCAGTTTGGGATGCCATAATAAAACACCACAAACTGGGCAGTTTAAACCACAGAAATTTCCTTCATAGTTCTGAAGGCTGGAGATCTAAGATCAAGGTCCCTGCAGATTTGGTCTCTCCTGTAGCAATC

CTCCATCTTTCCTTTTAGGTAGCTGCCTTAATGTTGCTCTTTTTACAGCTTTTTCTTTGTATTTCTATGAAAACATCAGACATATTGGATTGGGGCTTCTACACATGATCTTCATGGGATAAGCAATAACCA

TAGTTACTGATCTGTGAGGCTGGTTCTGAGTGTGCAGCTCAGTAGGCTGTCTCATTTACAGACACTATGACATTACATCACACATCACTATATAAATCCCAGATTTTTCAAAAGGATCCCCCTATTTTTAT

TGGAATGTCTGACTCTAGTGCAGGTTATCCAAGCTCCATTCTCAGGTTCGTTTTATCCACCAAGACTGAGCAGATGAGCTGGGCACAGAGACATGATGATGAATAATTTAAATTGTTCCTTTTAAACAGT

AGAATCAAGTAAGGAAGATTTAAAAATACATTTTGCAATCTCTTACATCAAAGTGTCTTCTTCTAGAACAGTTCAATACAGTTAAGCTAAGACATTTGAATTAAAGCGTTTAAGAAAGAAAAGCTTCTCT

GGATATTTGGTTTTACATTAACTTCTTGAGTTGTCTGAACCCTAACTGTGGAATTTGCACAGCTGTAGGCAAATTCTCTGTAATAGGTGAAAATCTACCTGGGGTGTGAAGGTGAAGAATAATTACAGAA

ATATCACATCTGAATAGATGAGGGGATTCAGCGGGCAAGGGTGCTTGCCACCAAGCCTGACACTCTGGGTTTGATCCTTGTGTTTCTTCCAGAGCTGGAAGGAGAGAACCTACTCCTGAAAATTGTCTT

CTGACCATAACATGAGCTCTGCACTGTGCATGTGTCCATGCACACATGCCAATGAAGATAAATCAATATTAGAAATATCACATCTAAGAATCTGGGTATGGTGATGCTCATGCATGTTGTAACCCCAGA

ACTTAGGAGCTGGAGGATATACAAGTTTGTGGCTAGCCTGGACTACATGAGAAGAGAAGGGGGAAGGGAAAGAGAAGGAAAAGAAGAAAAGAAAAGGAAAAGGATAAGGATAAAGGCAGAAGAGA

AAAGCATTCTTTTCTCACTTGCACAATGAGAAAACCTTATCATGCTACTCTACTGGAAGCACTAGTCTCGGCCCTCCTCTTCTTCTGGGTGCCACCAGCTGTGTCTTGCCTGGCTCATCAACTCCTTCTCT

GCTTCTCACCTGACTCCTCAGCTCATTCACAGCATCTGTGCAAGGCAGCAGAGCTGGTCCCGCCTCACTGCGTGCTCCCTGAGGCTGATAAAAGGTATCTGCTCCCACAGCCAGACTGGTACTAACAAA

GCTTCTTCCACTTGCCTGGACGCTGATTCCTTTGCTTGTCCTCAGCTCTACGATGACTTTCCTCCAGCTATGTCTCAACTGTTCAGCCCAGGAGTGCCTTTAGACATGCACTCACTTCCATCTAATCCAGA

GACTGTGTTTCATCCACATCTTGGTGGAGTCAAAAAGGCATCCACTGACTTTTCATCTGTGGATCTAAGCTTCTTACCAGATGAACTTACCCAAGAAAATAGAGACCAAACTGTCACTGGAAACAAGCT

GGCAAGTGAGGAAAGCTGTAGGACTCGAGATCGACAAAGTCAGTTGCAGTTGCCCGATGAACATGGCAGTGAGCTGAACTTGAATAGCAACAGTTCACCAGATCCCCAGTCATGCCTGTGCTTTGATG

ATGCTCACTCCAACCAGCCCTCTCCAGAAACACCAAACTCCAATGCCTTACCTGTGGCATTGATAGCATCCATGATGCCAATGAACCCTGTTCCAGGATTTTCTGGAATTGTGCCTCAATTACAGATGAC

TTTCCTCCAGCTATGTCTCAACTGTTCAGCCCAGGAGTGCCTTTAGACATGCACTCACTTCCATCTAATCCAGAGACTGTGTTTCATCCACATCTTGGTGGAGTCAAAAAGGCATCCACTGACTTTTCATC

TGTGGATCTAAGCTTCTTACCAGATGAACTTACCCAAGAAAATAGAGACCAAACTGTCACTGGAAACAAGCTGGCAAGTGAGGAAAGCTGTAGGACTCGAGATCGACAAAGTCAGTTGCAGTTGCCCG

ATGAACATGGCAGTGAGCTGAACTTGAATAGCAACAGTTCACCAGATCCCCAGTCATGCCTGTGCTTTGATGATGCTCACTCCAACCAGCCCTCTCCAGAAACACCAAACTCCAATGCCTTACCTGTGG

CATTGATAGCATCCATGATGCCAATGAACCCTGTTCCAGGATTTTCTGGAATTGTGCCTCAATTACAAGAACTTAGGAGCTGGAGGATATACAAGTTTGTGGCTAGCCTGGACTACATGAGAAGAGAAG

GGGGAAGGGAAAGAGAAGGAAAAGAAGAAAAGAAAAGATAATGAGGATCCGAGAGCCCAGGACAACAGCCCTTATATTTAGCTCTGGGAAGATGGTCTGCACGGGAGCCAAAAGTGAAGAGCAGTC

TCGACTTGCAGCAAGAAAATATAATGAGGATCCGAGAGCCCAGGACAACAGCCCTTATATTTAGCTCTGGGAAGATGGTCTGCACGGGAGCCAAAAGTGAAGAGCAGTCTCGACTTGCAGCAAGAAA

ATATAATGAGGATCCGAGAGCCCAGGACAACAGCCCTTATATTTAGCTCTGGGAAGATGGTCTGCACGGGAGCCAAAAGTGAAGAGCAGTCTCGACTTGCAGCAAGAAAATATAATGAGGATCCGAG

Struttura del GENE

GENE procarioticoGenoma di E. coli

GENE procariotico

Sequenze regolatrici a monte

della sequenza codificanteSequenze codificanti

OPERONE

Sequenze terminatrici

GENE procariotico

animazione

operone.swf

GENE procariotico

Promotori

GENE procariotico

Sequenze codificanti

ATGGTATAT-------------------------------TAA

MET VAL TYR STOP

ORF

(Open Reading Frame)

GENE procariotico

Promotore Operone


Terminatore

A B C

GENE procariotico

Promotore Operone


Terminatore

A B C

mRNA mRNA mRNA

Proteina Proteina Proteina

Promotore Operone


Terminatore

A B C

GENE procariotico

Repressione

Nessuna espressione

GENE EUCARIOTICO

GENI DELLA I CLASSE

GENI DELLA II CLASSE

GENI DELLA III CLASSE

RNA RIBOSOMIALE – rRNA (28S-5,8S e 18s)

RNA MESSAGGERO – mRNA

Piccoli RNA nucleari – snRNA

microRNA - LncRNA

RNA TRANSFER – tRNA

Piccoli rna nucleolari – snorna

Piccoli rna citoplasmatici - scrna

GENE EUCARIOTICO

Promotore

GENE EUCARIOTICO

GENE EUCARIOTICO

Sequenza

codificante

modulare

GENE EUCARIOTICO

Segnale di

poliadenilazione

23

I geni eucariotici sono monocistronici

Eccezioni: Unità di trascrizione policistroniche risolte in mRNA maturi

monocistronici per trans-splicing (es in tripanosomi, nematodi,

platelminti); uso di IRES, reinizio della traduzione o frameshift

traduzionale

I geni eucariotici non mostrano nessuna evidente

relazione tra localizzazione e l’attività funzionale

(functional clustering) o con l’espressione spazio-

temporale

Eccezioni: Raggruppamento di geni con funzione correlata, quali geni

Hox, geni per emoglobine e geni per immunoglobuline (duplicazioni in

tandem?)

Organizzazione genica negli eucarioti

25

Il processamento del precursore policistronico è associato al Trans

Splicing delle estremità 5’ degli mRNA e alla poliadenilazione delle

estremità 3’ per generare i trascritti monocistronici.

Taxon EntitàTripanosomi (Euglenozoa) tutti gli RNACnidari alcuni RNAPlatelminti (Metazoa Acoelomata) pochi RNANematodi (Metazoa Pseudocoelomata) molti RNACiona intestinalis/Oikopleura dioica molti RNA

Organizzazione genica negli eucarioti

Alcuni geni eucariotici sono policistronici

26

Geni codificanti per proteine

- geni presenti in unica copia (single-copy genes)

- geni omologhi presenti in copie multiple ed organizzati in famiglie geniche

I membri di una stessa famiglia genica possono essere localizzati in

unico cluster, dispersi, o localizzati in più cluster:

Geni in cluster:

-globin (7), growth hormone (5), Class I HLA heavy chain (20),….

Geni dispersi:

Pyruvate dehydrogenase (2), Aldolase (5), PAX (>12),..

Geni localizzati in più cluster:

HOX (38 – 4), Histones (61 – 2), Olfactory receptors (>900 – 25),…

28

La struttura dei geni eucariotici

CDS 3’UTR3’UTR5’UTR

mRNA

esone

GENE

esone esone

TRASCRIZIONE

introne

TRADUZIONE

introne

TSS

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

Nel genoma umano non si osserva una distribuzione omogenea dei

geni. La più alta densità genica si osserva nel chr 19, mentre il chr 13 e

Y mostrano la più bassa densità.

29

I geni eucariotici presentano una grande varietà di strutture e dimensioni.

Ad esempio nel genoma umano:

Il più grande:

Distrofina (2.4 Mb, la sua

trascrizione richiede circa 16h)

Il più piccolo:

tRNAGLU (69 bp)

Il numero di esoni può variare da 1 (geni privi di introni come molti geni per

ncRNA, interferoni, istoni, ribonucleasi, HSP, GPCR, ecc.) sino a 363 (Titina).

Le dimensioni degli esoni e degli introni sono estremamente variabili.

A fronte di esoni costituiti da pochi nucleotidi, l’esone più grande è presente nel

gene per ApoB (7.6 kbb). Anche le dimensioni degli introni possono variare da

pochi nucleotidi fino a 800 kbp (gene WWOX).

Le proteine codificate possono variare nelle dimensioni da pochi residui (piccoli

ormoni) sino a molte migliaia (Titina, 38.138 aa).

La struttura dei geni eucariotici

GENE EUCARIOTICO

Può un gene codificare per diverse proteine?

Uno stesso gene può codificare per proteine indirizzate a diversi compartimenti cellulari: l’esempio del gene NFS1

L’isoforma che codifica per la proteina mitocondriale (457 aa) contiene un peptide segnale e un dominioaminotrasnferasico.

L’altra isoforma, che deriva sa un sito di inizio alternativo della trascrizione codifica per una proteinapiù corta (397 aa) priva del peptide segnale ma contenente il dominio aminotransferasico.

La proteina codificata dal gene NFS1 rimuove lo zolfo dalla cisteina formando alanina. Questo gene utilizzasiti di inizio alternativi della trascrizione e quindi traduzione per generare una isoforma mitocondriale ed unaisoforma citoplasmatica. La selezione del sito di inizio della traduzione è regolata dal pH citosolico.

GENE EUCARIOTICO


X

Uno stesso gene può esprimere proteine con funzioni opposte: l’esempio dell’attività della Caspasi 9 (CASP9)

La forma costitutiva della proteina (CASP9, 9 esoni, 416 aa) induce apoptosi. Essa contiene un Caspase recruitment domain (CARD) e un dominio caspasi Peptidase_C14.

L’isoforma più corta della proteina (CASP9S, 5 esoni, 266 aa) contiene un dominio Caspase recruitment domain (CARD) e un dominio tronco della Peptidase_C14. Questa isoforma è privadell’attività proteasica e agisce da inibitore dell’apoptosi.

Splicing AlternativoOltre il 90% dei geni umani è in grado di esprimere più di un

trascritto (ed è quindi soggetto a splicing alternativo). Le diverse

isoforme di splicing possono avere specificità a livello di tessuto, di

condizione fisiologica, o patologica.

17,635 Human genes

0

5

10

15

20

25

30

35

1 2-5 6-10 11-20 21-30 31-50 >50

Number of Transcripts/ Gene

%

Splicing alternativo e duplicazione genica sono inversamente correlati

GENE EUCARIOTICO


Definizione di GENE

• La trascrizione di un gene si può arrestare in corrispondenza di diversi

terminatori

Il gene per tp73L codifica per 10 trascritti alternativi, e utilizza 2 promotori e 3 diversi

terminatori della trascrizione

I geni possono essere sovrapposti

I geni possono essere sovrapposti tra loro, nello stesso orientamento o in

orientamento opposto, o anche essere completamente contenuti in altri

geni.

Geni dentro i geniGeni all’interno di altri geni sono descritti per i genomi diorganismi semplici e nei mitocondri

Nei mammiferi sono descritti geni contenuti nei grandi introni di alcuni geni.A differenza dei genomi piu’ semplici in questi casi spesso viene utilizzato il filamento opposto al gene “canonico”

NF1: introne 26 (40Kb) contiene tre piccoli geni (2 esoni) che vengono trascritti dal filamento opposto

GENE EUCARIOTICO

Esempio:

NF1

5’ 3’esone 26 esone 27Introne 26

Filamento di senso

Filamento antisenso 3’ 5’

OGMP2.2KB

EVI2B10 KB

EVI2A4 KB

GENE EUCARIOTICO

Geni dentro i geni

GENE EUCARIOTICO

GENE nei virus

GENE nei virusVITA?

Virus a DNA Virus a RNA

GENE nei virus

GENE nei virus

Geni sovrapposti

Sequenza di DNA …GTTTATGGTA…

Val Tyr Gly … proteina A

Met Val … proteina b

Il genoma è fatto solo di geni?


Anatomia del Genoma Umano

Talvolta la copia di un gene non è funzionale, ovvero non viene trascritta in RNA, o

viene trascritta in un RNA non funzionale. Le copie inattive di un gene vengono dette

pseudogeni.

Gli pseudogeni possono essere classificati in: 1) non processati; 2) processati.

Nel primo caso il gene inattivo è originato dal gene funzionale e contiene la tipica

struttura in esoni ed introni. La copia genica può essere completa o parziale. Gli

pseudogeni di questo tipo si formano con maggiore probabilità nelle regioni

pericentromeriche.

Gli pseudogeni processati sono privi di introni in quanto derivano dalla

retrotrasposizione di mRNA (retropseudogeni). Il numero di copie di retropseudogeni

è correlato al livello di espressione del gene da cui derivano.

Pseudogeni

51

Pseudogeni

La Trascrittasi Inversa codificata da elementi LINE può retrotrascrivere un mRNA in

cDNA che successivamente può essere integrato a caso in un cromosoma. Se sul sito di

inserimento è casualmente presente un promotore il retrogene può essere

eventualmente espresso e diventare funzionale. Normalmente, questo non accade e lo

pseudogene comincia ad accumulare mutazioni casuali che distruggono la ORF

funzionale (frameshifts, codoni di stop).

Pseudogeni

Nel genoma umano sono stati descritti ~8.000 pseudogeni (~5.000 nel genoma deltopo). Il maggior numero di pseudogeni processati deriva da geni per proteineribosomiali; altri gruppi derivano da geni che codificano per proteine che legano il DNAe l’RNA, per molecole strutturali ed enzimi metabolici. Molti pseudogeni derivano dageni a cui non è stata attribuita una funzione.

Oltre al livello di espressione dei geni, altri fattori gene-specifici sono responsabilidell’origine degli pseudogeni, quali la lunghezza o il loro contenuto in G+C.


Il DNA NON CODIFICANTE

RIPETUTO IN TANDEM

MICROSATELLITE, 2-4 bp ripetuti in tandem. Espansionidi triplette sono responsabili di alcune patologie (DistrofiaMiotonica)

MINISATELLITE, monomero 6-64bp, altamente polimorfico.Utilizzato per esami di fingerprint del DNA.Es.DNA telomerico (TTAGGG)

SATELLITE, tipico delle sequenze centromeriche (a-satellite,monomero di 171 bp)

54

Microsatelliti e Minisatelliti

I microsatelliti sono costituiti da unità diripetizione lunghe da 1 a 10 pb, ripetutein tandem 10-20 volte, che formanoraggruppamenti molto corti, <150pb, ditipo (A)n, (CA)n, (CGG)n, ecc.Sono anche detti SSR (simple sequencerepeats). Le ripetizioni possono essereperfette o presentare piccole variazioni.

I minisatelliti sono costituiti da unità piùlunghe (da 11 a 100pb) ripetute intandem 20-50 volte che formanoraggruppamenti di lunghezza fino a 20kb

Gli SSR costituiscono circa il 3% delgenoma umano. Sono molto importantinello studio delle malattie genetiche inquanto mostrano un elevato grado dipolimorfismo nella popolazione umana.

Da: Lander et al. Nature 2001, 409: 860

55

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

INTERSPERSO

SINE, brevi elementi nucleari ripetuti (pseudogene processato di RNA7SL)Alu (300bp, 1.000.000 copie nel genoma umano)MIR (130bp, 400.000 copie nel genoma umano)

LINE, lunghi elementi nucleari ripetuti (retrotrasposoni)L1 (6,1Kb a lunghezza completa, 200.000-500.000 copie)

Retrovirus endogeni, HERV

Elementi simili retroviral tronchi, RTLV e LTR

Trasposoni a DNA, Mariner


Il DNA NON CODIFICANTE

59

Costituite da sequenze di DNA ripetute, disperse in tutto il genoma.Sono definite anche Elementi mobili del DNA, perché derivano da elementitrasponibili (sequenze di DNA che si muovono o sono duplicate da una posizione adun’altra nel genoma)

Porzione non codificante:Ripetizioni intersperse

Classe I o Retrotrasposonisi originano per eventi di retrotrasposizione, attraverso un intermedio ad RNA

• elementi LTR

• LINEs: long interspersed nuclearelements

• SINEs: short interspersed nuclearelements

Classe II o Trasposoni a DNAsi originano attraverso un intermedio a DNA, secondo meccanismo di trasposizione conservativa o replicativa

La caratteristica di tutti i retrotrasposoniè la presenza di brevi ripetizioni direttealle estremità 3’ e 5’ , copia dellasequenza del sito d’integrazione.

Retrotrasposoni

Ripetizioni Intersperse nel Genoma Umano

• LINE (Long interspersed nuclear elements)

– L1, L2, L3 LINE ( ~21% del genoma, ~100,000 copie)

• SINE (Short interspersed nuclear elements)

– Alu (~10,7% del genoma, ~1,200, 000 copie)

– MIR, MIR3 (~3% del genoma, ~500,000 copie)

• Elementi LTR (Long Terminal Repeats)

– ERV, MalR (8% del genoma, ~500,000 copie)

• Transposoni a DNA

– MER1 (Charlie), MER2 (Tigger), others (2,8% del genoma, ~350, 000 copie)

Gli elementi ripetuti interspersi costituiscono cirva il

45% del genoma umano.

Gli elementi LTR o retrotrasposoni virali (6-7kb) presentano analogie con iretrovirus.

Caratteristici degli invertebrati (piante, funghi, insetti) dove sono presenti in grannumero di copie

Elementi Ty in S. cerevisiae mancano del gene env e nonelementi copia in Drosophila possono formare particelle virali

250-600pb

Elementi LTR

63

Gli elementi LINEs o trasposoni non-LTR hanno una lunghezza di circa 6-7kb,

contengono un promotore per l’RNA polimerasi II (derivano da trascritti della

l’RNA pol II), una o due ORF e un segnale di poliadenilazione all’estremità 3’.

•ORF1 codifica per una proteina a funzione ignota ( lega l’RNA?),

•ORF2 codifica per un’enzima che possiede sia un’attività di trascrittasi inversa

(RT), simile a quella dei retrovirus e dei retrotrasposoni virali, che un’attività di

DNA endonucleasi (EN).

Vi sono tre famiglie principali di elementi LINES: L1 (incluse 60-100 copie tuttora

attive e moltissime copie inattive troncate all’estremità 5’); L2 e L3 (inattive). Le

copie attive inserendosi in punti critici del genoma possono inattivare dei geni con

conseguente insorgenza di patologie.

Le LINEs si inseriscono preferibilmente nelle regioni eucromatiche ricche in A+T.

LINEs:long interspersed nuclear elements

RNA binding anche endonucleasipromotore

Pol IIripetizioni

dirette

1. Generazione di un trascritto LINE full-length a partire dal promotore.2. ORF1 e ORF2 vengono tradotte e legano il LINE mRNA.

Meccanismo di trasposizione degli elementi LINEs

5’ 3’orf1orf2

3. Il complesso LINE mRNA/ORF1/ORF2 si sposta nel nucleo, dove l’attivitàendonucleasica di ORF2 taglia il dsDNA. L’estremità libera al 3’ (sul DNA)funge da innesco per la retrotrascrizione a partire dal 3’UTR.

5’ 3’orf1orf2

5’ 3’3’ 5’

Il sito di taglio di ORF1 è TTTT A, e questo spiega l’integrazionepreferenziale nelle regioni genomiche ricche in AT. Dato che la LINE RT hauna bassa processività molte delle copie integrate sono tronche (solo1/100 è completa).

SINEs: short interspersed nuclear elements

Gli elementi SINEs sono elementi non-autonomi, hanno una lunghezza

compresa tra 0.1 e 0.4 kb.

Hanno un promotore (interno) per L’RNA polimerasi III (derivano da trascritti

della l’RNA pol III), e una regione ricca in A all’estremità 3’ ma non contengono

un segnale di poliadenilazione.

Gli elementi SINEs non contengono alcuna ORF codificante per una trascrittasi

inversa, ma sono in grado di trasporre utilizzando la trascrittasi inversa

sintetizzata da altri retroelementi (trasposizione LINEs-dipendente).

BA AAAA SINE

Gli elementi SINEs sono distribuiti ad alta densità nelle regioni ricche in CG del

genoma (isocore H), perché hanno un più elevato contenuto C+G (~57%) rispetto

agli elementi LINEs ( 40%).

Nel genoma dei primati sono presenti tre differenti famiglie di elementi SINEs:

l’elemento Alu, ancora attivo, e gli elementi inattivi MIR e Ther2/MIR3.

L’elemento Alu, il più comune nei primati, è lungo 0,3kb; è presente in circa

1.200.000 di copie nel genoma umano e rappresenta quindi oltre il 10% di tutto il

genoma. Presenta una regione ricca in A/T all’estremità 3’, coinvolta nel

meccanismo di retrotrasposizione.

Le sequenze Alu sono localizzate a monte o a valle dei geni, negli introni, nelle

regioni 5’ e 3’ non tradotte dell’mRNA. Non è noto il loro ruolo funzionale,

nonostante siano molto diffuse nel genoma di tutti i primati.

Le sequenze Alu presentano analogie con l’RNA 7SL, componente di una particella

ribonucleoproteica coinvolta nel meccanismo di secrezione dei polipeptidi di nuova

sintesi attraverso le membrane del reticolo endoplasmatico.

Si ritiene che il primo elemento Alu si è originato per un evento di retrotrascrizione

di una molecola di RNA 7SL e successiva integrazione della copia nel genoma.

SINEs: short interspersed nuclear elements

Meccanismo di retroposizione dell’elemento Alu

Si pensa che il taglio al sito di

inserimento sia opera della L1

endonucleasi

Target-primed reverse

transcription (TPRT) Il promotore pol III è necessario ma non

sufficiente per la trascrizione che richiede

anche sequenze fiancheggianti appropriate.

La maggior parte degli elementi Alu

integrati non è attiva in quanto non viene

integrata in un contesto favorevole e muta

rapidamente sia nelle sequenze CpG che

nella regione ricca in A.

Evoluzione e classificazione degli elementi Alu

da: Batzer and Deininger, Nature Rev. Gen. 3:370380, 2002)

Gli elementi Alu sono classificati in sottofamiglie che si differenziano per l’epoca della loro integrazione nel genoma, dalle

più antiche (Sx, J) alle più recenti (Yc1, etc.).

69

Danni genomici indotti da AluNumerose patologie sono provocate dall'integrazione casuale di Alu

(Neurofibromatosi, haemophilia, sindrome di Apert, ecc.) o da

ricombinazione disuguale (diabete di tipo II, sindrome di Lesch–Nyhan,

malattia di Tay–Sachs, ipercolesterolemia familiare, α-thalassaemia,

ecc.).

70

Trasposoni a DNAI Trasposoni a DNA sono elementi mobili distinti in due categorie:•Trasposoni a DNA che si spostano replicandosi: una copia rimane nel sitooriginale, mentre la nuova copia si inserisce altrove nel genoma

•Trasposoni a DNA che si spostano in maniera conservativa, da un sito all’altrodel genoma senza aumentare il numero di copie

Sono caratterizzati da una sequenza codificante la trasposasi contenente introni,fiancheggiata da ripetizioni terminali invertite, simili a quelle dei trasposoni batterici.

Sono meno comuni negli eucarioti (3% nel genoma umano, raggruppati in 7 classiprincipali) rispetto ai retrotrasposoni.I più noti sono gli Elementi Ac e Ds del granturco, i primi elementi mobili identificatinegli anni 50 da B. McClintock e gli elementi P di Drosophila. Traspongono mediante ilmeccanismo di trasposizione conservativa

Funzione degli elementi ripetuti

• Punti caldi per ricombinazione (duplicazioni, inversioni, traslocazioni;creazione di nuovi geni per shuffling esonici)

• Alterazione della espressione genica in quanto portatori di segnalitrascrizionali (es. promotori e enhancer di LTR; promotori di Alu; siti diterminazione deboli della trascrizione di elementi L1; segnali dipoliadenilazione)

• Presenza in geni per proteine (Le Alu contengono siti criptici di splicing;fonte di domini proteici; contributo a variabilità delle proteine)

• Reclutamento come elementi regolatori (es. BC200 di primati deriva da Alumonomerica)

• Fonte di pseudogeni processati (ritorno in vita come lunghi esoni? Comenuovi geni? )

• Fonte di plasticità del genoma e quindi ruolo attivo nel rimodellamento genomico (riarrangiamenti cromosomici, reshuffling di geni, etc)

Qual è l’origine di tutto questo?Come si sono evoluti i genomi?

Origine ed evoluzione dei genomi

Origine ed evoluzione dei genomiMondo a RNA

Nascita di molecole autoreplicanti

Origine ed evoluzione dei genomiMondo a RNA

Protogenomi a RNA

Compartimentalizzazione

all’interno di membrane

lipidiche

Prime strutture di tipo cellulare

Origine ed evoluzione dei genomiCome si è evoluto il genoma a DNA?

Nascita di enzimi proteici

Origine ed evoluzione dei genomiCome si è evoluto il genoma a DNA?

Trasferimento della funzione codificante dall’RNA

al DNA (chimicamente piu’ stabile)


Primi Genomi a DNA (3,8 miliardi di anni fa)

Ogni molecola di DNA rappresenta un singolo gene

che codifica per una singola proteina

singolo gene

singola proteina

Origine ed evoluzione dei genomiAcquisizione di nuovi geni

1. Duplicazione di alcuni o tutti i geni del genoma

2. Acquisizione di geni da altre specie


Duplicazione di un intero genoma

Genoma duplicato


•Crossing-over disuguale

•Scambio disuguale tra cromatidi fratelli

Duplicazione di geni



Gene A1

Gene A2Gene A1

Duplicazione

Nessuna

pressione

selettiva

Pressione

selettiva

Gene A1 Gene B Divergenza

Nuova funzione

o

Funzione simile


Famiglie geniche


EVOLUZIONE DEI GENI


Riarrangiamento genico

•Duplicazione

dei domini

•Rimescolamento

di domini


Gene

ESONI = MOTIVI PROTEICI

ESONI

N C b b b

Proteinab b

MOTIVI


Acquisizione di geni da altre specie

I retrovirus sono capaci di spostare geni animali

tra individui della stesse specie e tra specie diverse

Il trasferimento di geni tra batteri è un fenomeno comune in natura

che avviene ancora oggi

EVOLUZIONE DEI GENI

Maria C. Rivera & James A. Lake

The ring of life provides evidence for a genome fusion

origin of eukaryotes

NATURE |VOL 431 | 9 SEPTEMBER 2004

Origine ed evoluzione dei genomiINTRONI? UN MISTERO

1. IPOTESI INTRONI ANTICHI: gli introni sono molto antichi

e si stanno gradualmente perdendo nei genomi degli eucarioti

2. IPOTESI INTRONI RECENTI: gli introni si sono evoluti di recente

e si stanno gradualmente accumulando nei genomi degli eucarioti


Teoria esonica dei geni


Le evidenze attuali non inficiano alcuna ipotesi


IL GENOMA UMANO: GLI ULTIMI 5 MILIONI DI ANNI



Uomo – Scimpanzè= 98,5% di omologia?

Usando una statistica corretta,

considerando il numero di misure

fatte, la similitudine si riduce al

96%.

Recenti studi indipendenti hanno

ricalcolato queste percentuali,

ottenendo un range di omologia

compreso tra il 66 e il 76% (in base

al cromosoma)

Recenti studi indipendenti hanno ricalcolato queste percentuali,

ottenendo un range di omologia compreso tra il 66 e il 76% (in base

al cromosoma)

Origine ed evoluzione dei genomiIL GENOMA UMANO: GLI ULTIMI 5 MILIONI DI ANNI



Che cosa ci rende diversi dalle scimmie?



Che cosa ci rende diversi dalle scimmie?

Sottili cambiamenti nei profili di espressione dei geni coinvolti in processi di sviluppo e nella specificazione delle interconnessioni

all’interno del sistema nervoso

why do humans have a high risk of cancer, even though chimps rarely develop the disease? Scientists have looked at brain samples of each species. They found that differences in DNA methylation, may contribute to phenotypic changes. The results also hint that DNA methylation plays an important role for some disease-related phenotypes in humans, including cancer and autism.



Quello che ci rende umani probabilmente non è il genoma umano di per sé,

ma il modo in cui il genoma funziona

struttura e funzione del gene evoluzione dei genomi 15-16/struttura ed ev... · polimorfismo nella...

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