L’INFORMAZIONE GENETICA, ELEMENTO BASILARE: Caratteristiche e alterazioni nei procarioti

IL LEGAME FOSFODIESTERE IL LEGAME FRA NUCLEOTIDI: BASE STRUTTURALE DELL’INFORMAZIONE GENETICA ESTREMITA’ 3’ O- O = P – O – CH2 Adenina O- O H H H H O O = P O- O CH2 Timina 3’ H IL LEGAME FOSFODIESTERE 5’ H H H O ESTREMITA’ 5’

L’APPAIAMENTO DEGLI STRAND: LE BASI COMPLEMENTARI O- O = P O- O CH2 O H H H A:T G:C OH P = O O O- 5’ 3’ 3’ 5’ .

IL CODICE GENETICO UC S CU L CC P CG R AC T GU V GC A GG G UUU F UUC F UUA L UUG L UC S UAU Y UAC Y UAA Stop(Ochre) UAG Stop(Amber) UGU C UGC C UGA Stop(Umber) UGG W CU L CC P CAU H CAC H CAA Q CAG Q CG R AUU I AUC I AUA I AUG M AC T AAU N AAC N AAA K AAG K AGU S AGC S AGA R AGG R GU V GC A GAU D GAC D GAA E GAG E GG G

IL GENE IL GENE PROCARIOTICO E’ COSTITUITO DA UNA SEQUENZA DI TRIPLETTE ADIACENTI IN UN FILAMENTO DI DNA, IN GRADO DI CONTROLLARE LA SINTESI DI UN PRODOTTO SPECIFICO

CLASSIFICAZIONE DEI GENI STRUTTURALI: controllano la sintesi di una proteina enzimatica o strutturale REGOLATORI: controllano la sintesi di una proteina che controlla la trascrizione di uno o più geni agendo su una regione genomica adiacente detta operatore SOPPRESSORI: il loro prodotto sopprime l’espressione di uno o più geni agendo a livello della traduzione MUTATORI: il loro prodotto induce alterazioni strutturali in altri geni

TRASCRIZIONE mRNA TGTTGAACATCGATAATTATCTT 5’ 3’ UGUUGAACAUCG ppp OH UGUUGAACAUCG ACAACTTGTAGCTATTAATAGAA

GENE PROCARIOTICO mRNA Proteina TRASCRIZIONE TRADUZIONE PROMOTORE GENE TERMINATORE STRUTTURALE mRNA TRASCRIZIONE TRADUZIONE Proteina

GENE EUCARIOTICO 1 2 3 4 Trascritto primario Trascritto funzionale PROMOTORE ESONI INTRONI TERMINATORE 1 2 3 4 Trascritto primario AAAAA G TRASCRIZIONE RIELABORAZIONE TRADUZIONE G AAAAA Trascritto funzionale Proteina

LO SPLICING 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 4 TRASCRITTI FUNZIONALI ALTERNATIVI

IL CONTROLLO DELL’ESPRESSIONE GENICA NON TUTTI I PRODOTTI GENICI SONO NECESSARI ALLO STESSO MOMENTO L’ESPRESSIONE PUO’ ESSERE COSTITUTIVA REGOLATA INDUCIBILE REPRIMIBILE

UNITA’ TRASCRIZIONALE (OPERON) COSTITUTIVA TRASCRIZIONE -35 -10 +1 o A B C D E t RNA polimerasi mRNA TRADUZIONE a b g d e PROTEINE

UNITA’ TRASCRIZIONALE (OPERON) INDUCIBILE NESSUNA TRASCRIZIONE RNA polimerasi R o A B C D E t -35 -10 +1 R I TRASCRIZIONE RNA polimerasi o A B C D E t -35 -10 +1 mRNA

UNITA’ TRASCRIZIONALE (OPERON) REPRIMIBILE RNA polimerasi TRASCRIZIONE IR o A B C D E t -35 -10 +1 mRNA IR C NESSUNA TRASCRIZIONE RNA polimerasi IR C o A B C D E t -35 -10 +1

UNITA’ TRASCRIZIONALE (OPERON) A CONTROLLO + RNA polimerasi TRASCRIZIONE AUMENTATA ACT o A B C D E t -35 -10 +1 mRNA ACT E ACT E mRNA RNA polimerasi TRASCRIZIONE NORMALE o A B C D E t -35 -10 +1

IL DNA INVERTIBILE LE VARIAZIONI DI FASE SHIFT DAL FLAGELLO H1 AD H2 IN SALMONELLA H2 H1rep H2pro H1 H1 pro ELEMENTO GENETICO INVERTIBILE DALLA DNA INVERTASI (meccanismo flip_flop) H2 H1rep H2pro H1 H1 pro Trascrizione di H2 e H1rep H2 e H1rep non trascritti Il repressore di H1 blocca la trascrizione Trascrizione di H1

L’IMPIEGO DEL CODICE GENETICO CODON AMINOACIDO FREQUENZA DI UTILIZZO IN E.coli FREQUENZA DI UTILIZZO IN H.sapiens CGG Arg 0,08 0,19 CGA 0,05 0,1 CGU 0,42 0,09 AGA 0,04 0,21 CCG Pro 0,55 0,11 CCA 0,2 0,27 CCU 0,16 0,29 CCC 0,33 UGA Stop 0,3 0,61 UAG 0,17 UAA 0,62 0,22

UTILIZZO DEI CODON E REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICA PROMOTORE GENE 1 GENE2 TERMINATORE mRNA STESSO NUMERO DI COPIE CAI 0,6 tRNA sufficienti CAI 0,1 tRNA limitati PROTEINA 1 PROTEINA 2

IL PATRIMONIO GENETICO DEI PROCARIOTI SITO DI ANCORAGGIO DEL CROMOSOMA ALLA MEMBRANA DNA extracromosomiale Nucleoide

IL PATRIMONIO GENETICO DEI PROCARIOTI GENERALMENTE 1 MOLECOLA CIRCOLARE DI DNA (eccezioni V.cholerae 2 cromosomi e Agrobacterium e Streptomyces cromosoma lineare) MEDIAMENTE 3-6 x 106 bp PESO MOLECOLARE ± 2-4 x 109 Da MOLECOLA SUPERAVVOLTA LUNGHEZZA 1,1 mm

I PLASMIDI IN NUMEROSE SPECIE BATTERICHE SONO PRESENTI MOLECOLE DI DNA PIU’ PICCOLE DEL GENOMA, DOTATE DI CAPACITA’ REPLICATIVA AUTONOMA (PLASMIDI) TALORA IN GRADO DI INTEGRARSI NEL GENOMA (EPISOMI) CHE POSSONO CONFERIRE FENOTIPI RILEVANTI AI BATTERI (VIRULENZA – RESISTENZA)

PLASMIDI ARTIFICIALI: LA BASE DELL’INGEGNERIA GENETICA

PLASMIDI ARTIFICIALI: LA BASE DELL’INGEGNERIA GENETICA

VARIAZIONI FENOTIPICHE FENOMENO ADATTATIVO GRADUALE E REVERSIBILE CUI VA INCONTRO LA MAGGIOR PARTE DELLA POPOLAZIONE IN SEGUITO AD UNA DETERMINATA PRESSIONE AMBIENTALE

MUTAZIONI ALTERAZIONI DELLA SEQUENZA GENICA CHE VENGONO EREDITATE DALLA PROGENIE ORIGINE DELLA VARIABILITA’ BATTERICA ANCESTRALE COMUNE EVENTI MUTAZIONALI EMERGE MUTAZIONE VANTAGGIOSA NUOVI EVENTI MUTAZIONALI

L’AMBIENTE SELEZIONA LE MUTAZIONI FENOTIPO MUTAZIONE VANTAGGIOSA SELEZIONATA STABILMENTE MUTAZIONI GENOTIPICHE PRESSIONE AMBIENTALE

LA FREQUENZA MUTAZIONALE 1/104 – 1/109 PIASTRE CON ANTIBIOTICI DIVERSI PIASTRA SENZA ANTIBIOTICO REPLICA PLATING

MUTAZIONI ADDIZIONALI SOSTITUTIVE DELETIVE Elementi mobli Errori polimerasi (spesso nonsenso) SOSTITUTIVE Errori polimerasi DELETIVE Errori polimerasi Fenomeni di ricombinazione

MUTAZIONI ADDIZIONALI Atgaatagcagacatctgacaattacaatcattgccggcctctcc M N S R H L T I T I I A G L S PROTEINA COMPLETAMENTE ALTERATA AtgaatGagcagacatctgacaattacaatcattgccggcctctccc M N E Q T S D N Y N H C R P L PROTEINA SOPPRESSA AtgaatGGagcagacatctgacaattacaatcattgccggcctctccc M N G A D I - Q L Q S L P A S P PROTEINA CON MUTAZIONE PUNTIFORME AtgaatGGGagcagacatctgacaattacaatcattgccggcctctccc M N G S R H L T I T I I A G L S +1 +2 +3

MUTAZIONI SOSTITUTIVE Atgaattatagacatctgacaattacaatcattgccggcctctcc M N Y R H L T I T I I A G L S PROTEINA NON ALTERATA (MUTAZIONE CONSERVATIVA) AtgaattatagacaCctgacaattacaatcattgccggcctctcc PROTEINA MUTATA (MUTAZIONE DI SENSO) AtgaattatagacaActgacaattacaatcattgccggcctctcc M N Y R Q L T I T I I A G L S PROTEINA SOPPRESSA AtgaattaGagacatctgacaattacaatcattgccggcctctcc M N - R H L T I T I I A G L S

MUTAZIONI E FENOTIPO MUTAZIONI IRRILEVANTI (non vi è sostituzione di amminoacido oppure la sostituzione è conservativa) MUTAZIONI LIEVI (vi è sostituzione di amminoacido non conservativa, ma la proteina mantiene almeno in parte la funzione) MUTAZIONI RILEVANTI (formazione di un prodotto alterato o inattivo o sostanzialmente diverso dall’originale)

MECCANISMI DI MUTAZIONE MUTAZIONE PUNTIFORME CTA/CTC = V/V SILENTE CTA/GTA = V/L CONSERVATIVA CAT/CAA = Q/H NON CONSERVATIVA TAT/TAA = Y/STOP NON SENSO

MECCANISMI DI MUTAZIONE ELEMENTI TRASPONIBILI SEQUENZE DI INSERZIONE TRASPOSONI ALCUNI BATTERIOFAGI TEMPERATI (es. Mu)

MECCANISMI DI MUTAZIONE SEQUENZE DI INSERZIONE SONO UN IMPORTANTE MECCANISMO DI DISORGANIZZAZIONE DELLA SEQUENZA NUCLEOTIDICA, IN CUI UNA SEQUENZA PRESENTE IN UN’ALTRA PARTE DEL GENOMA SI INSERISCE IN UN GENE O NEL SUO PROMOTORE INTERROMPENDOLI O ALTERANDONE LA FUNZIONE. IN MOLTI CASI I SITI DI INSERZIONE NON SONO CASUALI E LE IS SI SPOSTANO IN RISPOSTA A STIMOLI BEN PRECISI. TRASPORTANO IL GENE DI UNA TRASPOSASI E ALLE ESTREMITA’ GLI “INVERTED REPEATS” GENE WILD-TYPE GENE INTERROTTO ESPRESSIONE INTERROTTA O ALTERATA IS IS

MECCANISMI DI MUTAZIONE TRASPOSONI SONO UN IMPORTANTE MECCANISMO DI DISORGANIZZAZIONE DELLA SEQUENZA NUCLEOTIDICA. RISPETTO ALLE IS VEICOLANO GENI DI RILEVANTE INTERESSE PER L’ALTERAZIONE DEL FENOTIPO DEL MUTANTE, COME FATTORI DI RESISTENZA O GENI DI VIRULENZA. INVERTED REPEATS TRASPOSASI GENI DI RESISTENZA O VIRULENZA

MECCANISMO DI TRASPOSIZIONE TRASPOSONI TRASPOSIZIONE CONSERVATIVA L’ELEMENTO TRASPONIBILE SI EXCIDE DAL CROMOSOMA E SI INSERISCE IN UNA NUOVA POSIZIONE SENZA DUPLICARSI SEQUENZA TARGET ELEMENTO TRASPONIBILE

MECCANISMO DI TRASPOSIZIONE ELEMENTO TRASPONIBILE SEQUENZA TARGET LA TRASPOSASI INDUCE IL NICKING DEGLI STRAND L’ELEMENTO TRASPONIBILE SI LEGA AL TARGET SUI DUE STRAND LA POLIMERASI RIPARA LE ZONE SINGLE STRAND DUPLICANDO LE SEQUENZE TARGET

MECCANISMO DI TRASPOSIZIONE TRASPOSIZIONE REPLICATIVA (es. FAGO Mu) ELEMENTO TRASPONIBILE TARGET COINTEGRAZIONE NICKING SIINGLE STRAND DEL TARGET E DI Tn E DUPLICAZIONE DI Tn APPAIAMENTO E RICOMBINAZIONE DI Tn

SCAMBI GENETICI FRA SPECIE N. gonorrhoeae S. enterica P. putida S. dysenteriae N. subflava A. tumefaciens P. mirabilis A. salmonicida Rhizobium leguminosarum V. cholerae P. aeruginosa E. coli H. influenzae K. pneumoniae Azotobacter spp Rhizobium trifolii S. marcescens B. fragilis Rodospirillum rubrum A. calcoaceticus B. subtilis P. fluorescens B. pumilus S. aureus

LA RICOMBINAZIONE GENETICA PROCESSO MEDIANTE IL QUALE DUE MOLECOLE DI DNA REALIZZANO LO SCAMBIO DI REGIONI CON ESTREMITA’ OMOLOGHE ESTREMITA’ OMOLOGHE

TRE PROCESSI DI RICOMBINAZIONE TRASFORMAZIONE (il dna del donatore viene a contatto con il ceppo recettore) CONIUGAZIONE (contatto fisico fra ceppo donatore e ceppo recettore) TRASDUZIONE (il DNA del ceppo donatore è veicolato nel ceppo recettore da un batteriofago temperato)

TRASFORMAZIONE PROTEINA SPECIFICA ASSOCIATA ALLA COMPETENZA CROMOSOMA PROTEINA SPECIFICA ASSOCIATA ALLA COMPETENZA DNA BINDING PROTEIN NUCLEOTIDI NUCLEASI DNA ETEROLOGO 1 2 4 3 RecA

CONIUGAZIONE

CONIUGAZIONE F+ F- F+ PLASMIDE F RETRAZIONE DEL PILO E NICKING DEL PLASMIDE TRASFERIMENTO DI UNO STRAND DA F+ A F- E SINTESI DEGLI STRAND COMPLEMENTARI SEPARAZIONE F+

REPLICAZIONE E TRASFERIMENTO DEL PLASMIDE CONIUGATIVO DONATORE RICEVENTE STRAND RITENUTO STRAND TRASFERITO PRIMER PROTEINE DI MEMBRANA CODIFICATE DAL PLASMIDE PARETI CELLULARI OMP SPECIFICHE DEL RICEVENTE PROTEINA TraI NICKING & UNWINDING DNA POLIMERASI PRIMER

FORMAZIONI DI CEPPI Hfr I PLASMIDI CONIUGATIVI POSSONO ESSERE EPISOMI ED INTEGRARSI NEL CROMOSOMA FAVORENDO LA SUCCESSIVA MOBILIZZAZIONE DEL CROMOSOMA IS oriT CROMOSOMA STABILE RICOMBINAZIONE IS CROMOSOMA MOBILIZZABILE oriT

TRASDUZIONE DUE PROCESSI DISTINTI TRASDUZIONE GENERALIZZATA UN FRAMMENTO DEL DNA DELL’OSPITE, DERIVATO DA UN PUNTO QUALSIASI DEL SUO GENOMA VIENE INCORPORATO NEL GENOMA FAGICO E TRASFERITO TRASDUZIONE SPECIALIZZATA NEL CASO DI ALCUNI FAGI TEMPERATI UNA REGIONE SPECIFICA DEL DNA DELL’OSPITE, IN PROSSIMITA’ DEL PUNTO DI INTEGRAZIONE DEL FAGO, VIENE OCCASIONALMENTE INCORPORATA NEL GENOMA FAGICO E TRASFERITA

TRASDUZIONE GENERALIZZATA CEPPO TRASDOTTO CICLO LITICO FAGO RICOMBINAZIONE FAGI PARTICELLA TRASDUCENTE

TRASDUZIONE SPECIALIZZATA CEPPO LISOGENO CROMOSOMA DNA FAGICO GENE CROMOSOMIALE EVENTO NORMALE EVENTO RARO