Biologia.blu B - Le basi molecolari della vita e dell’evoluzione David Sadava, H. Craig Heller, Gordon H. Orians, William K. Purves, David M. Hillis Biologia.blu B - Le basi molecolari della vita e dell’evoluzione 1 1

La regolazione genica negli eucarioti 2 Sadava et al. Biologia.blu © Zanichelli editore, 2012 2

I genomi eucariotico e procariotico Eucarioti e procarioti condividono le stesse basi genetiche, ma ci sono importanti differenze che distinguono il loro materiale genetico. 3 Sadava et al. Biologia.blu © Zanichelli editore, 2012 3

Il genoma eucariotico È più grande di quello dei procarioti (contenuto aploide). È organizzato in cromosomi. Possiede i telomeri. Contiene sequenze ripetitive. Possiede molti geni interrotti. Trascrizione e traduzione avvengono in ambienti separati. Contiene sequenze regolatrici. 4 Sadava et al. Biologia.blu © Zanichelli editore, 2012 4

I compartimenti del materiale genetico La trascrizione dei geni avviene nel nucleo, dove viene sintetizzato l’mRNA. La traduzione dell’mRNA avviene, invece, nel citoplasma. 5 Sadava et al. Biologia.blu © Zanichelli editore, 2012 5

Le sequenze ripetitive 6 Sadava et al. Biologia.blu © Zanichelli editore, 2012 Il genoma degli eucarioti contiene sequenze ripetitive, che non codificano proteine: sequenze altamente ripetitive sequenze moderatamente ripetitive trasposoni Le sequenze ripetitive Trasposone a DNA 6

La struttura di un gene eucariotico I geni sono formati da sequenze codificanti, gli esoni, e sequenze non codificanti, gli introni. I geni contengono anche sequenze regolatrici, come il promotore e il terminatore, che controllano il processo di trascrizione. 7 Sadava et al. Biologia.blu © Zanichelli editore, 2012 7

Lo splicing elimina gli introni Prima di lasciare il nucleo, l’mRNA viene modificato. Lo spliceosoma «taglia e cuce» il trascritto primario di mRNA per produrre un mRNA maturo. 8 Sadava et al. Biologia.blu © Zanichelli editore, 2012 8

Una famiglia genica: la globina Nel corso dell’evoluzione le copie di uno stesso gene possono subire mutazioni diverse. Questo dà origine a un gruppo di geni affini, definito famiglia genica, che comprende anche degli pseudogeni non funzionanti. 9 Sadava et al. Biologia.blu © Zanichelli editore, 2012 9

Il controllo dell’espressione genica L’espressione genica può essere regolata in diversi momenti (prima, durante e dopo la trascrizione e la traduzione) e in ambienti cellulari differenti (nel nucleo o nel citoplasma). 10 Sadava et al. Biologia.blu © Zanichelli editore, 2012 10

La regolazione prima della trascrizione Prima che inizi la trascrizione, avviene un rimodellamento della cromatina. I nucleosomi si disgregano, rendendo possibile il legame del complesso di trascrizione al DNA. 11 Sadava et al. Biologia.blu © Zanichelli editore, 2012 11

La regolazione durante la trascrizione: trascrizione differenziale Tutti i tessuti dell’organismo contengono lo stesso materiale genetico. Le cellule del cervello hanno un metabolismo diverso da quello delle cellule del fegato e perciò 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. 12 Sadava et al. Biologia.blu © Zanichelli editore, 2012 12

La regolazione durante la trascrizione: fattori di trascrizione I fattori di trascrizione sono proteine che determinano se e quando l’RNA polimerasi trascrive il DNA, riconoscendo nel gene le sequenze di regolazione. 13 Sadava et al. Biologia.blu © Zanichelli editore, 2012 13

La regolazione durante la trascrizione: coordinazione fra geni La coordinazione dell’espressione di più geni avviene grazie a un singolo segnale ambientale, che induce la sintesi di una proteina regolatrice della trascrizione. 14 Sadava et al. Biologia.blu © Zanichelli editore, 2012 14

La regolazione durante la trascrizione: amplificazione genica Quando il prodotto di un gene è richiesto in quantità elevate, come accade per i geni dell’rRNA, è necessario avere più copie dello stesso gene per aumentare la velocità di trascrizione: questo processo è definito amplificazione genica. 15 Sadava et al. Biologia.blu © Zanichelli editore, 2012 15

La regolazione durante la trascrizione: splicing alternativo In tessuti diversi, il gene della tropomiosina va incontro a splicing alternativo, dando origine a cinque forme differenti della proteina. 16 Sadava et al. Biologia.blu © Zanichelli editore, 2012 16

La regolazione dopo la trascrizione I meccanismi di regolazione possono essere traduzionali oppure post-traduzionali, in entrambi i casi viene controllato il livello di proteina prodotta o da produrre. 17 Sadava et al. Biologia.blu © Zanichelli editore, 2012 17

nello sviluppo embrionale La regolazione genica nello sviluppo embrionale Durante la vita embrionale, le cellule vanno incontro a: proliferazione per mitosi; differenziamento, le cellule assumono specifiche funzioni ma mantengono lo stesso corredo genetico; morfogenesi, le cellule si organizzano in organi e apparati; apoptosi, la morte programmata delle cellule. 18 Sadava et al. Biologia.blu © Zanichelli editore, 2012 18

I geni a effetto materno L’espressione in sequenza di diversi fattori di trascrizione determina l’organizzazione dei segmenti del corpo di Drosophila: i geni a effetto materno determinano la posizione di testa e coda. 19 Sadava et al. Biologia.blu © Zanichelli editore, 2012 19

I geni per la segmentazione L’espressione in sequenza di diversi fattori di trascrizione determina l’organizzazione dei segmenti del corpo di Drosophila: i geni per la segmentazione determinano il numero e la posizione dei segmenti. 20 Sadava et al. Biologia.blu © Zanichelli editore, 2012 20

I geni omeotici L’espressione in sequenza di diversi fattori di trascrizione determina l’organizzazione dei segmenti del corpo di Drosophila: i geni omeotici controllano l’identità di ogni segmento. 21 Sadava et al. Biologia.blu © Zanichelli editore, 2012 21

La versatilità del genoma eucariotico: la produzione degli anticorpi Per produrre le combinazioni di anticorpi necessarie a difendere l’organismo, è necessario un meccanismo che produca molti anticorpi diversi fra loro. 22 Sadava et al. Biologia.blu © Zanichelli editore, 2012 22

La diversità degli anticorpi è prodotta dalla riorganizzazione del DNA La porzione di anticorpo che lega l’antigene è codificata da un gene che va incontro a riarrangiamento e splicing, per garantire al prodotto genico una grande variabilità. 23 Sadava et al. Biologia.blu © Zanichelli editore, 2012 23