Evoluzione del concetto di gene

Evoluzione del concetto di gene
Da Mendel ai giorni nostri passando per
diverse definizioni
Fino al 1940
Teoria perle di una collana, considerate come
unità indivisibili
Gene
=
Unita’ dell’informazione genetica,
definibile a due livelli, in base a 3 criteri
1. Unita’ di materiale genetico che
controlla l’eredita’ di un carattere
2. Unita’ di ricombinazione
3. Unita’ di mutazione
FUNZIONALE
STRUTTURALE
Gene = Unita’ di funzione =
Unita’ di informazione genetica che controlla
la sintesi di una catena polipeptidica
Gene suddivisibile sia per ricombinazione che per mutazione
Unita’ di struttura =singola coppia di nucleotidi
un gene mutante = un blocco metabolico (Garrod, 1900)
un gene = un enzima (Beadle e Tatum, 1942)
un gene = una catena polipeptidica
Archibald Garrod (1902)
I geni possono controllare le reazioni metaboliche
Alcune malattie ereditarie umane dovute a mutazioni
recessive consistono in difetti metabolici
es. fenilchetonuria (allele autosomico recessivo)
incapacità di convertire la fenilalanina in tirosina. La
fenilalanina si accumula nei tessuti e si trasforma in un
composto tossico, l’acido fenilpiruvico
Fenilalanina
fenilchetonuria
Tirosina
Acido omogentisinico
(HA)
Alcaptonuria
CO2+ H2O
Albinismo
Melanina
Ipotesi un gene-un enzima
Beadle e Tatum (anni ‘40)
indussero vari tipi di mutanti auxotrofi di Neurospora
con raggi X (es met-, arg-, gli- etc.)
Queste richieste auxotrofiche venivano ereditate come
mutazioni in un singolo gene
Beadle e Tatum studiarono i mutanti che
richiedevano arginina (arg-) e mapparono i geni
corrispondenti. Trovarono tre diversi geni arg :
arg1, arg2 e arg3
I mutanti arg1-, arg2- e arg3- differivano per la
risposta a due sostanze chimiche simili all’arginina:
l’ornitina e la citrullina
i mutanti arg1- crescevano in presenza di arginina
oppure di ornitina o di citrullina
i mutanti arg2- crescevano in presenza o di arginina
o di citrullina
i mutanti arg3- crescevano solo in presenza di arginina
ornitina
citrullina arginina
All’epoca si sapeva già che all’interno
della cellula sostanze chimiche simili
possono essere convertite una nell’altra
dagli enzimi
Beadle e Tatum proposero il seguente modello
biochimico per la sintesi dell’arginina:
enzima X
precursore
enzima Y
ornitina
enzima Z
citrullina
arginina
Beadle e Tatum ipotizzarono che ad opera di enzimi un
precursore potesse essere convertito in ornitina che a sua
volta poteva essere convertita in citrullina e infine in
arginina
arg1+
arg2+
enzima X
precursore
arg3+
enzima Y
ornitina
enzima Z
citrullina
arginina
Beadle e Tatum ipotizzarono che nei mutanti arg1 fosse
difettivo l’enzima che converte il precursore in ornitina, nei
mutanti arg2 l’enzima che converte l’ornitina in citrullina e nei
mutanti arg3 l’enzima che converte la citrullina in arginina
Fornendo ai mutanti una sostanza
dopo il blocco si può avere la sintesi
dell’arginina.
arg1-
arg2+
enzima X
precursore
enzima Y
ornitina
arg1+
citrullina
ornitina
enzima Z
citrullina
arg2+
enzima X
arginina
arg3-
enzima Y
ornitina
arginina
arg3+
enzima Y
arg1+
precursore
enzima Z
arg2-
enzima X
precursore
arg3+
enzima Z
citrullina
arginina
Epistasi :
Più geni influenzano un carattere
L’allelle di un gene domina sugli altri geni
Colore dell’occhio in Drosophila:
Precursore
bianco
Precursore
rosso
marrone
Enzima bw
Enzima w
Occhio bianco
Occhio marrone
white è epistatico su brown
Sulla base dei risultati ottenuti Beadle e Tatum formularono
l’ipotesi “UN GENE-UN ENZIMA” ovvero
i geni sono responsabili della produzione
degli enzimi
Successivamente Ingram (1957, studi sull’emoglobina)
dimostrò che i geni sono responsabili della produzione
delle proteine (e non solo degli enzimi)
Ingram nel 1957 determinò la sequenza dell’emoglobina
normale e di quella presente in pazienti omozigoti per il
gene mutante che causa l’anemia a cellule falciformi
(recessivo autosomico)
Le proteine sono macromolecole composte di aminoacidi
legati in una struttura lineare: la catena polipetidica
Nell’Emoglobina S nella posizione 6 c’è una valina al posto
dell’acido glutammico
Una mutazione in un gene determina la sostituzione di un
singolo amminoacido
I geni determinano la struttura primaria, cioè
la sequenza di aminoacidi, delle proteine,
Non più
“un gene-un enzima”
Ma
“Un gene – una catena polipeptidica”
Colinearità tra gene e proteina
La sequenza lineare dei nucleotidi in un gene determina
la sequenza lineare degli aminoacidi
nella proteina corrispondente
Yanofsky mappò alcune mutazioni all’interno del
gene della triptofano sintetasi di Escherichia coli
ed esaminò le proteine prodotte dai mutanti
Yanofsky osservò che l’ordine delle mutazioni sul gene
corrispondeva all’ordine degli aminoacidi mutati
nelle proteine
Pertanto dimostrò la colinearità
tra i geni e
le proteine corrispondenti
Come fanno i geni (cioè il DNA)
a controllare
la sequenza delle proteine?
La trascrizione è il processo con cui l’informazione ereditaria
viene trasferita dal DNA all’RNA. La traduzione è il processo
con cui l’informazione viene trasferita dall’RNA alle proteine
trascrizione
traduzione
Trascrizione: RNA polimerasi e mRNA
Traduzione: mRNA, ribosomi, tRNAs
L’RNA
E’ una catena polinucleotidica a
singolo filamento in cui è presente
lo zucchero ribosio al posto del
desossiribosio e l’Uracile al posto
della Timina
La trascrizione
Viene copiata solo una delle due eliche del DNA
I promotori sono sequenze a monte dei geni che
definiscono dove deve iniziare la trascrizione.
I terminatori indicano dove deve terminare la
trascrizione
La trascrizione viene effettuata dalla
RNA polimerasi
Nei procarioti esiste solo una RNA polimerasi che trascrive
tutti i geni
Negli eucarioti ci sono 3 diverse RNA polimerasi:
• RNA polimerasi I per la sintesi dell’RNA ribosomale (rRNA)
• RNA polimerasi II per la sintesi dell’RNA messaggero (mRNA)
• RNA polimerasi III per la sintesi dell’RNA transfer (tRNA)
Struttura di un mRNA sia eucariotico che procariotico
Negli eucarioti, prima di passare nel
citoplasma, l’RNA deve essere
modificato mediante una serie di eventi
noti come processo di maturazione
dell’RNA
- Aggiunta del cappuccio al 5’ (guanina + 2 gruppi metilici
(sito di inizio traduzione)
- Processamento degli introni
- Aggiunta coda poli-A al 3’
Dall’RNA devono essere allontanate le sequenze introniche con
un processo chiamato “splicing”
La decifrazione del
codice genetico
Come si passa da una sequenza di nucleotidi alla
sequenza di aminoacidi di una proteina
formula di un aminoacido
H2N-CHR-COOH
esistono 20 aa ciascuno con un diverso gruppo R
Numero di nucleotidi che specificano un aminoacido
4 basi azotate (A,T,C,G) e 20 aminoacidi. Un codice di due
nucleotidi genererebbe solo 16 (42) “parole” diverse.
Un codice a triplette porta alla formazione di 64 (43)
“parole”
Dato che gli aminoacidi sono 20
più di una tripletta deve specificare per una dato
aminoacido (il codice è degenerato)
Il codice genetico
Non si legge a sovrapposizione.
Esame di proteine mutate: una mutazione altera solo un
aminoacido per volta in una data regione della proteina.
Se il codice fosse a sovrapposizioni la sostituzione di una
singola base potrebbe cambiare fino a tre aminoacidi
adiacenti nella sequenza della proteina
aa2
aa1
aa3
aa2
GTT ACT TTC
aa1
seT muta a C
aa3
GTC ACT TTC
Il codice genetico è stato decifrato
usando vari sistemi di sintesi proteica
in vitro
Sintesi di mRNA poliU per
dare significato alla
tripletta UUU
Costruzione di mini mRNA
di tre nucleotidi
Caratteristiche del codice genetico
 è letto a triplette senza sovrapposizioni
 più codoni possono specificare lo stesso aminoacido (il
codice è degenerato)
 esiste un codone di inizio AUG che codifica per la
metionina (se inserita all’inizio è formilata nei procarioti)
 esistono tre codoni di stop: UAG UGAe UAA
 è universale
La sintesi proteica
Principali elementi cellulari coinvolti:
 i ribosomi
 l’mRNA
 i tRNA
I geni per l’RNA ribosomale e per gli RNA transfer
non codificano per proteine, ma per molecole di RNA
che hanno un ruolo strutturale.
L’RNA ribosomale insieme alle proteine ribosomali
costituisce i ribosomi (organelli deputati alla sintesi
delle proteine)
L’RNA transfer porta gli amminoacidi ai ribosomi per
sintetizzare le proteine
sito di legame dell’amminoacido
Struttura a trifoglio del tRNA
sito di riconoscimento del
codone (alanina)
Esistono meno di 64 tRNA perchè in alcuni casi lo
stesso tRNA può leggere più di un codone che
codifica per lo stesso amminoacido
Ciò è possibile per il vacillamento (oscillazione)
della terza base dell’anticodone
I ribosomi
Inizio della traduzione
Un ribosoma si attacca alla molecola di mRNA in corrispondenza della
tripletta di inizio AUG. Su questo codone AUG si lega il tRNA con
l’anticodone corrispondente che porta la metionina (N-formil metionina
nei procarioti)
Sintesi della proteina
Entra il tRNA corrispondente al secondo codone e si forma il legame
peptidico (peptidil-transferasi) tra la metionina iniziale e il secondo
aminoacido. Il ribosoma si sposta sull’mRNA permettendo che una sola
tripletta alla volta sia disponibile all’attacco col tRNA specifico. Man
mano che il ribosoma si sposta si ha l’allungamento della catena
proteica
Termine della traduzione
Quando il ribosoma raggiunge le triplette di stop (UAG,UAA,UGA) si
stacca dall’mRNA e la catena polipetidica viene rilasciata