Bioinformatica
(2) Genomi, DNA, RNA e Sintesi Proteica
Dott. Alessandro Laganà
Genomi, DNA, RNA e Sintesi Proteica
2
Il Genoma
I Geni
Il Dogma della Biologia Molecolare
Bioinformatica (2): Genomi, DNA, RNA e Sintesi Proteica
22-03-2010
Il Genoma
Il genoma è l'insieme di tutte le informazioni biologiche
necessarie alla costruzione e al mantenimento di un
organismo vivente.
Genomi a DNA
Genomi a RNA
3
Organismi unicellulari e pluricellulari
Alcuni virus
Bioinformatica (2): Genomi, DNA, RNA e Sintesi Proteica
22-03-2010
Sequenziamento e Progetti Genoma
L’obiettivo principale dei progetti genoma è di
determinare la sequenza del DNA di un intero genoma, in
modo da identificare i geni e le caratteristiche strutturali
del genoma.
Sequenziamento:
4
Ottenere blocchi di sequenze di DNA
Collegare progressivamente i blocchi tra loro in file di
sequenze contigue (contig)
Collegare i contig nella sequenze dell’intero genoma
Bioinformatica (2): Genomi, DNA, RNA e Sintesi Proteica
22-03-2010
Il Genoma nucleare
Il genoma umano, similmente ai genomi di tutti gli animali
pluricellulari, è costituito da due componenti distinte, il
genoma nucleare e il genoma mitocondriale.
Genoma nucleare
Contiene circa 3 miliardi di nucleotidi raggruppati in molecole lineari
(Cromosomi):
22 coppie di autosomi (coppie di cromosomi uguali)
1 coppia di cromosomi sessuali, X e Y
XX nelle donne, XY negli uomini
Le cellule sessuali, o gameti, sono aploidi, contengono cioè solo
una copia per cromosoma (23 cromosomi in tutto) a
differenza delle cellule somatiche che sono diploidi (46
cromosomi).
5
Bioinformatica (2): Genomi, DNA, RNA e Sintesi Proteica
22-03-2010
Il Genoma mitocondriale
E' una molecola di DNA circolare di circa 16 mila nucleotidi,
presente in copie numerose nei mitocondri, gli organelli che
generano energia.
Contiene informazioni per la sintesi di molecole di rRNA e
tRNA.
6
Bioinformatica (2): Genomi, DNA, RNA e Sintesi Proteica
22-03-2010
Il Progetto Genoma Umano
Il Genoma è fatto di DNA, molecola costituita da 4
diversi tipi di nucleotidi (A, C, G, T).
Obiettivo del progetto: determinare la sequenza
nucleotidica dell'intero genoma nucleare umano.
Progetto pubblico, finanziato da governi e organizzazioni
di tutto il mondo.
Progetto privato: Celera Genomics.
Risultati pubblicati nel 2001.
7
Sequenziato circa l'84% del genoma umano, ad esclusione di
alcune regioni telomeriche (estremità dei cromosomi) e
prossimali ai centromeri (centro del cromosoma).
Bioinformatica (2): Genomi, DNA, RNA e Sintesi Proteica
22-03-2010
Ciascun progetto genoma ha prodotto oltre 2 miliardi e
mezzo di sequenze di coppie di basi.
L'intera sequenza del genoma umano, scritta in Times New
Roman, dimensione 12, avrebbe una lunghezza di 5000 km!
Ogni essere umano ha una propria sequenza genomica
individuale, ad eccezione dei gemelli omozigoti.
Principali differenze tra i genomi di due individui diversi:
8
Polimorfismi (Posizioni nella sequenza contenenti nucleotidi differenti)
Microsatelliti (Sequenze ripetute di nucleotidi, differenti in numero tra un
individuo ed un altro)
Bioinformatica (2): Genomi, DNA, RNA e Sintesi Proteica
22-03-2010
La sequenza del Genoma
La sequenza nucleotidica del genoma è presente
su ciascuno dei due filamenti della doppia elica del
DNA.
I due filamenti sono antiparalleli, uno in direzione
5'-3' e l'altro in direzione 3'-5':
5'-… AGATCGATACGAAAGTAC …-3'
||||||||||||||||||
3'-… TCTAGCTATGCTTTCATG …-5'
Dato un filamento è possibile costruire l'altro per
complementarità: ciascun filamento contiene la
stessa informazione!
9
Bioinformatica (2): Genomi, DNA, RNA e Sintesi Proteica
22-03-2010
Il genoma contiene tutte le informazioni necessarie al
funzionamento di un intero organismo.
Ogni cellula contiene una copia del Genoma.
Alcune informazioni sono utilizzate allo stesso modo
da ogni tipo di cellula, altre sono invece
caratteristiche di determinati tipi cellulari.
Un neurone ed un leucocita contengono lo stesso
genoma e quindi le stesse informazioni, ma non le
utilizzano tutte allo stesso modo.
10
Bioinformatica (2): Genomi, DNA, RNA e Sintesi Proteica
22-03-2010
Il Progetto Genoma di un organismo ci rivela la sua
sequenza nucleotidica: a quel punto occorre riuscire ad
interpretarla correttamente!
La sequenza di un Genoma è apparentemente una
successione casuale di nucleotidi; in realtà sono
distinguibili diversi tipi di elementi, strutturati in maniera
ben precisa, ciascuno preposto ad una ben determinata
funzione.
11
Bioinformatica (2): Genomi, DNA, RNA e Sintesi Proteica
22-03-2010
Elementi tipici di un Genoma
Geni
Pseudogeni
Sequenze ripetute
Microsatelliti
12
Bioinformatica (2): Genomi, DNA, RNA e Sintesi Proteica
22-03-2010
I Geni
Un gene è un segmento di genoma contenente
l'informazione per la sintesi di una proteina.
Gene
Trascrizione/Traduzione
La sequenza nucleotidica
del gene contiene la
"ricetta" per la sintesi
della proteina.
13
Proteina
Bioinformatica (2): Genomi, DNA, RNA e Sintesi Proteica
22-03-2010
I Geni (2)
L'espressione dei geni coinvolge un intermediario
chiamato RNA messaggero, che copia la sequenza del
gene e la porta fino al citoplasma, dove la sequenza viene
tradotta affinché avvenga la sintesi della proteina (nei
ribosomi).
Non tutti i geni però codificano proteine.
Alcuni di essi infatti specificano vari tipi di RNA non
codificante, alcuni dei quali verranno introdotti più avanti.
14
Bioinformatica (2): Genomi, DNA, RNA e Sintesi Proteica
22-03-2010
Duplicazione genica
In seguito ad eventi di ricombinazione del DNA, è
possibile che si ottengano copie multiple di uno stesso
gene.
Le copie “in eccesso” sono meno vincolate e più libere di
variare, dato che la funzione continua ad essere
regolarmente svolta dalla copia “originale”.
Le copie dei geni duplicati possono divergere, dando
origine a geni differenti, o diventare inattive.
La duplicazione genica è dunque una delle principali forze
dell’evoluzione.
15
Bioinformatica (2): Genomi, DNA, RNA e Sintesi Proteica
22-03-2010
Gli Pseudogeni
Gli pseudogeni sono copie non funzionali di geni.
Sono una sorta di relitti evolutivi.
Gli pseudogeni convenzionali sono geni inattivati in
seguito ad una o più mutazioni nella loro sequenza
nucleotidica.
Una volta che uno pseudogene è diventato
completamente non funzionale si degraderà per
accumulazione di ulteriori mutazioni e potrebbe
addirittura non essere più riconosciuto come relitto
genico.
16
Bioinformatica (2): Genomi, DNA, RNA e Sintesi Proteica
22-03-2010
Junk DNA
Circa il 62% del genoma umano è costituito da regioni
intergeniche, parti del genoma che si trovano tra i geni e
la cui funzione è sconosciuta.
Queste sequenze venivano chiamate Junk DNA (DNA
spazzatura), perché non se ne conosceva la funzione.
Ricerche recenti tendono invece a rivalutare tali
sequenze, che si rivelano potenzialmente coinvolte in
numerosi processi: non è detto che ciò di cui non
capiamo ancora la funzione sia poco importante!
17
Bioinformatica (2): Genomi, DNA, RNA e Sintesi Proteica
22-03-2010
Ripetizioni disperse e microsatelliti
La grande maggioranza del DNA intergenico è
rappresentata da sequenze ripetute di vario tipo.
Il DNA ripetitivo può essere diviso in due categorie:
18
Ripetizioni intersperse
DNA ripetuto in tandem
Bioinformatica (2): Genomi, DNA, RNA e Sintesi Proteica
22-03-2010
Ripetizioni intersperse
Esistono 4 tipi di ripetizioni disperse nel genoma:
SINE
LINE
Elementi LTR
Trasposoni a DNA
Ciascun tipo di queste ripetizioni sembra derivare da un
elemento trasponibile, un segmento mobile di DNA in
grado di spostarsi da una posizione ad un'altra del
genoma, lasciando una propria copia.
19
Bioinformatica (2): Genomi, DNA, RNA e Sintesi Proteica
22-03-2010
Trasposoni e Retrotrasposoni
I trasposoni sono elementi genetici presenti nei cromosomi capaci di spostarsi
da una posizione all'altra del genoma.
I retrotrasposoni sono trasposoni che utilizzano un intermedio ad RNA per
replicarsi in diverse posizioni all'interno del genoma. Sono particolarmente
abbondanti nelle piante e negli esseri umani.
Lo spostamento di un trasposone da una parte del genoma ad un'altra è detto
trasposizione, e può essere replicativa (quando l’elemento trasponibile si sposta
in una nuova posizione del genoma lasciando una copia nella posizione
originaria).
I retrotrasposoni traspongono copiandosi prima in un intermedio ad RNA e,
successivamente, revertendo in DNA (attraverso la trascrittasi inversa)
integrandosi in una nuova posizione all'interno del genoma.
SINE, LINE ed LTR sono particolari tipi di elementi trasponibili.
20
Bioinformatica (2): Genomi, DNA, RNA e Sintesi Proteica
22-03-2010
Controllo dei trasposoni
Gli elementi trasponibili possono indurre mutazioni,
inserendosi casualmente all'interno di geni funzionali ed
alterandone o, in alcuni casi, impedendone il corretto
funzionamento.
Sembra comunque che la trasposizione e il mantenimento
delle copie dei trasposoni all'interno del genoma ospite
siano regolate da geni presenti sia sui trasposoni stessi
che nel genoma dell'ospite.
Questi geni coopererebbero nell'evitare che la
trasposizione possa avere effetti deleteri sia sul
trasposone che sull'ospite.
21
Bioinformatica (2): Genomi, DNA, RNA e Sintesi Proteica
22-03-2010
Minisatelliti e Microsatelliti
I minisatelliti e i microsatelliti sono ripetizioni in tandem
di DNA.
In un microsatellite l'unità ripetuta è generalmente breve,
fino a 10 bp (base pairs – paia di basi), nei minisatelliti
varia da 10 a 100 bp.
Non si sa se i microsatelliti hanno una funzione.
Derivano da un errore del processo di replicazione del
genoma durante la divisione cellulare, quindi potrebbero
rappresentare semplicemente un prodotto inevitabile
della replicazione genomica.
22
Bioinformatica (2): Genomi, DNA, RNA e Sintesi Proteica
22-03-2010
I polimorfismi
Con il termine polimorfismo si intende la presenza contemporanea
all’interno di una popolazione, di varianti in una data posizione
genomica.
Un allele è considerato polimorfico se è presente nella popolazione
con una frequenza superiore all’1%.
Il polimorfismo di un singolo nucleotide (SNP, Single Nucleotide
Polymorphism) è una variazione della sequenza tra singoli individui
causata dal cambiamento di un solo nucleotide.
Gli SNPs sono responsabili della maggior parte della variabilità
genetica tra individui.
Gli alleli di uno stesso gene mostrano un esteso polimorfismo a
livello della sequenza, ma molte variazioni non influenzano la
funzione del gene.
23
Bioinformatica (2): Genomi, DNA, RNA e Sintesi Proteica
22-03-2010
Polimorfismi e mappe di restrizione
Alcuni polimorfismi del genoma possono essere rivelati mettendo a
confronto le mappe di restrizione di individui diversi.
A tale scopo vengono adoperati gli enzimi di restrizione, particolari
proteine in grado di riconoscere determinate sequenze di DNA e
praticare un taglio in corrispondenza di tali sequenze.
Quando un certo sito è presente nel genoma di un individuo e
assente da quello di un altro, il taglio extra nel primo genoma genera
due frammenti che nel secondo genoma corrispondono ad un unico
frammento.
Su questo tipo di confronti si basano le “prove del DNA” utilizzate
per confrontare campioni di DNA in medicina legale.
24
Bioinformatica (2): Genomi, DNA, RNA e Sintesi Proteica
22-03-2010
DNA fingerprinting
Il fingerprinting (impronta) del DNA analizza le differenze
tra individui nei frammenti generati da enzimi di
restrizione che tagliano regioni contenenti brevi sequenze
ripetute.
Poiché tali sequenze sono uniche per ogni individuo, la
presenza di una particolare combinazione in due individui
diversi permette di stabilire la loro ascendenza comune
(per es. una relazione genitore-figlio).
25
Bioinformatica (2): Genomi, DNA, RNA e Sintesi Proteica
22-03-2010
Il Genoma Umano
26
Bioinformatica (2): Genomi, DNA, RNA e Sintesi Proteica
22-03-2010
I Genomi degli eucarioti
Le strutture di base di tutti i genomi eucariotici sono
simili, ad eccezione della dimensione.
27
Funghi: 12-25 Mb
Protozoi: 190 Mb
Invertebrati: 97-5000 Mb
Vertebrati: 400-3300 Mb
Piante: 125-120000 Mb
Bioinformatica (2): Genomi, DNA, RNA e Sintesi Proteica
22-03-2010
Grande genoma = Molti geni?
La dimensione del genoma è correlata al numero di geni che esso
contiene?
Non è detto!
Saccharomyces cerevisiae (lievito)
Homo sapiens (uomo)
Genoma: 12 Mb
(0,004 volte la grandezza del genoma
umano)
Genoma: 3200 Mb
Geni: 5800
Geni: 25000
Se dimensione e numero di geni fossero correlate, il lievito
dovrebbe contenere, in proporzione a quello umano, solo 100
geni, mentre ne contiene 5800!
Il Paradosso del valore C
Con valore C si intende la quantità di DNA per genoma; non
c’è un'ovvia correlazione fra la complessità degli organismi e la
quantità di DNA del genoma.
In realtà nei genomi degli organismi meno complessi si
risparmia spazio in quanto i geni sono più vicini tra loro.
Confrontando il genoma umano con quello del lievito, emerge
che l'organizzazione di quest'ultimo è molto più economica di
quella del genoma umano:
I geni sono più compatti
Le sequenze intergeniche sono più piccole
Le ripetizioni disperse e le altre sequenze non codificanti occupano
molto meno spazio
Il genoma del lievito è più "concentrato"!
29
Bioinformatica (2): Genomi, DNA, RNA e Sintesi Proteica
22-03-2010
I Genomi dei Procarioti
I genomi dei procarioti sono molto differenti da quelli
degli eucarioti:
30
Sono molto più piccoli
Sono molto più compatti
Sono contenuti in una singola molecola di DNA circolare
Alcuni geni possono essere localizzati su molecole indipendenti
di DNA più piccole, chiamate plasmidi.
Bioinformatica (2): Genomi, DNA, RNA e Sintesi Proteica
22-03-2010
Genomi, DNA, RNA e Sintesi Proteica
Il Genoma
I Geni
Il Dogma della Biologia Molecolare
31
Bioinformatica (2): Genomi, DNA, RNA e Sintesi Proteica
22-03-2010
I Geni
Il gene è l'unità ereditaria e funzionale degli organismi viventi.
La maggior parte dei geni codifica proteine, che sono le
macromolecole maggiormente coinvolte nei processi
biochimici e metabolici della cellula.
Altri geni non codificano proteine, ma producono RNA non
codificante, che può giocare un ruolo fondamentale nella
sintesi delle proteine e nell'espressione genica (La trascrizione
del DNA in RNA e la traduzione dell'RNA in proteina).
Parte del contenuto dei geni non viene trascritto, ma può
coordinare la stessa espressione genica.
Tra queste regioni figurano i promotori, i terminatori e gli
introni .
32
Bioinformatica (2): Genomi, DNA, RNA e Sintesi Proteica
22-03-2010
Tre classi di geni
• I geni non sono sequenze casuali ma hanno caratteristiche ben
precise.
• Buona parte dell'informazione contenuta in un gene viene "copiata" in
una molecola di RNA; il resto del gene è coinvolto comunque nel
processo di "copia" (trascrizione).
• Alcuni tipi di RNA vengono utilizzati per la sintesi delle proteine, altri
svolgono svariati tipi di funzioni.
• Esistono tre classi di geni, che differiscono in base al tipo di RNA che
viene prodotto con la loro espressione:
– Geni della I classe
• RNA ribosomiale (rRNA)
– Geni della II classe
• RNA messaggero (mRNA)
• Piccoli RNA nucleari (snRNA)
• Micro RNA (miRNA)
– Geni della III classe
•
•
•
•
33
RNA transfer (tRNA)
Piccoli RNA nucleolari (snoRNA)
Piccoli RNA citoplasmatici (scRNA)
Micro RNA (miRNA)
Bioinformatica (2): Genomi, DNA, RNA e Sintesi Proteica
22-03-2010
L'RNA messaggero
Gli RNA Messaggeri (mRNA) sono gli unici tipi di RNA
codificante.
Sono i trascritti dei geni che codificano proteine.
Trasportano l'informazione genica nel citoplasma, dove
tale informazione viene impiegata per la sintesi delle
proteine.
Costituiscono solo il 4% circa degli RNA totali della
cellula ed hanno vita breve, in quanto vengono degradati
poco dopo la sintesi proteica.
34
Bioinformatica (2): Genomi, DNA, RNA e Sintesi Proteica
22-03-2010
I principali RNA non codificanti
RNA ribosomiali (rRNA)
Sono i più abbondanti nelle cellule
Sono parte integrante dei ribosomi, le particelle dove ha luogo
la sintesi proteica
RNA transfer (tRNA)
35
Sono piccole molecole coinvolte nella sintesi proteica
Trasportano gli aminoacidi ai ribosomi in modo tale da
permettere la loro unione nell'ordine specificato dalla sequenza
nucleotidica dell'mRNA
Bioinformatica (2): Genomi, DNA, RNA e Sintesi Proteica
22-03-2010
Altri tipi di RNA non codificante
Piccoli RNA nucleari (snRNA)
Piccoli RNA nucleolari (snoRNA)
Svolgono un ruolo cruciale nella maturazione delle molecole di
rRNA
Piccoli RNA citoplasmatici (scRNA)
Sono coinvolti nella maturazione degli mRNA
Gruppo eterogeneo che comprende molecole con una varietà
di funzioni diverse, alcune ancora misteriose
microRNA (miRNA)
36
Sono piccole molecole che regolano l'espressione genica a
livello post-trascrizionale
Bioinformatica (2): Genomi, DNA, RNA e Sintesi Proteica
22-03-2010
ATGGAGGAGGACATGTACGTGGACATTTTCCTGGACCCTTATACCTTCCAGATGGAGGAGGACATGTACGTGGACATTTTCCTGGACCCTTATACCTTCCAGGATGACTTTCCTCCAGCTACGTCTCAACTAT
TCAGCCCAGGAGCGCCTTTAGATGTGCACCCACTTAATCCATCCAATCCAGAGACTGTATTTCATTCACATCTTGGTGCAGTCAAAAAGGCACCCAGTGACTTTTCATCTGTGGATCTAAGCTTCTTACCAG
ATGAACTTACCCAAGAAAATAAAGACCGAACTGTCACTGGAAACAAAGTCACAAATGAGGAAAGCTTTAGGACTCAAGATTGGCAAAGTCAGTTGCAGTTGCCTGATGAACAAGGCAGTGGGCTGAAC
TTGAATAGCAACAGTTCACCAGATACCCAGTCATGTCTGTGCTCTCATGATGCTGACTCCAACCAGCTCTCTTCAGAAACACCAAATTCCAATGCCTTACCTGTGGTATTGATATCATCCATGACACCAATGA
ACCCTGTTACAGAATGTTCTGGAATTGTGCCTCAATTACAGAATGTAGTTTCCACTGCAAATCTGGCCTGTAAATTGGATCTGAGAAAAATAGCTTTGAATGCCAAAAACACAGAATATAATCCAAAGAGGT
TTGCTGCAGTCATAATGAGGATCCGAGAGCCAAGGACCACAGCTCTTATATTTAGCTCTGGGAAAGTGGTCTGTACAGGAGCCAAAAGTGAAGACGAGTCTCGGCTGGCAGCAAGAAAGTATGCTCGCGT
GGTGCAGAAGCTGGGGTTCCCCGTCAGATTCTTCAATTTTAAAATTCAGAACATGGTTGCAAGCTGTGATGTGAAATTTCCCATCAGGCTGGAGATTTTGGCACTAACCCATCGGCAGTTCAGTAGTTATGA
GCCTGAACTGTTCCCTGGCCTTATTTATAAGATGGTGAAACCGCAGGTTGTGCTGCTCATCTTTGCATCTGGAAAGGTTGTACTGACAGGTGCCAAAGAGCGTTCTGAGATCTACGAAGCATTTGAAAACA
TGTATCCTATTCTAGAAAGTTTTAAGAAAGTCTGAATGGAGGAGGACATATACCTGGACCTCTTCCTGGATCCTTATACCATCCAGGATGACTTTCCTCCAGCTATGTCTCAACTGTTCAGCCCAGGAGTGCC
TTTAGACATGCACTCACTTCCATCTAATCCAGAGACTGTGTTTCATCCACATCTTGGTGGAGTCAAAAAGGCATCCACTGACTTTTCATCTGTGGATCTAAGCTTCTTACCAGATGAACTTACCCAAGAAAA
TAGAGACCAAACTGTCACTGGAAACAAGCTGGCAAGTGAGGAAAGCTGTAGGACTCGAGATCGACAAAGTCAGTTGCAGTTGCCCGATGAACATGGCAGTGAGCTGAACTTGAATAGCAACAGTTCAC
CAGATCCCCAGTCATGCCTGTGCTTTGATGATGCTCACTCCAACCAGCCCTCTCCAGAAACACCAAACTCCAATGCCTTACCTGTGGCATTGATAGCATCCATGATGCCAATGAACCCTGTTCCAGGATTTT
CTGGAATTGTGCCTCAATTACAGAATGTAGTTTCCACTGCAAATCTGGCCTGTAAATTGGATCTGAGAAAAATAGCCCTGAATGCCAAAAACACAGAATATAACCCAAAGAGGTTTGCTGCAGTAATAATG
AGGATCCGAGAGCCAAGGACAACAGCTCTCATCTTTAGCTCTGGGAAAGTGGTCTGTACAGGAGCCAAAAGTGAAGAGGAGTCTCGGCTGGCAGCGAGAAAGTATGCTCGTGTGGTGCAGAAGCTCGG
GTTCCCTGTCAGATTCTTCAATTTTAAAATTCAGAACATGGTTGGAAGCTGTGATGTGAAATTTCCCATCAGGCTGGAGATTTTGGCACTAACCCATCGGCAGTTCAGTAGTTATGAACCTGAACTTTTCCCC
GGCCTTATTTATAAGATGGTAAAACCACAGGTTGTGTTGCTAATCTTTGCATCTGGAAAAGTTGTGTTAACAGGTGCCAAAGAGCGTTCTGAGATCTATGAAGCATTTGAAAACATGTATCCTATTCTAGAAA
GTTTTAAGAAAGTCTGAATGGAGCAGGAGGAGACCTACCTGGAGCTCTACCTGGACCAGTGCGCCGCTCAGGATGGCCTTGCCCCACCCAGGTCTCCCCTGTTCAGCCCAGTTGTACCTTATGATATGTAC
ATACTGAATGCATCCAATCCGGATACTGCATTTAATTCGAACCCTGAAGTCAAAGAAACATCTGGTGATTTCTCATCTGTGGATCTTAGCTTCCTACCAGATGAAGTTACCCAGGAAAATAAAGACCAGCCT
GTCATTAGCAAACACGAAACTGAAGAAAATTCTGAAAGCCAAAGTCCACAAAGTAGGTTGCCATCACCCAGCGAACAGGACGTTGGGCTGGGCTTAAACAGCAGCAGTTTGTCAAATTCCCATTCACAG
CTGCACCCTGGTGATACTGACTCAGTCCAGCCCTCTCCTGAGAAACCAAACTCCGACTCCTTGTCTCTGGCATCCATAACTCCCATGACACCAATGACCCCTATTTCAGAATGTTGTGGAATTGTACCTCAA
CTACAGAATATAGTTTCCACTGTAAACCTGGCCTGTAAGTTGGATCTGAAGAAAATAGCTTTGCATGCAAAAAATGCAGAATATAACCCAAAGAGGTTTGCTGCTGTCATAATGAGGATCCGAGAGCCCAG
GACAACAGCCCTTATATTTAGCTCTGGGAAGATGGTCTGCACGGGAGCCAAAAGTGAAGAGCAGTCTCGACTTGCAGCAAGAAAATATGCTCGTGTGGTGCAGAAGCTTGGGTTCCCTGCCAGATTCCTC
GATTTTAAAATTCAGAACATGGTTGGAAGCTGTGATGTGAGATTTCCCATCAGGCTGGAAGGTTTGGTGCTAACCCATCAGCAGTTCAGTAGTTACGAGCCTGAACTGTTTCCTGGTCTTATTTATAGAATG
GTAAAACCACGAATTGTGTTGCTTATCTTTGTATCTGGAAAAGTTGTGTTGACAGGTGCCAAAGAACGTTCTGAGATCTATGAAGCATTTGAAAACATCTATCCTATTCTAAAAGGTTTTAAAAAAGCCTGA
GAAGTCCCCTGGGTAACTTCCAGGCAGCTTCATTTCTGAAGAGTCCAAACTGCAGCATAGAGGACTTATGAAAAACTGTAAAAAATTGGTTTTAAGTGTTCCATTAAACCCAAAGAAAACAGTCACACAA
CAAAGCCAGACACAGAAAATTAGGGTGACATGTTTCCTGTCATATGTGGAGCCTAGAGAACATAGAGATGATGTGAAAGCAGAAGGAGCTATCAAGAAAAAGGAAAGCAGATGGGGCAGCAGATCCATG
GGAATACTGGCAGAACTGTATAATGGAAGAATGTCGTATGCACATATGAACATGTCATAATGAAACCTAGTATTTTGTACAGTTAATATGGACTAGACAATAGCACAAAGAAATTAGAGATTAGTCTAGCTAT
ATGAAGAGGCTACATCAAAGATCACTCCTTTTTGATGGACAAATTTAATTCCTTATAACTGTAGAGCTGAGATATTCACTTGCTTGTCAGACATTAAATGTATCCCACTCTTAGGGTCTAGAAGTTACCCAGA
CTTCTTGTACCATGGTCCCATCTATCTTCAAAGTCAGCAGTGACGACTCTGCCTTATGACAAGGTCATCTCCTGCTTTCAAATCCCTCCCAAAGAGTGGCCAATTCCTCCTTGGCTGCTCAGTCAGTAAGGG
CAGGCTTGGATCCTTTCCCTTTCCTAACAATGGACTTGGAATTTTAATTACATCTTCAAAACCCAAGAGCATTTGGTTTTTTTTAGATAACTGGGAGATACATTTGGAGATAGGGATTTGGGGAGCCACCGAA
ACATTCTACCTACCATAGGAAATAGTTATAAATCTATTTTACTGGCTGGAGAGATGGCCAAGCAGTTAAGAATACTTTCTGCTTTTTCAAAGGATAGAAATTCTGTTCCTAGCACCCACACTGGGCTTCTTAG
TGATTCCAACTCTACAGGACCTGATGCCTCCTTCTCTCTGGCTTCCTTAGATACCAGTTTGTACTGGCACATGCATATGCACAGGAGAAGGCTCTCTCTCTCTCTCTCCCCCCCCCCCCTCTCTCTCTCTCAC
ACACACACACAAGATGGTGAGATATAATTAATAAAATAAAGTAAAATTTGGATCTGTTTTAGTCAGTTTGGGATGCCATAATAAAACACCACAAACTGGGCAGTTTAAACCACAGAAATTTCCTTCATAGTT
CTGAAGGCTGGAGATCTAAGATCAAGGTCCCTGCAGATTTGGTCTCTCCTGTAGCAATCCTCCATCTTTCCTTTTAGGTAGCTGCCTTAATGTTGCTCTTTTTACAGCTTTTTCTTTGTATTTCTATGAAAACA
TCAGACATATTGGATTGGGGCTTCTACACATGATCTTCATGGGATAAGCAATAACCATAGTTACTGATCTGTGAGGCTGGTTCTGAGTGTGCAGCTCAGTAGGCTGTCTCATTTACAGACACTATGACATTAC
ATCACACATCACTATATAAATCCCAGATTTTTCAAAAGGATCCCCCTATTTTTATTGGAATGTCTGACTCTAGTGCAGGTTATCCAAGCTCCATTCTCAGGTTCGTTTTATCCACCAAGACTGAGCAGATGAGC
TGGGCACAGAGACATGATGATGAATAATTTAAATTGTTCCTTTTAAACAGTAGAATCAAGTAAGGAAGATTTAAAAATACATTTTGCAATCTCTTACATCAAAGTGTCTTCTTCTAGAACAGTTCAATACAGT
TAAGCTAAGACATTTGAATTAAAGCGTTTAAGAAAGAAAAGCTTCTCTGGATATTTGGTTTTACATTAACTTCTTGAGTTGTCTGAACCCTAACTGTGGAATTTGCACAGCTGTAGGCAAATTCTCTGTAATA
GGTGAAAATCTACCTGGGGTGTGAAGGTGAAGAATAATTACAGAAATATCACATCTGAATAGATGAGGGGATTCAGCGGGCAAGGGTGCTTGCCACCAAGCCTGACACTCTGGGTTTGATCCTTGTGTTTC
TTCCAGAGCTGGAAGGAGAGAACCTACTCCTGAAAATTGTCTTCTGACCATAACATGAGCTCTGCACTGTGCATGTGTCCATGCACACATGCCAATGAAGATAAATCAATATTAGAAATATCACATCTAAGA
ATCTGGGTATGGTGATGCTCATGCATGTTGTAACCCCAGAACTTAGGAGCTGGAGGATATACAAGTTTGTGGCTAGCCTGGACTACATGAGAAGAGAAGGGGGAAGGGAAAGAGAAGGAAAAGAAGAAA
AGAAAAGGAAAAGGATAAGGATAAAGGCAGAAGAGAAAAGCATTCTTTTCTCACTTGCACAATGAGAAAACCTTATCATGCTACTCTACTGGAAGCACTAGTCTCGGCCCTCCTCTTCTTCTGGGTGCCA
CCAGCTGTGTCTTGCCTGGCTCATCAACTCCTTCTCTGCTTCTCACCTGACTCCTCAGCTCATTCACAGCATCTGTGCAAGGCAGCAGAGCTGGTCCCGCCTCACTGCGTGCTCCCTGAGGCTGATAAAAG
GTATCTGCTCCCACAGCCAGACTGGTACTAACAAAGCTTCTTCCACTTGCCTGGACGCTGATTCCTTTGCTTGTCCTCAGCTCTACGATGACTTTCCTCCAGCTATGTCTCAACTGTTCAGCCCAGGAGTGC
CTTTAGACATGCACTCACTTCCATCTAATCCAGG
37
Bioinformatica (2): Genomi, DNA, RNA e Sintesi Proteica
22-03-2010
Struttura dei Geni eucariotici codificanti
I geni codificanti sono quelli che vengono trascritti in
mRNA.
Contengono una parte realmente codificante, che
specifica la sequenza degli aminoacidi che costituiranno la
proteina, ed una parte non codificante.
A monte della sequenza che verrà trascritta in mRNA vi
sono le sequenze regolatrici.
La sequenza trascritta è costituita da due tipi di elementi,
detti esoni ed introni.
Solo gli esoni contengono informazioni per la sintesi della
proteina.
38
Bioinformatica (2): Genomi, DNA, RNA e Sintesi Proteica
22-03-2010
Struttura del gene
39
Bioinformatica (2): Genomi, DNA, RNA e Sintesi Proteica
22-03-2010
Struttura dei geni procariotici
La struttura dei geni procariotici è più semplice.
Spesso, nei genomi procariotici, diversi geni vengono controllati da un'unica
regione regolatrice: un tale insieme di geni viene definito operone (Es.
operone formato dai geni A, B, C, D, E).
I geni dell'operone codificano determinate proteine.
Il promotore, a monte dei geni, è necessario all'inizio della trascrizione.
L'operatore, nella sequenza regolatrice, regola l'espressione dei geni.
40
Bioinformatica (2): Genomi, DNA, RNA e Sintesi Proteica
22-03-2010
Genomi, DNA, RNA e Sintesi Proteica
Il Genoma
I Geni
Il Dogma della Biologia Molecolare
41
Bioinformatica (2): Genomi, DNA, RNA e Sintesi Proteica
22-03-2010
Il dogma della Biologia Molecolare
42
Bioinformatica (2): Genomi, DNA, RNA e Sintesi Proteica
22-03-2010
L’espressione genica è il processo attraverso cui l’informazione contenuta
in un gene (DNA) viene trascritta in una molecola di mRNA (trascrizione)
e quindi convertita in una proteina (traduzione).
Tale processo è regolato finemente a diversi livelli, dall’inizio della
trascrizione alle modificazioni post-traduzionali delle proteine prodotte.
Il cosiddetto dogma centrale della biologia molecolare è il principio
secondo il quale il flusso dell'informazione genetica è monodirezionale e
parte dagli acidi nucleici per arrivare alle proteine.
Fanno eccezione a questo principio i retrovirus, il cui ciclo di replicazione
prevede l'introduzione nella cellula della loro informazione genetica sotto
forma di RNA, la sua retrotrascrizione nel citoplasma in una molecola di
DNA che va ad integrarsi nel genoma dell'ospite.
43
Bioinformatica (2): Genomi, DNA, RNA e Sintesi Proteica
22-03-2010
La trascrizione
La trascrizione produce una catena di RNA identica nella
sequenza ad un tratto di filamento di DNA codificante e
complementare al filamento stampo su cui avviene la sua
sintesi.
DNA
gene
gene
44
mRNA
Bioinformatica (2): Genomi, DNA, RNA e Sintesi Proteica
22-03-2010
I promotori sono specifiche sequenze di DNA, che vengono riconosciute da
particolari proteine note come fattori di trascrizione.
Questi fattori si legano ai promotori, reclutando un enzima particolare chiamato
RNA polimerasi, che è in grado di sintetizzare una molecola di RNA a partire dalle
informazioni codificate nel gene.
I promotori sono elementi cruciali che cooperano con altre regioni regolatorie
(enhancers, silencers, …) per il controllo del livello di trascrizione di un dato gene.
promotori
DNA
gene
gene
mRNA
Fattori di trascrizione
45
Bioinformatica (2): Genomi, DNA, RNA e Sintesi Proteica
22-03-2010
La sintesi dell'RNA avviene all'interno di una bolla di trascrizione in cui il DNA
viene temporaneamente separato in due filamenti singoli e il filamento stampo è
usato per la sintesi del filamento di RNA.
La sintesi parte dall'estremità 5' e procede in direzione dell'estremità 3'.
La trascrizione ha inizio quando l'enzima RNA polimerasi si lega ad un promotore
del gene da trascrivere, originando la bolla di trascrizione.
promotori
DNA
gene
gene
Fattori di trascrizione
46
mRNA
RNA Polimerasi
Bioinformatica (2): Genomi, DNA, RNA e Sintesi Proteica
22-03-2010
La trascrizione
La RNA polimerasi produce un filamento di RNA identico al
gene da trascrivere, e per far questo utilizza come stampo il
filamento opposto a quello su cui risiede il gene, sintetizzando
la molecola di RNA in modo complementare allo stampo.
Nei procarioti, degli appositi segnali di terminazione posti a
valle del gene, indicano il termine della trascrizione.
Non sono stati individuati segnali di terminazione negli
eucarioti, ma si è osservato che la terminazione avviene
generalmente a valle di una certa sequenza consenso.
47
Bioinformatica (2): Genomi, DNA, RNA e Sintesi Proteica
22-03-2010
Non tutta l’informazione contenuta nel gene è necessaria alla codifica della proteina
corrispondente.
Per questo, l’informazione superflua viene rimossa mediante un processo detto splicing.
Inoltre all’mRNA viene aggiunto un cappuccio all’estremità 5’ (CAP) e una coda di
Adenine (Poly-A) al 3’, per aumentarne la stabilità.
gene
mRNA (Trascritto primario)
Splicing
gene
gene
48
mRNA (Trascritto maturo)
AAAAA
Bioinformatica (2): Genomi, DNA, RNA e Sintesi Proteica
22-03-2010
Esportazione dell'mRNA
Gli mRNA maturi, provvisti di 5' cap, coda di Poli(A) e
privi della parte non codificante, vengono esportati dal
nucleo nel citoplasma.
49
Bioinformatica (2): Genomi, DNA, RNA e Sintesi Proteica
22-03-2010
La traduzione
La traduzione (o sintesi proteica) costituisce la seconda
fase del processo di espressione genica, ovvero il
processo in cui l'informazione contenuta nel DNA dei
geni viene convertita in proteine che svolgono nella
cellula un'ampia gamma di funzioni.
Nella sintesi proteica un filamento di RNA messaggero,
prodotto a partire da un gene sul DNA attraverso il
processo di trascrizione, è usato come stampo per la
produzione di una specifica proteina.
50
Bioinformatica (2): Genomi, DNA, RNA e Sintesi Proteica
22-03-2010
Il Codice Genetico e la traduzione
Il codice genetico permette il passaggio dall’alfabeto dei nucleotidi a quello
degli aminoacidi.
In particolare, ad ogni tripletta di nucleotidi corrisponde un aminoacido.
Il ribosoma, particella composta da RNA e proteine, lega l’mRNA,
riconosce un particolare segnale di inizio della traduzione (AUG) e scorre
lungo l’mRNA sintetizzando la catena di aminoacidi corrispondente alle
triplette presenti sull’mRNA.
gene
mRNA (Trascritto maturo)
Traduzione
Proteina
51
Bioinformatica (2): Genomi, DNA, RNA e Sintesi Proteica
22-03-2010
Il Codice Genetico
52
Bioinformatica (2): Genomi, DNA, RNA e Sintesi Proteica
22-03-2010
La traduzione
53
Bioinformatica (2): Genomi, DNA, RNA e Sintesi Proteica
22-03-2010
Genomica, trascrittomica e proteomica
Le scienze omiche:
La genomica è lo studio del genoma.
La trascrittomica è lo studio del trascrittoma, cioè la serie di
tutti i geni espressi, definito in base alle molecole di RNA
trascritte (mRNA ed RNA non codificanti).
La proteomica è lo studio del proteoma, cioè la serie completa
delle proteine, che dovrebbe corrispondere agli mRNA del
trascrittoma.
Altre scienze omiche:
54
Metabolomica, glicomica, fosfoproteomica…
Bioinformatica (2): Genomi, DNA, RNA e Sintesi Proteica
22-03-2010
