Il Genoma Umano ca 1013 cellule/individuo. Ciascuna con un genoma nucleare e molti genomi mitocondriali. Il genoma nucleare è composto da ca 4x109 coppie di basi, suddivise in 23 coppie di molecole lineari: i cromosomi. Il più piccolo contiene ca. 50.000.000 di nucleotidi, il più grande ca. 250.000.000.

Progetti Genoma: Perchè? La Biologia Moderna Progetti Genoma: Perchè? La determinazione e la conoscenza dell’intera sequenza genomica sembrano essere la condizione necessaria per comprendere la completa biologia di un determinato organismo

In che modo? Sequenziamento del DNA significa determinazione della sequenza lineare delle basi che lo compongono, cioè A, T, C e G. Il DNA umano è composto da 3.12 miliardi di paia di basi

La Biologia Moderna: i Progetti Genoma Un requisito essenziale alla comprensione della biologia completa di un organismo è la determinazione della sequenza del suo intero genoma “A prerequisite to understanding the complete biology of an organism is the determination of its entire genome sequence” Fleischmann et al. 1995

2000-2001 Il Genoma Umano completamente sequenziato e assemblato

LE TAPPE DEL PROGETTO GENOMA 1953 James Watson e Francis Crick determinano la struttura del DNA (La doppia elica) 1977 Gli scienziati americani Allan Maxam and Walter Gilbert e l'inglese Frederick Sanger mettono a punto 2 diversi metodi per sequenziare il DNA, cioè per "leggere" la successione di basi nucleotidiche che lo compongono. Il metodo di Sanger, oggi automatizzato, è quello tuttora utilizzato. 1985 Lo scienziato americano Kary Mullis inventa la PCR, una tecnica che permette di moltiplicare artificialmente il DNA, anche se presente in quantità minima. 1986Il premio Nobel Renato Dulbecco e Leroy Hood lanciano l'idea di sequenziare l'intero genoma Umano. 1990 Negli Stati Uniti nasce ufficialmente lo Human Genome Project (HGP), sotto la guida di James Watson. Negli anni successivi Regno Unito, Giappone, Francia, Germania, Cina si uniscono al progetto formando un consorzio pubblico internazionale. In Italia il progetto genoma nasce nel 1987 ma si interrompe nel 1995. 1992 Craig Venter lascia l'NIH e il progetto pubblico. Fonderà una compagnia privata, la Celera Genomics, portando avanti un progetto genoma parallelo. 1993 Francis Collins e John Sulston diventano direttori rispettivamente del National Human Genome Research Center negli USA e del Sanger Center in Inghilterra, i 2 principali centri coinvolti nel HGP.

Celera Genomics (Applera, Applied Biosystems) 1999 (Dicembre) Pubblicata su Nature la sequenza completa del cromosoma 22. 2000 (Maggio) pubblicata su Nature la sequenza completa del cromosoma 21. 2000 (Giugno) Francis Collins e Craig Venter annunciano congiuntamente di aver completato la "bozza" del genoma Umano. 2001 La bozza completa del genoma umano (che gli inglesi chiamano working draft) è pubblicata su Nature (quella del consorzio pubblico) e su Science (quella della Celera). Celera Genomics (Applera, Applied Biosystems) Istituzioni pubbliche in: USA, UK, China Francia Germania

Il genoma di un virus è composto da poche migliaia di bp   Dimensioni del Genoma in Megabasi Procarioti Mycoplasma genitalium 0.58 Haemophilus influenzae 1.83 Escherichia coli 4.7 Eucarioti Saccharomyces cerevisiae 13.5 Caenorabditis elegans 100 Drosophila melanogaster 165 Homo sapiens 3300

Geni e sequenze associate Il DNA spazzatura è veramente tale? Genoma Umano >3.000.000.000 Geni e sequenze associate circa 900.000.000 DNA extragenico circa 2.100.000.000 Codificante 90 .000.000 Non codificante 810.000.000 DNA ripetitivo 420.000.000 DNA unico e a basso numero di copie 1.680.000.000 Pseudogeni Introni Regioni di controllo Ripetuto in tandem Satellite Minisatelliti Microsatelliti Disperso SINE LINE Retroposoni Il DNA spazzatura è veramente tale?

1-Geni 2-pseudogeni 3-ripetizioni 4-minisatelliti 5-significato ignoto

GENI E SEQUENZE CORRELATE -DNA codificante -DNA non codificante

Funzione dei geni negli eucarioti superiori Geni che codificano per prodotti proteici; Geni che codificano per RNA non codificanti (RNA-genes).

I geni possono essere classificati, oltre che per la funzione, anche per la rappresentatività e per l’organizzazione Geni singoli Geni ripetuti Geni appartenenti a famiglie Geni in clusters Geni interspersi nel genoma

CONVENZIONALI: gene inattivato a causa di una o più mutazioni PSEUDOGENI: copia non funzionante di un gene CONVENZIONALI: gene inattivato a causa di una o più mutazioni MATURATI: anomala espressione genica

A. DNA RIPETUTO IN TANDEM Il genoma nucleare contiene una grande quantità di sequenze ripetute che sono in gran parte inattive da un punto di vista trascrizionale A. DNA RIPETUTO IN TANDEM B: DNA RIPETTUTO INTERSPERSO

Classi principali del DNA ripetuto in tandem Il DNA satellite è lungo e ripetitivo (riptetizioni di 171 nucletidi) e costitutisce la massa principale dell’eterocromatina. E’ il cosiddetto DNA alfoide o satellite a, 3-5%  ogni cromosoma. Funzione poco chiara, probabilmente svolgono un ruolo strutturale. Satellite 2 e 3 contengono schiere di sequenze che si basano sulla ripetizione in tandem ATTCC Il DNA minisatellite è ipervariabile ed è altamente polimorfico. Sono più di 1000 scheramenti (100-20.000 bp) di corte unità ripetute in tandem. La sequenza centrale è GGGCAGGAXG Importante da punto di vista diagnostico: zona del DNA fingerprint. Un minisatellite particolare è costituito dall’unità ripetuta TTAGGG (10-15 kb), localizzato nei telomeri. Ha funzione protettiva dei cromosomi. Il DNA microsatellite contine sequenze di 1-4 nucletidi ripetuti in tutto il genoma. Le più comuni sono le dinucletidiche CA (0.5% del genoma; anche questo è altamente polimorfico.

Organizzazione dei DNA satelliti nei centromeri

DNA RIPETUTO INTERSPERSO Viene suddiviso in due principali famiglie: Short Interspersed Nucleotide Elements; Long Interspersed Nucleotide Elements

Il DNA mitocondriale 0.0005% del genoma umano doppio filamento a diversa composizione: filamento heavy (H) e light (L) - contiene 37 geni, 28 su filamento H e 9 su filamento L dei 37 geni, 24 codificano per prodotti maturi ad RNA e 13 per polipeptidi dei complessi multimerici del mitocondrio (concetto di semiautonomia) i geni sono estremamente compatti: privi di introni sovrapposti parzialmente (subunita’ 6 e 8 dell’ATPasi) trascritti privi di codoni di stop - eredita’ matroclina

b-globin (chromosome 11) Exon 3 Exon 1 Exon 2 a globin 6*104 bp 7 11 16 mitochondria 5 8 9 10 19 20 12 13 15 17 14 18 21 22 Y .016 72 66 45 48 51 104 88 86 3.2*109 bp 148 118 107 100 163 143 140 142 176 163 148 221 279 197 198 Myoglobin *5.000 251 a globin b-globin (chromosome 11) 6*104 bp *20 Exon 1 Exon 3 Exon 2 3*103 bp 5’ flanking 3’ flanking *103 DNA: ATTGCCATGTCGATAATTGGACTATTTGGA 30 bp Protein: aa aa aa aa aa aa aa aa aa aa