il gene del polipeptide beta dell`emoglobina umana

GGGACACCTCGGTGTGGGATCCCAACCGGTTAGATGAGGGTCCTCGTCCCTCCCGTCCTCGGTCCCGACC
CGTATTTTCAGTCCCGTCTCGGTAGATAACGAATGTAAACGAAGACTGTGTTGACACAAGTGATCGTTGG
AGTTTGTCTGTGGTACCACGTGGACTGAGGACTCCTCTTCAGACGGCAATGACGGGACACCCCGTTCCAC
TTGCACCTACTTCAACCACCACTCCGGGACCCGTCCAACCATAGTTCCAATGTTCTGTCCAAATTCCTCTG
GTTATCTTTGACCCGTACACCTCTGTCTCTTCTGAGAACCCAAAGACTATCCGTGACTGAGAGAGACGGAT
AACCAGATAAAAGGGTGGGAAGCCGACGACCACCAGATGGGAACCTGGGTCTCCAAGAAACTCAGGAAA
CCCCTAGACAGGTGAGGACTACGACAATACCCGTTGGGATTCCACTTCCGAGTACCGTTCTTTCACGAGC
CACGGAAATCACTACCGGACCGAGTGGACCTGTTGGAGTTCCCGTGGAAACGGTGTGACTCACTCGACGT
GACACTGTTCGACGTGCACCTAGGACTCTTGAAGTCCCACTCAGATACCCTGGGAACTACAAAAGAAAGG
GGAAGAAAAGATACCAATTCAAGTACAGTATCCTTCCCCTCTTCATTGTCCCATGTCAAATCTTACCCTTT
GTCTGCTTACTAACGTAGTCACACCTTCAGAGTCCTAGCAAAATCAAAGAAAATAAACGACAAGTATTGT
TAACAAAAGAAAACAAATTAAGAACGAAAGAAAAAAAAAGAAGAGGCGTTAAAAATGATAATATGAAT
TACGGAATTGTAACACATATTGTTTTCCTTTATAGAGACTCTATGTAATTCATTGAATTTTTTTTTGAAATG
TGTCAGACGGATCATGTAATGATAAACCTTATATACACACGAATAAACGTATAAGTATTAGAGGGATGAA
ATAAAAGAAAATAAAAATTAACTATGTATTAGTAATATGTATAAATACCCAATTTCACATTACAAAATTA
TACACATGTGTATAACTGGTTTAGTCCCATTAAAACGTAAAGATTAAAATTTTTTACGAAAGAAGAAAAT
TATATGAAAAAACAAATAGAATAAAGATTATGAAAGGGATTAGAGAAAGAAAGTCCCGTTATTACTATG
TTACATAGTACGGAGAAACGTGGTAAGATTTCTTATTGTCACTATTAAAGACCCAATTCCGTTATCGTTAT
AAAGACGTATATTTATAAAGACGTATATTTAACATTGACTACATTCTCCAAAGTATAACGATTATCGTCGA
TGTTAGGTCGATGGTAAGACGAAAATAAAATACCAACCCTATTCCGACCTAATAAGACTCAGGTTCGATC
CGGGAAAACGATTAGTACAAGTATGGAGAATAGAAGGAGGGTGTCGAGGACCCGTTGCACGACCAGACA
CACGACCGGGTAGTGAAACCGTTTCTTAAGTGGGGTGGTCACGTCCGACGGATAGTCTTTCACCACCGAC
CACACCGATTACGGGACCGGGTGTTCATAGTGATTCGAGCGAAAGAACGACAGGTTAAAGATAATTTCCA
AGGAAACAAGGGATTCAGGTTGATGATTTGACCCCCTATAATACTTCCCGGAACTCGTAGACCTAAGACG
GATTATTTTTTGTAAATAAAAGTAACGTTACTACATAAATTTAATAAAGACTTATAAAATGATTTTTCCCT
TACACCCTCCAGTCACGTAAATTTTGTATTTCTTTACTACTCGACAAGTTTGGAACCCTTTTATGTGATATA
GAATTTGAGGTACTTTCTTCCACTCCGACGTTGGTCGATTACGTGTAACCGTTGTCGGGGACTACGGATAC
GGAATAAGTAGGGAGTCTTTTCCTAAGAACATCTCCGAACTAAACGTCCAATTTCAAAACGATACGACAT
AAAATGTAATGAATAACAAAATCGACAGGAGTACTTACAGAAAAGTGATGGGTAAACGAATAGGACGTA
GAGAGAGTCGGAACTGA
Questa sequenza rappresenta il gene della catena β dell’emoglobina umana, il
quale è composto da 2052 paia di basi (bp). Il gene è costituito da tre tipi di
segmenti: gli esoni, che sono le sequenze effettivamente utilizzate nella
codificazione della proteina; gli introni, sequenze eliminate nel processo di
maturazione (splicing); una sequenza iniziale ed una sequenza finale.
I globuli rossi nascono nel midollo osseo, e prima di essere trasferiti nel sangue
devono riempirsi di emoglobina. In questa fase (differenziamento cellulare)
praticamente tutto il contenuto della cellula viene sostituito da un grande
numero di molecole di emoglobina, la proteina che ha il compito di trasportare
l’ossigeno. Il GENE è quella parte di DNA che viene trascritta sotto forma di RNA
messaggero (mRNA). Questo vale per tutte le proteine, l’emoglobina è solo un
esempio. A differenza dell’emoglobina, che rimane e funziona stabilmente per
tutta la vita della cellula, molte altre proteine devono essere prodotte e
funzionare soltanto in certe fasi della vita della cellula, perciò la produzione di
una certa proteina può rappresentare un vero e proprio strumento di controllo
dell’attività cellulare. Questo vale in particolare per gli enzimi metabolici, i quali
attivano tutte le vie metaboliche (una via metabolica in realtà non è altro che
una serie di enzimi metabolici specifici). In questo esercizio seguiremo passo
per passo la sintesi (costruzione) del polipeptide β dell’emoglobina umana,
anche se la nostra proteina ed il nostro gene saranno rappresentati soltanto da
sequenze di simboli letterali. Naturalmente nei laboratori di biologia molecolare
esistono programmi specifici molto efficaci per effettuare queste operazioni ed
altre più avanzate, tuttavia anche un semplice programma di scrittura come
Word può essere utilizzato per rendere automatici alcuni passaggi. In
particolare si possono meccanizzare alcune serie di comandi mediante l’utilizzo
di uno strumento di “word”: le macro.
N.B. Prima di eseguire una macro può essere necessario disattivare
temporaneamente il livello di protezione del sistema operativo:
strumenti/macro/protezione/livello medio (o basso)/chiudere il file/riaprire il
file/attiva macro. Se questo non dovesse essere sufficiente, provare a
modificare le impostazioni in protezione/editori attendibili.
L’esercizio può essere suddiviso nelle seguenti fasi:
1) Produzione del filamento complementare. Come sappiamo il DNA si trova
sempre a doppio filamento (doppia elica), dunque a partire dalla
sequenza proposta (DNA1), otterremo la corrispondente sequenza
complementare (DNA2).
2) Produzione dell’RNA MESSAGGERO: processo di TRASCRIZIONE. Il messaggero
si ottiene con il meccanismo delle basi complementari partendo dal
filamento DNA2. Questo RNA si chiama TRASCRITTO PRIMARIO (lo
indicheremo con RNA1).
3) Maturazione del trascritto primario (splicing). Il messaggero viene
tagliato e ricucito in modo da eliminare gli INTRONI. Il nuovo RNA lo
indichiamo con RNA2.
4) Traduzione: la sequenza di nucleotidi dell’RNA maturo (RNA2) viene
utilizzata per costruire la sequenza di amminoacidi (polipeptide) della
catena β dell’emoglobina. Una volta che la sequenza (struttura primaria)
è formata, rimane determinata in modo univoco la struttura generale
(secondaria + terziaria + quaternaria) e di conseguenza la funzione della
proteina.
5) Mutazione: una mutazione molto diffusa in certe popolazioni, determina
una malattia chiamata ANEMIA FALCIFORME. Troveremo la sequenza di
questo gene portatore della mutazione.
Seguite le seguenti istruzioni, utilizzando le serie automatiche di comandi
(macro) quando indicato.
a) Trasformare la sequenza proposta ottenendo il filamento
complementare: a questo scopo eseguire la macro DNA_DNA. Tutte le
volte che si esegue una macro porre il cursore alll’inizio della sequenza.
strumenti/macro/macro/DNA_DNA/esegui.
Il risultato è un filamento esattamente complementare (DNA2) a quello
originale.
b) Sia il messaggero sia il filamento complementare sono costruiti con lo
stesso meccanismo, dunque per ottenere il messaggero (RNA1) è
sufficiente sostituire la T con la U, che è la base caratteristica dell’RNA:
- selezionare tutta la sequenza DNA2
- modifica/sostituisci/trova T sostituisci con U/sostituisci tutto.
c) Togliere gli INTRONI (in colore grigio), in modo che tutti gli ESONI (fucsia)
siano consecutivi. Si ottiene l’mRNA così come viene “letto” dai ribosomi
(lo chiamiamo RNA2).
d) Togliere tutti i nucleotidi che non corrispondono a nessun amminoacido,
lasciando soltanto gli esoni (lettere color fucsia): in altre parole togliere
le sequenze iniziale (blu) e terminale (verde). Questa nuova sequenza
(RNA3) ci serve per ottenere la struttura primaria (sequenza degli
amminoacidi) della proteina.
e) Separare le “triplette” di nucleotidi di RNA3. A questo scopo basta
introdurre uno spazio ogni tre nucleotidi: GUG CAC CUG ACU ecc… Questa
operazione viene eseguita dalla macro “triplette”:
strumenti/macro/macro/triplette/esegui.
f) Ora viene la fase più interessante: ogni tripletta deve essere sostituita
dall’amminoacido corrispondente. Anche in questo caso trovate
predisposta una macro (RNA_PROTEINA) che consente di eseguire un
solo comando per tutte le 64 triplette:
strumenti/macro/macro/RNA_PROTEINA/esegui.
g) Parliamo ora di MUTAZIONI. L’emoglobina caratteristica della malattia
chiamata ANEMIA FALCIFORME presenta una piccola differenza rispetto
all’emoglobina normale: il sesto amminoacido della catena β non è un
acido glutammico (glu) ma una valina (val). Questa sostituzione provoca
la formazione di un legame fra molecole di emoglobina vicine, le quali si
strutturano formando dei “bastoncini” di emoglobina all’interno dei
globuli rossi. A sua volta questa anomalia produce la deformazione delle
cellule, le quali, a causa della loro forma “a falce” passano con molta
difficoltà attraverso i capillari. La sostituzione di un solo amminoacido in
una proteina è la causa di una malattia, la quale si manifesta in modo
grave nel caso che entrambi i geni omologhi siano portatori della
mutazione (genotipo omozigote). Domanda: come sarà il gene di questo
polipeptide rispetto a quello normale?
h) Scrivere la sequenza del gene mutato, ottenuta facendo corrispondere
alla sostituzione di amminoacido sopra descritta la relativa sostituzione di
tripletta nel DNA (consultare il codice genetico a pag 56). Evidenziare (ad
esempio in grassetto) i nucleotidi diversi responsabili della mutazione.