Cosa sono gli enzimi di restrizione Sono enzimi che tagliano la doppia elica del DNA in corrispondenza di specifiche sequenze. Per questo motivo vengono anche detti endonucleasi di restrizione (invece le esonucleasi distruggono il DNA partendo dalle estremità). Ne esistono molti tipi diversi, ognuno dei quali riconosce una sequenza particolare.

Gli enzimi di restrizione proteggono i batteri dall’introduzione di molecole di DNA esogeno Batterio vivo Batterio ceppo A Batteriofagi Batterio ceppo B Batterio lisato

-Nel 1970 Hamilton Smith ha isolato il primo enzima che taglia il DNA a livello di una sequenza nucleotidica specifica. -Endonucleasi di restrizione e metiltransferasi formano il SISTEMA DI MODIFICAZIONE E RESTRIZIONE dei batteri.

Hae III 5’ GGCC 3’ 3’ CCGG 5’ Eco RI 5’ GAATTC 3’ 3’ CTTAAG 5’ Not I ENDONUCLEASI DI RESTRIZIONE DI TIPO II -Servono a tagliare il DNA in modo preciso e prevedibile -Sono stati isolati più di 1200 enzimi da procarioti -Riconoscono più di 130 diverse sequenze nucleotidiche (sequenze palindromiche di 4,6 o 8 nucleotidi). Hae III 5’ GGCC 3’ 3’ CCGG 5’ Eco RI 5’ GAATTC 3’ 3’ CTTAAG 5’ Not I 5’ GCGGCCGC 3’ 3’ CGCCGGCG 5’

Enzimi di restrizione Il taglio con gli enzimi di restrizione può generare diversi tipi di estremità. Eco RI= 5’ protruding -GAATTC- -G3’ 5’AATTC- -CTTAAG- -CTTAA5’ 3’G- Eco RV= blunt -GATATC- -GAT3’ 5’ATC- -CTATAG- -CTA5’ 3’TAG- Pst I= 3’ protruding -CTGCAG- -CTGCA3’ 5’G- -GACGTC- -G5’ 3’ACGTC-

QUANTE VOLTE TAGLIA UN ENZIMA DI RESTRIZIONE? La maggior parte riconosce palindromi di 4 o 6 nucleotidi se assumiamo che i 4 nucleotidi siano distribuiti a caso nelle molecole di DNA: -per enzimi che riconoscono palindromi di 4 nt si avrà IN MEDIA un taglio ogni 256 nucleotidi (4x4x4x4). -per enzimi che riconoscono palindromi di 6 nucleotidi avremo IN MEDIA un taglio ogni 4.096 nucleotidi (46).

Separazione di frammenti di DNA (o RNA) di diversa lunghezza tramite elettroforesi

Cella elettroforetica per gel di agarosio

- + Enzimi di restrizione Il DNA digerito con gli enzimi di restrizione può essere analizzato mediante elettroforesi Enzimi di restrizione Plasmide (P) - M P P+B P+E G+E Eco RI (E) 10 9 10 kb Bam HI (B) 8 7 6 Eco RI 5 DNA genomico (G) 3x 109 basi 4 3 2 + 1

- + MAPPATURA ENZIMATICA DI UN TRATTO DI DNA 6.6 bp PstI HindIII 1 2 3 4 + 0,5 PstI+HindIII 1.1 1.4 4.1 - 1.7 2.3 2.6 0.6 1.2 PstI HindIII 1.1 kb 0.6 kb 2.3 kb 1.2 kb 1.4 kb

Enzimi di restrizione Gli enzimi di restrizione, consentendo di tagliare il DNA in frammenti non casuali, la cui grandezza dipende unicamente dalla sequenza, costituiscono un formidabile strumento sia per l’analisi che per la manipolazione del DNA.

Le DNA ligasi sono enzimi capaci di legare covalentemente due molecole di DNA adiacenti con estremità libere

CLONAGGIO DNA RICOMBINANTE: DUE MOLECOLE DI DNA VENGONO UNITE IN PROVETTA SFRUTTANDO LE PROPRIETA’ DI ENDONUCLEASI DI RESTRIZIONE DI TIPO II E DELLA DNA LIGASI CLONAGGIO -IN BIOLOGIA CLONARE UN ORGANISMO SIGNIFICA OTTENERE UN INDIVIDUO UNA POPOLAZIONE DI ORGANISMI CHE SONO GENETICAMENTE IDENTICI -IN BIOLOGIA MOLECOLARE CLONARE UN TRATTO DI DNA SIGNIFICA OTTENERE UNA POPOLAZIONE DI DNA IDENTICHE ALLA MOLECOLA DI PARTENZA

Il clonaggio del DNA Clonaggio: viene generata una molecola di DNA ricombinante, cioe’ isolata dal suo contesto e introdotta in un replicone (una unita’ di DNA capace di replicarsi detto vettore). Questa molecola di DNA ricombinante viene introdotta in un sistema cellulare appropriato (in genere batteri derivati dall’ Escherichia coli). Tutti i discendenti di questa singola cellula, detta clone, conterranno la medesima molecola di DNA ricombinante originariamente isolata, permettendo di produrne quantita’ praticamente illimitate

Plasmidi Molecole extracromosomiali di DNA circolare, capaci di replicarsi e di segregare autonomamente rispetto al DNA cromosomale dei batteri. Di solito sono portatori di geni che conferiscono ai batteri un vantaggio selettivo in particolari condizioni ambientali (resistenza agli antibiotici, ad es.) Possono ospitare DNA estraneo (a condizione che non sia troppo grande) Possono essere facilmente purificati dal DNA cromosomale in grande quantità.

Plasmidi

Plasmidi: Superavvolgimento Non digerito Digerito M 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

EcoRI DNA RICOMBINANTE: due tratti di DNA che in natura non sono adiacenti, vengono uniti in provetta. Le proprietà degli enzimi di restrizione sono state essenziali per la tecnica del DNA ricombinante. I due tratti da unire vengono tagliati con uno stesso enzima di restrizione. EcoRI GAATTC CTTAAG G AATTC CTTAA G

Le estremità coesive prodotte da uno stesso enzima possono appaiarsi. G CTTAA AATTC GAATTC CTTAAG

Infine la DNA ligasi viene utilizzata per legare covalentemente le due molecole di DNA G AATTC CTTAA G 5’ 3’ OH P 5’ 3’ G CTTAA OH P AATTC DNA LIGASI ATP GAATTC CTTAAG 5’ 3’

Solo estremità compatibili possono essere legate efficientemente

INSERIMENTO DI UN TRATTO DI DNA ESOGENO IN UN VETTORE DI CLONAGGIO

CLONAGGIO: - LIGASI - TRASFORMAZIONE - SELEZIONE - CRESCITA COLONIE

BATTERICA DI INTERESSE IDENTIFICAZIONE DELLA COLONIA BATTERICA DI INTERESSE

Cosa può succedere in una reazione ligasica ? Il vettore si richiude su se stesso senza legarsi con l’inserto Il vettore si lega con l’inserto

L’enzima beta-galattosidasi può essere utilizzato per discriminare le colonie che contengono un plasmide con inserto da quelle che contengono un plasmide senza inserto

ALCUNI ENZIMI PRODUCONO ESTREMITA’ TRONCHE (BLUNT) ESTREMITA’ BLUNT POSSONO ESSERE LEGATE A ESTREMITA’ BLUNT PRODOTTE DA QUALSIASI ALTRO ENZIMA, NON CI SONO LE LIMITAZIONI IMPOSTE DALLA COMPLEMENTARIETA’ DELLE BASI DELLE CODINE APPICCICOSE. SVANTAGGIO: LIGASI DI ESTREMITA’ BLUNT E’ MENO EFFICIENTE PECHE’ NON SI HA APPAIAMENTO TRA CODINE A SINGOLO FILAMENTO. CCC/GGG GGG/CCC GAT/ATC CTA/TAG EcoRV SmaI CCC GGG ATC TAG LA SEQUENZA IBRIDA CHE SI FORMA NON E’ RICONOSCIUTA DA NESSUNO DEI DUE ENZIMI.

QUANDO E’ NECESSARIO UNIRE DUE ESTREMITA’ INCOMPATIBILI???? E’ POSSIBILE CONVERTIRE LE ESTREMITA’ STICKY IN ESTREMITA’ BLUNT Estremita’ 5’ protruding: 5’ 3’ 5’ 3’ L’estremità 3’ del filamento viene utilizzata come innesco dalla DNA POLIMERASI. Si utilizza il frammento Klenow della DNA polimerasi I di E. coli (DNA POLIMERERASI intera ha azione 5’esonucleasica). Estremità 5’ o 3’ protruding: 5’ 3’ 3’ 5’ Si utilizza la nucleasi S1: nucleasi che funziona su singolo filamento.

Il fago lambda come vettore di clonaggio

Il ciclo vitale del fago lambda

Placche di lisi

Lisogenia

Replicazione ‘rolling circle’ Packaging COS Genoma COS Genoma COS Genoma COS

Il fago lambda come vettore

Dimensione degli inserti contenuti nei principali vettori VETTORI PLASMIDICI -> 0-10 kb VETTORI l di inserzione -> 0-10 kb VETTORI l di sostituzione -> 9-23 kb VETTORI COSMIDICI -> 30-44 kb VETTORI PAC (crom. artif. P1) -> 130-150 kb VETTORI BAC (crom. artif. batt.)-> fino a 300 kb VETTORI YAC (crom. artif.lievito)-> 0.2-2 Mb

Cosmidi

P1

YAC