David Sadava David M Hillis H Craig Heller

David Sadava, David M. Hillis, H. Craig Heller, May R. Berenbaum La nuova biologia. blu PLUS Genetica, DNA, biotecnologie 2

Capitolo B 4 La regolazione genica e lo sviluppo embrionale 3 Sadava et al. La nuova biologia. blu PLUS © Zanichelli 2019

Le sequenze genomiche /1 Nel genoma di un organismo esistono varie parti, caratterizzate da funzioni diverse: • regioni codificanti dei geni; • sequenze amminoacidiche delle proteine; • sequenze regolatorie; • geni per RNA; • sequenze non codificanti. 4 Sadava et al. La nuova biologia. blu PLUS © Zanichelli 2019

Le sequenze genomiche /2 La genomica funzionale sfrutta le informazioni di sequenza per identificare le funzioni delle varie parti del genoma. La genomica comparativa si occupa di confrontare genomi sequenziati tra diversi organismi. 5 Sadava et al. La nuova biologia. blu PLUS © Zanichelli 2019

I trasposoni sono sequenze in grado di spostarsi nel genoma secondo meccanismi «taglia e cuci» o «copia e incolla» . 6 Sadava et al. La nuova biologia. blu PLUS © Zanichelli 2019

Il genoma procariotico I genomi procariotici presentano delle differenze rispetto a quelli eucariotici: • sono più piccoli; • sono molto compatti; • spesso contengono plasmidi. I batteri non possiedono un nucleo delimitato e le attività metaboliche avvengono nel citoplasma. 7 Sadava et al. La nuova biologia. blu PLUS © Zanichelli 2019

L’operone Un operone regola l’espressione genica nei batteri e comprende: • uno o più geni strutturali; • un tratto di DNA promotore; • un operatore a cui si lega il repressore. 8 Sadava et al. La nuova biologia. blu PLUS © Zanichelli 2019

Operoni inducibili: l’operone lac Gli operoni lac regolano le vie cataboliche il cui substrato funziona da induttore. 9 Sadava et al. La nuova biologia. blu PLUS © Zanichelli 2019

Operoni reprimibili: l’operone trp Gli operoni trp regolano le vie anaboliche il cui substrato funziona da corepressore. Sadava et al. La nuova biologia. blu PLUS © Zanichelli 2019 10

Il genoma eucariotico presenta le seguenti caratteristiche: è più grande di quello dei procarioti; è organizzato in cromosomi; possiede i telomeri; contiene sequenze ripetitive; possiede molti geni interrotti; contiene sequenze regolatrici; trascrizione e traduzione avvengono in ambienti separati. 11 Sadava et al. La nuova biologia. blu PLUS © Zanichelli 2019

Il DNA eucariotico è complesso 12 Sadava et al. La nuova biologia. blu PLUS © Zanichelli 2019

Le sequenze ripetute Il genoma degli eucarioti contiene sequenze ripetitive, che non codificano proteine: sequenze altamente ripetitive, che non sono mai trascritte; sequenze moderatamente ripetitive, che codificano per i t. RNA e gli r. RNA; trasposoni, sequenze mobili che si spostano nel genoma. 13 Sadava et al. La nuova biologia. blu PLUS © Zanichelli 2019

I geni interrotti e lo splicing I geni sono formati da sequenze codificanti, gli esoni, e sequenze non codificanti, gli introni. Il processo di rimozione degli introni e di saldatura degli esoni si chiama splicing dell’RNA. Sadava et al. La nuova biologia. blu PLUS © Zanichelli 2019 14

Il controllo dell’espressione genica L’espressione genica viene regolata in diversi momenti: prima della trascrizione o traduzione; durante la trascrizione o traduzione; dopo la trascrizione o traduzione; e in ambienti cellulari differenti: o nel nucleo; o nel citoplasma. 15 Sadava et al. La nuova biologia. blu PLUS © Zanichelli 2019

Il rimodellamento della cromatina Prima che inizi la trascrizione, avviene un rimodellamento della cromatina. 16 Sadava et al. La nuova biologia. blu PLUS © Zanichelli 2019

Meccanismi di regolazione sull’intero cromosoma In un nucleo in interfase si distinguono due tipi di cromatina: l’eucromatina, contenente il DNA che viene abitualmente trascritto; l’eterocromatina, che contiene geni o cromosomi inattivi. 17 Sadava et al. La nuova biologia. blu PLUS © Zanichelli 2019

Il cromosoma X inattivo nei mammiferi è un esempio di eterocromatica e si presenta sottoforma di corpo di Barr. 18 Sadava et al. La nuova biologia. blu PLUS © Zanichelli 2019

La trascrizione differenziale Tutti i tessuti dell’organismo contengono lo stesso materiale genetico. Tuttavia cellule di tessuti differenti hanno bisogno di differenziare la loro espressione genica per produrre proteine diverse. Esistono però dei geni, detti housekeeping, che vengono espressi da tutte le cellule dell’organismo. 19 Sadava et al. La nuova biologia. blu PLUS © Zanichelli 2019

I fattori di trascrizione La trascrizione del genoma è attivata da fattori di trascrizione proteici che si legano al promotore. 20 Sadava et al. La nuova biologia. blu PLUS © Zanichelli 2019

Le sequenze regolatrici Esistono sequenze con funzioni regolativi sulla trascrizione: gli intensificatori o enhancers, che legano i fattori di trascrizione e stimolano l’attività del complesso di trascrizione; i silenziatori o silencers, che arrestano la trascrizione in seguito al legame con specifici repressori proteici. 21 Sadava et al. La nuova biologia. blu PLUS © Zanichelli 2019

L’amplificazione genica selettiva produce più copie di un gene così da aumentarne la velocità di trascrizione. Un esempio è il gruppo di geni che codifica per gli r. RNA. 22 Sadava et al. La nuova biologia. blu PLUS © Zanichelli 2019

Lo splicing alternativo permette di ottenere proteine diverse a partire dallo stesso pre-m. RNA. 23 Sadava et al. La nuova biologia. blu PLUS © Zanichelli 2019

La regolazione dopo la trascrizione I meccanismi di regolazione che controllanoil livello di proteina prodotta o da produrre possono essere: traduzionali come i micro. RNA; post-traduzionali, come l’ubiquitina e i proteosomi. 24 Sadava et al. La nuova biologia. blu PLUS © Zanichelli 2019

La regolazione genica nello sviluppo embrionale Durante la vita embrionale, le cellule vanno incontro a: proliferazione per mitosi; differenziamento, le cellule assumono specifiche funzioni mantenendo lo stesso corredo genetico; morfogenesi, le cellule si organizzano in organi e apparati; apoptosi, la morte programmata delle cellule. 25 Sadava et al. La nuova biologia. blu PLUS © Zanichelli 2019

I geni dello sviluppo in Drosophila La drosofila presenta un piano corporeo caratterizzato dalla ripetizione di segmenti molto diversi. Per determinare ciascun segmento durante lo sviluppo è necessaria una cascata di espressione di diverse classi di geni: geni a effetto materno; geni per la segmentazione; geni omeotici o Hox. 26 Sadava et al. La nuova biologia. blu PLUS © Zanichelli 2019

I geni a effetto materno determinano la posizione di testa e coda. 27 Sadava et al. La nuova biologia. blu PLUS © Zanichelli 2019

I geni per la segmentazione determinano il numero e la posizione dei segmenti. 28 Sadava et al. La nuova biologia. blu PLUS © Zanichelli 2019

I geni omeotici controllano l’identità di ogni segmento. 29 Sadava et al. La nuova biologia. blu PLUS © Zanichelli 2019

Che cosa sono i virus I virus sono parassiti intracellulari obbligati incapaci di riprodursi al di fuori di una cellula. Quando un virus incontra una cellula adatta, le aderisce e introduce all’interno il proprio genoma, con il quale prende il controllo della cellula ospite. 30 Sadava et al. La nuova biologia. blu PLUS © Zanichelli 2019

La struttura dei virus Un virione è formato da un capside proteico dentro al quale è contenuta una molecola di materiale genetico (DNA o RNA) che può essere a singolo o doppio filamento. Membrana plasmatica Proteine Capside Materiale genetico 31 Sadava et al. La nuova biologia. blu PLUS © Zanichelli 2019

Il ciclo vitale dei virus 32 Sadava et al. La nuova biologia. blu PLUS © Zanichelli 2019

Virus a RNA e DNA I virus a DNA degli animali compiono un ciclo litico simile a quello dei fagi. I virus a RNA possono comportarsi come il virus dell’influenza, in cui RNA è trascritto in m. RNA e poi tradotto in proteine, oppure come i retrovirus, il cui RNA è convertito in DNA e poi in m. RNA da tradurre. 33 Sadava et al. La nuova biologia. blu PLUS © Zanichelli 2019