Fisiopatologia Prof. Gerolama Condorelli Dipartimento di Biologia e Patologia Cellulare e Molecolare “L. Califano” e-mail: gecondor@unina.it

Argomenti: DNA, RNA, Malattie genetiche Danno cellulare, Necrosi e apoptosi Caratteristiche e classificazione degli ormoni Trasduzione del segnale Il cancro Il sistema immune L’aterosclerosi Le cellule staminali

Date di esami: 5 appelli Gennaio Febbraio Giugno Luglio Settembre

Patologia: Lo studio (logos) della sofferenza (pathos). Definizioni: Patologia: Lo studio (logos) della sofferenza (pathos). É la disciplina che collega la scienza di base alla medicina clinica. Studio delle modificazioni funzionali alla base delle malattie.

Definizioni: Patologia generale: Studia le cause (eziologia) ed i meccanismi (patogenesi) che danno origine alle manifestazioni cliniche. Fisiopatologia: (Patologia sistemica) studia le alterazioni della funzione degli organi specializzati. Anatomia patologica: studia le alterazioni morfologiche e biochimiche di cellule, tessuti ed organi

Diversi livelli di organizzazione: Cellule- tessuto- organo- apparato-Organismo

E’ possibile individuare più di 200 tipi cellulari distinti

Tutte le cellule hanno lo stesso patrimonio genetico che risiede nel DNA

Il DNA è la molecola della vita

DOVE SI TROVA IL PROGRAMMA CHE CONTROLLA LE FUNZIONI DEI VIVENTI ? Nel DNA ! DOVE SI TROVA IL DNA ? Il DNA o acido deossiribonucleico è contenuto nel nucleo della cellula. Il DNA associato a proteine Costituisce i cromosomi. Il DNA si duplica in maniera fedele e viene trasmesso alle cellule figlie nelle divisioni cellulari

Sono cellule procariotiche, I batteri Sono cellule procariotiche, prive di nucleo Negli organismi euacariotici il DNA è contenuto nel nucleo

Il lievito del pane e della birra Organismo eucariote unicellulare

Il DNA è composto da monomeri chiamati nucleotidi. Ogni nucleotide è composto da uno zucchero a 5 atomi di carbonio al quale sono legati le basi azotate ed un gruppo fosfato

Lo zucchero che compone DNA è il desossiribosio Lo zucchero che compone RNA è il ribosio Adenina Citosina Guanina Timina Uracile Le basi azotate sono in grado di formare legami idrogeno e di associarsi tra loro in modo reversibile DNA RNA

La molecola di DNA è a doppio filamento: forma una struttura a spirale definita doppia elica Le basi azotate si appaiano nella doppia elica L’Adenina si accoppia con la Timina La Guanina si accoppia con la Citosina

1954: Watson e Crick descrivono la doppia elica Rosalind Franklin Non ha avuto il premio Nobel ma i suoi studi sono stati molto importanti 1954: Watson e Crick descrivono la doppia elica

Nel nucleo di ciascuna cellula il DNA è compresso in strutture definite cromosomi

Cromosomi I cromosomi sono costituiti da una regione centrale detta centromero che divide il cromosoma in due sezioni dette braccia. Braccio corto, p Braccio lungo, q

Un cromosoma umano medio contiene un doppio filamento di DNA lungo 8 centimetri! Le cellule utilizzano meccanismi molto sofisticati per riuscire a comprimere tutto il loro DNA nell'esiguo spazio del volume nucleare

Ogni cromosoma è costituito da DNA strettamente avvolto a proteine definite ISTONI che fungono da supporto alla struttura del DNA

Ognuno di noi possiede 46 cromosomi: 22 coppie di autosomi e 2 cromosomi sessuali

Un cromosoma deriva dalla madre ed uno dal padre Quindi, ogni persona ha due copie di ciascun gene: una derivante dal padre, ed uno dalla madre

Cromosomi di cellule umane cellule in INTERFASE (fase tra una divisione e l’altra) Trattamento delle cellule con una sostanza fluorescente che viene incorporata specificamente nei cromosomi (cellula in divisione !) Divisione cellulare Una cellula si sta dividendo… I cromosomi si separano

Cosa è un gene? Unità funzionale dell’ereditarietà. Sono costituiti da DNA e contengono le informazioni per formare molecole chiamate proteine

Ogni gene codifica per una proteina Le caratteristiche ereditarie sono sotto il controllo di tratti di DNA chiamati GENI Ogni gene codifica per una proteina

L’insieme dei geni di un organismo è definita GENOTIPO Le caratteristiche visibili di un organismo, determinate dal genotipo in associazione con l’ambiente, sono chiamate FENOTIPO

Stesso genotipo….. ……Diverso fenotipo…..

I geni dell’uomo sono molto simili con quelli di altre specie L’unicità di una specie non è imputabile ai geni di per sé, ma a come gli stessi geni sono regolati e organizzati nel genoma

I geni sono conservati nell’evoluzione Alcuni geni si sono “conservati” durantel’evoluzione. Sequenza simile tra uomo e altre specie. Il 74% dei geni noti nell’uomo ha un corrispondente omologo in C.Elengans. Questo può essere utilizzato per lo studio della funzione dei geni nell’uomo.

L’informazione genetica contenuta nel DNA viene trasferita nell’RNA messaggero (mRNA) mediante un processo definito trascrizione che avviene nel nucleo

La molecola di RNA è a singolo filamento RNA: acido ribonucleico Guanina Citosina Uracile Adenina

Trascrizione: come le cellule copiano il DNA di un gene in un trascritto a RNA

Un filamento di DNA funge da filamento stampo per produrre l’RNA messaggero

L’RNAm contiene l’informazione per formare le proteine: Processo definito TRADUZIONE

Sequenza coding (codificante) = quella che dà luogo a proteina= ESONE Non tutta l’informazione contenuta nel DNA si tramuta in gene Sequenza coding (codificante) = quella che dà luogo a proteina= ESONE Sequenza NON coding (non codificante)= Funzione strutturale, regolatoria? INTRONE

Nell’mRNA maturo, gli introni sono eliminati Il gene è costituito da: Regioni “codificanti” ESONI Regioni NON codificanti: INTRONI Nell’mRNA maturo, gli introni sono eliminati

Regioni non codificanti aumentano nella scala evolutiva

Processo di rimozione degli introni dagli esoni nella molecola di mRNA matura che deve tradursi in proteina SPLICING dell’RNA

Lo splicing dell’RNA rimuove gli introni e congiunge esoni adiacenti

La traduzione avviene nella cellula in strutture chiamate ribosomi

Come l’informazione contenuta nel DNA e quindi nell’mRNA è utilizzata per la produzione delle proteine?

A G T C

Codone: tre basi nucleotitiche del DNA/mRNA che corrispondono ad uno specifico aminoacido

64 possibili combinazioni Codice genetico 43 64 possibili combinazioni Solo 20 amino acidi

Codice genetico degenerato Codice genetico: 61 codoni rappresentano i 20 aminoacidi, mentre 3 codoni indicano uno stop Codice genetico degenerato

Come una particolare sequenza di nucleotidi è specifica per un particolare aminoacido?

Grazie alla funzione svolta dalla molecola di RNBA chiamato RNA transfer (RNAt)

Vi sono tanti tRNA per ciascun aminoacido e per ciascuna tripletta di nucleotidi dell’mRNA (codoni) L’aminoacido è attaccato all’appropriato tRNA grazie ad un enzima attivante specifico per quell’aminoacido e per quel codone

tRNA Ogni tRNA ha una sequenza di 3 nucleotidi, l’anticodone, che può legare la sequenza complementare dell’RNAm Anticodone: CGC Codone: GCG

Fasi della traduzione 1- legame del ribosoma all’RNAm 2- riconoscimento del segnale di inizio AUG 3- legame del tRNA ai ribosomi (il primo aminoacido è sempre una metionina) 4- Allungamento della catena polipeptidica. Legame covalente tra gli aminoacidi 5- termine della traduzione quando si incontra uno STOP codon.

Gli aminoacidi formano le proteine

Gli aminoacidi che costituiscono le proteine

Le proteine si organizzano in conformazioni complesse per svolgere diverse funzioni Struttura secondaria Struttura primaria Struttura terziaria

E’ l’espressione dei geni e quindi delle proteine che cambia Le cellule dei vari tessuti hanno lo stesso contenuto di DNA, ma hanno una FUNZIONE diversa E’ l’espressione dei geni e quindi delle proteine che cambia

L’espressione genetica cambia anche durante la trasformazione cellulare

La specificità tissutale è determinata in parte dal profilo dei fattori di trascrizione presenti in un tipo cellulare

Un gene può essere acceso o spento nella cellula grazie alla regolazione della trascrizione genica La regolazione genica è un processo importante per il differenziamento e lo sviluppo dei tessuti. Le regioni regolatrici dei geni sono definite: regioni promotori enhancer Regolano qualitativamente e quantitativamente la funzione dei geni

Si conosce la sequenza del DNA della cellula?

Human genome project

Progetto genoma umano

Studi di genomica Si sono potuti leggere i 3 miliardi e 500 milioni di “lettere” che compongono il nostro DNA. Solo il 5% del DNA codifica per geni che dirigono la sintesi di RNA e proteine.

Studi di genomica funzionale Conoscenza della funzione dei circa 30.000 geni contenuti nel nostro DNA Utilizzo della bioinformatica

Analisi dell’espressione genica Estrazione dell’RNA Retrotrascrizione dell’RNA in presenza di un fluoroforo Ibridazione del target marcato con il vetrino Normalizzazione e combinazione dati Canale 1 Canale 2 Canali 1+2 Analisi dei dati Scansione del vetrino

Disporre di un microarray o chip, contenente DNA a singolo filamento, che rappresenta migliaia di geni, ognuno disposto in uno specifico spot. Ogni spot comprende migliaia di copie di filamenti di DNA.

Microarray Analisi comparativa simultanea di migliaia di geni in tipi cellulari diversi

Microarray chip Consiste di un vetrino su cui sono depositati migliaia di sonde di DNA complementari a sequenze geniche in un punto ben preciso del supporto (Griglia)

Paragonare due tipi cellulari Es: cellula normale vs cellula neoplastica Cellula trattata con un composto VS cellula non trattata

Verde il cDNA delle cellule Normali Il chip viene poi messo a contatto con il chip molecole di DNA o di mRNA legate ad un marcatore fluorescente Esempio: Verde il cDNA delle cellule Normali Rosso quello delle cellule tumorali

Il legame si ottiene quando il cDNA del campione trova la sequenza di basi complementari sul chip. Tale legame significa che il gene presente nel chip era attivo o "espresso" nel campione.

Mettere il chip in uno scanner Mettere il chip in uno scanner. Il computer calcola il rapporto di marcature rosso/verde di ogni spot (per quantificare ogni variazione di attività genica indotta dal composto) e generare la lettura

Osservare se esiste una modulazione a carico di geni possibilmente coinvolti in un quadro noto di patologia

Sostituire il gene malato con uno sano Terapia genica Sostituire il gene malato con uno sano

La prima terapia genica umana per la sindrome SCID da deficienza di adenosina deaminasi (ADA )

La manipolazione del DNA Ingegneria genetica

Le applicazioni dell’ingegneria genetica Il topo a destra porta il gene che codifica l’ormone della crescita del ratto Piante di soia resistenti all’erbicida glifosato.