Evoluzione del concetto di gene

Da Mendel ai giorni nostri passando per diverse definizioni

Gene = Unita’ dell’informazione genetica,definibile a due livelli, in base a 3 criteri

1. Unita’ di materiale genetico checontrolla l’eredita’ di un carattere

2. Unita’ di ricombinazione3. Unita’ di mutazione STRUTTURALE

FUNZIONALE

Teoria perle di una collana, considerate comeunità indivisibili

Fino al 1940

Gene = Unita’ di funzione = Unita’ di informazione genetica che controlla

la sintesi di una catena polipeptidica

Gene suddivisibile sia per ricombinazione che per mutazione

Unita’ di struttura =singola coppia di nucleotidi

un gene mutante = un blocco metabolico (Garrod, 1900)

un gene = un enzima (Beadle e Tatum, 1942)

un gene = una catena polipeptidica

Archibald Garrod (1902)I geni possono controllare le reazioni metaboliche

Alcune malattie ereditarie umane dovute a mutazionirecessive consistono in difetti metabolici

es. fenilchetonuria (allele autosomico recessivo)incapacità di convertire la fenilalanina in tirosina. La

fenilalanina si accumula nei tessuti e si trasforma in uncomposto tossico, l’acido fenilpiruvico

Fenilalanina

Tirosina

Melanina

Acido omogentisinico (HA)

Alcaptonuria

CO2+ H2O

Albinismo

fenilchetonuria

Ipotesi un gene-un enzima

Beadle e Tatum (anni ‘40)

indussero vari tipi di mutanti auxotrofi di Neurosporacon raggi X (es met-, arg-, gli- etc.)

Queste richieste auxotrofiche venivano ereditate comemutazioni in un singolo gene

Beadle e Tatum studiarono i mutanti cherichiedevano arginina (arg-) e mapparono i genicorrispondenti. Trovarono tre diversi geni arg :arg1, arg2 e arg3

I mutanti arg1-, arg2- e arg3- differivano per larisposta a due sostanze chimiche simili all’arginina:l’ornitina e la citrullina

i mutanti arg1- crescevano in presenza di argininaoppure di ornitina o di citrullina

i mutanti arg2- crescevano in presenza o di argininao di citrullina

i mutanti arg3- crescevano solo in presenza di arginina

ornitina citrullina arginina

All’epoca si sapeva già che all’internodella cellula sostanze chimiche simili

possono essere convertite una nell’altradagli enzimi

Beadle e Tatum ipotizzarono che ad opera di enzimi unprecursore potesse essere convertito in ornitina che a suavolta poteva essere convertita in citrullina e infine inarginina

Beadle e Tatum proposero il seguente modellobiochimico per la sintesi dell’arginina:

precursore ornitina citrullina argininaenzima X enzima Y enzima Z

Beadle e Tatum ipotizzarono che nei mutanti arg1 fossedifettivo l’enzima che converte il precursore in ornitina, neimutanti arg2 l’enzima che converte l’ornitina in citrullina e neimutanti arg3 l’enzima che converte la citrullina in arginina

precursore ornitina citrullina argininaenzima X enzima Y enzima Z

arg1+ arg2+ arg3+

Fornendo ai mutanti una sostanzadopo il blocco si può avere la sintesi

dell’arginina.

precursore ornitina citrullina argininaenzima X enzima Y enzima Z

arg1- arg2+ arg3+

precursore ornitina citrullina argininaenzima X enzima Y enzima Z

arg1+ arg2+ arg3-

precursore ornitina citrullina argininaenzima X enzima Y enzima Z

arg1+ arg2- arg3+

Epistasi :Più geni influenzano un carattere

L’allelle di un gene domina sugli altri geni

Colore dell’occhio in Drosophila:

Precursorebianco

Enzima w

Precursoremarrone

Enzima bw

rosso

Occhio bianco Occhio marrone

white è epistatico su brown

Sulla base dei risultati ottenuti Beadle e Tatum formularono

l’ipotesi “UN GENE-UN ENZIMA” ovveroi geni sono responsabili della produzione

degli enzimi

Successivamente Ingram (1957, studi sull’emoglobina)dimostrò che i geni sono responsabili della produzione

delle proteine (e non solo degli enzimi)

Ingram nel 1957 determinò la sequenza dell’emoglobinanormale e di quella presente in pazienti omozigoti per il

gene mutante che causa l’anemia a cellule falciformi(recessivo autosomico)

Nell’Emoglobina S nella posizione 6 c’è una valina al postodell’acido glutammico

Una mutazione in un gene determina la sostituzione di unsingolo amminoacido

I geni determinano la struttura primaria, cioèla sequenza di aminoacidi, delle proteine,

Le proteine sono macromolecole composte di aminoacidilegati in una struttura lineare: la catena polipetidica

“Un gene – una catena polipeptidica”

“un gene-un enzima”

Ma

Non più

Colinearità tra gene e proteina

Yanofsky mappò alcune mutazioni all’interno delgene della triptofano sintetasi di Escherichia colied esaminò le proteine prodotte dai mutanti

La sequenza lineare dei nucleotidi in un gene determina la sequenza lineare degli aminoacidi

nella proteina corrispondente

Yanofsky osservò che l’ordine delle mutazioni sul genecorrispondeva all’ordine degli aminoacidi mutati

nelle proteine

Come fanno i geni (cioè il DNA)a controllare

la sequenza delle proteine?

Pertanto dimostrò la colinearità tra i geni e

le proteine corrispondenti

La trascrizione è il processo con cui l’informazione ereditariaviene trasferita dal DNA all’RNA. La traduzione è il processocon cui l’informazione viene trasferita dall’RNA alle proteine

trascrizione traduzione

Trascrizione: RNA polimerasi e mRNA

Traduzione: mRNA, ribosomi, tRNAs

L’RNA

E’ una catena polinucleotidica asingolo filamento in cui è presente

lo zucchero ribosio al posto deldesossiribosio e l’Uracile al posto

della Timina

Viene copiata solo una delle due eliche del DNA

La trascrizione

I promotori sono sequenze a monte dei geni chedefiniscono dove deve iniziare la trascrizione.

I terminatori indicano dove deve terminare latrascrizione

La trascrizione viene effettuata dallaRNA polimerasi

• RNA polimerasi I per la sintesi dell’RNA ribosomale (rRNA)

• RNA polimerasi II per la sintesi dell’RNA messaggero (mRNA)• RNA polimerasi III per la sintesi dell’RNA transfer (tRNA)

Negli eucarioti ci sono 3 diverse RNA polimerasi:

Nei procarioti esiste solo una RNA polimerasi che trascrivetutti i geni

Struttura di un mRNA sia eucariotico che procariotico

Negli eucarioti, prima di passare nelcitoplasma, l’RNA deve essere

modificato mediante una serie di eventinoti come processo di maturazione

dell’RNA

- Aggiunta del cappuccio al 5’ (guanina + 2 gruppi metilici(sito di inizio traduzione)

- Processamento degli introni

- Aggiunta coda poli-A al 3’

Dall’RNA devono essere allontanate le sequenze introniche conun processo chiamato “splicing”

La decifrazione delcodice genetico

Come si passa da una sequenza di nucleotidi alla sequenza di aminoacidi di una proteina

formula di un aminoacido H2N-CHR-COOH

esistono 20 aa ciascuno con un diverso gruppo R

Numero di nucleotidi che specificano un aminoacido

4 basi azotate (A,T,C,G) e 20 aminoacidi. Un codice di duenucleotidi genererebbe solo 16 (42) “parole” diverse.

Un codice a triplette porta alla formazione di 64 (43)“parole”

più di una tripletta deve specificare per una datoaminoacido (il codice è degenerato)

Dato che gli aminoacidi sono 20

Il codice genetico

Non si legge a sovrapposizione.

Esame di proteine mutate: una mutazione altera solo unaminoacido per volta in una data regione della proteina.

Se il codice fosse a sovrapposizioni la sostituzione di unasingola base potrebbe cambiare fino a tre aminoacidi

adiacenti nella sequenza della proteina

GTT ACT TTCaa1

aa2aa3

GTC ACT TTCaa1

aa2aa3

seT muta a C

Sintesi di mRNA poliU perdare significato allatripletta UUU

Costruzione di mini mRNAdi tre nucleotidi

Il codice genetico è stato decifratousando vari sistemi di sintesi proteicain vitro

è letto a triplette senza sovrapposizioni

più codoni possono specificare lo stesso aminoacido (ilcodice è degenerato)

esiste un codone di inizio AUG che codifica per lametionina (se inserita all’inizio è formilata nei procarioti)

esistono tre codoni di stop: UAG UGAe UAA

è universale

Caratteristiche del codice genetico

La sintesi proteica

Principali elementi cellulari coinvolti:

i ribosomi

l’mRNA

i tRNA

I geni per l’RNA ribosomale e per gli RNA transfernon codificano per proteine, ma per molecole di RNAche hanno un ruolo strutturale.

L’RNA ribosomale insieme alle proteine ribosomalicostituisce i ribosomi (organelli deputati alla sintesidelle proteine)

L’RNA transfer porta gli amminoacidi ai ribosomi persintetizzare le proteine

sito di legame dell’amminoacido

sito di riconoscimento delcodone (alanina)

Struttura a trifoglio del tRNA

Esistono meno di 64 tRNA perchè in alcuni casi lostesso tRNA può leggere più di un codone che

codifica per lo stesso amminoacido

Ciò è possibile per il vacillamento (oscillazione)

della terza base dell’anticodone

I ribosomi

Inizio della traduzioneUn ribosoma si attacca alla molecola di mRNA in corrispondenza dellatripletta di inizio AUG. Su questo codone AUG si lega il tRNA conl’anticodone corrispondente che porta la metionina (N-formil metioninanei procarioti)

Sintesi della proteinaEntra il tRNA corrispondente al secondo codone e si forma il legamepeptidico (peptidil-transferasi) tra la metionina iniziale e il secondoaminoacido. Il ribosoma si sposta sull’mRNA permettendo che una solatripletta alla volta sia disponibile all’attacco col tRNA specifico. Manmano che il ribosoma si sposta si ha l’allungamento della catenaproteica

Termine della traduzioneQuando il ribosoma raggiunge le triplette di stop (UAG,UAA,UGA) sistacca dall’mRNA e la catena polipetidica viene rilasciata