1 David Sadava, H. Craig Heller, Gordon H. Orians, William K. Purves, David M. Hillis Biologia La scienza della vita 2 B - L’ereditarietà e l’evoluzione La regolazione genica negli eucarioti 3 Sadava et al. Biologia La scienza della vita © Zanichelli editore 2010 I genomi eucariotico e procariotico Eucarioti e procarioti condividono le stesse basi genetiche, ma ci sono importanti differenze che distinguono il loro materiale genetico. 4 Sadava et al. Biologia La scienza della vita © Zanichelli editore 2010 Il genoma eucariotico È più grande di quello dei procarioti (contenuto aploide) È organizzato in cromosomi Possiede i telomeri Contiene sequenze ripetitive Possiede molti geni interrotti Trascrizione e traduzione avvengono in ambienti separati Contiene sequenze regolatrici 5 Sadava et al. Biologia La scienza della vita © Zanichelli editore 2010 I compartimenti del materiale genetico La trascrizione dei geni avviene nel nucleo, dove viene sintetizzato l’mRNA. La traduzione dell’mRNA avviene, invece, nel citoplasma. 6 Sadava et al. Biologia La scienza della vita © Zanichelli editore 2010 Le sequenze ripetitive Il genoma degli eucarioti contiene sequenze ripetitive, che non codificano proteine: sequenze altamente ripetitive sequenze moderatamente ripetitive trasposoni Trasposone a DNA 7 Sadava et al. Biologia La scienza della vita © Zanichelli editore 2010 La struttura di un gene eucariotico I geni sono formati da sequenze codificanti, gli esoni, e sequenze non codificanti, gli introni. I geni contengono anche sequenze regolatrici, come il promotore e il terminatore, che controllano il processo di trascrizione. 8 Sadava et al. Biologia La scienza della vita © Zanichelli editore 2010 Lo splicing elimina gli introni Prima di lasciare il nucleo, l’mRNA viene modificato. Lo spliceosoma «taglia e cuce» il trascritto primario di mRNA per produrre un mRNA maturo. 9 Sadava et al. Biologia La scienza della vita © Zanichelli editore 2010 Una famiglia genica: la globina Nel corso dell’evoluzione le copie di uno stesso gene possono subire mutazioni diverse. Questo dà origine a un gruppo di geni affini, definito famiglia genica, che comprende anche degli pseudogeni non funzionanti. 10 Sadava et al. Biologia La scienza della vita © Zanichelli editore 2010 I check point dell’espressione genica L’espressione genica può essere regolata in diversi momenti (prima, durante e dopo la trascrizione e la traduzione) e in ambienti cellulari differenti (nel nucleo o nel citoplasma). 11 Sadava et al. Biologia La scienza della vita © Zanichelli editore 2010 La regolazione prima della trascrizione Prima che inizi la trascrizione, avviene un rimodellamento della cromatina. I nucleosomi si disgregano, rendendo possibile il legame del complesso di trascrizione al DNA. 12 Sadava et al. Biologia La scienza della vita © Zanichelli editore 2010 La regolazione durante la trascrizione: trascrizione differenziale Tutti i tessuti dell’organismo contengono lo stesso materiale genetico. Le cellule del cervello hanno un metabolismo diverso da quello delle cellule del fegato e perciò hanno bisogno di differenziare la loro espressione genica per produrre proteine diverse. Esistono però dei geni, detti housekeeping, che vengono espressi da tutte le cellule dell’organismo. 13 Sadava et al. Biologia La scienza della vita © Zanichelli editore 2010 La regolazione durante la trascrizione: fattori di trascrizione I fattori di trascrizione sono proteine che determinano se e quando l’RNA polimerasi trascrive il DNA, riconoscendo nel gene le sequenze di regolazione. 14 Sadava et al. Biologia La scienza della vita © Zanichelli editore 2010 La regolazione durante la trascrizione: coordinazione fra geni La coordinazione dell’espressione di più geni avviene grazie a un singolo segnale ambientale, che induce la sintesi di una proteina regolatrice della trascrizione. 15 Sadava et al. Biologia La scienza della vita © Zanichelli editore 2010 La regolazione durante la trascrizione: amplificazione genica Quando il prodotto di un gene è richiesto in quantità elevate, come accade per i geni dell’rRNA, è necessario avere più copie dello stesso gene per aumentare la velocità di trascrizione: questo processo è definito amplificazione genica. 16 Sadava et al. Biologia La scienza della vita © Zanichelli editore 2010 La regolazione durante la trascrizione: splicing alternativo In tessuti diversi, il gene della tropomiosina va incontro a splicing alternativo, dando origine a cinque forme differenti della proteina. 17 Sadava et al. Biologia La scienza della vita © Zanichelli editore 2010 La regolazione dopo la trascrizione I meccanismi di regolazione possono essere traduzionali oppure post-traduzionali, in entrambi i casi viene controllato il livello di proteina prodotta o da produrre. 18 Sadava et al. Biologia La scienza della vita © Zanichelli editore 2010 La regolazione genica nello sviluppo embrionale Durante la vita embrionale, le cellule vanno incontro a: proliferazione per mitosi differenziamento, le cellule assumono specifiche funzioni ma mantengono lo stesso corredo genetico morfogenesi, le cellule si organizzano in organi e apparati apoptosi, la morte programmata delle cellule 19 Sadava et al. Biologia La scienza della vita © Zanichelli editore 2010 I geni a effetto materno L’espressione in sequenza di diversi fattori di trascrizione determina l’organizzazione dei segmenti del corpo di Drosophila: i geni a effetto materno determinano la posizione di testa e coda. 20 Sadava et al. Biologia La scienza della vita © Zanichelli editore 2010 I geni per la segmentazione L’espressione in sequenza di diversi fattori di trascrizione determina l’organizzazione dei segmenti del corpo di Drosophila: i geni per la segmentazione determinano il numero e la posizione dei segmenti. 21 Sadava et al. Biologia La scienza della vita © Zanichelli editore 2010 I geni omeotici L’espressione in sequenza di diversi fattori di trascrizione determina l’organizzazione dei segmenti del corpo di Drosophila: i geni omeotici controllano l’identità di ogni segmento. 22 Sadava et al. Biologia La scienza della vita © Zanichelli editore 2010 La versatilità del genoma eucariotico: la produzione degli anticorpi Per produrre le combinazioni di anticorpi necessarie a difendere l’organismo dagli antigeni non-self, è necessario un meccanismo che produca anticorpi diversi fra loro. 23 Sadava et al. Biologia La scienza della vita © Zanichelli editore 2010 La diversità degli anticorpi è prodotta dalla riorganizzazione del DNA La porzione di anticorpo che lega l’antigene è codificata da un gene che va incontro a riarrangiamento e splicing, per garantire al prodotto genico una grande variabilità. 24 Sadava et al. Biologia La scienza della vita © Zanichelli editore 2010