Organizzazione e struttura molecolare dei cromosomi

Principi di genetica - Robert J. Brooker
Copyright © 2010 – The McGraw-Hill Companies srl
SOLUZIONI AI PROBLEMI DEL CAPITOLO 10
Domande concettuali
C1. L'autoassemblaggio si verifica spontaneamente, senza l'intervento di altre proteine. L'assemblaggio diretto
richiede l'aiuto di proteine non presenti nel rivestimento virale maturo.
C2. Anche i virus necessitano di sequenze che li rendano in grado di essere replicati. Queste sequenze sono
equivalenti alle origini di replicazione presenti nei cromosomi batterici ed eucariotici.
C3. Il nucleoide batterico è una regione della cellula batterica che contiene un cromosoma circolare compatto.
Diversamente dal nucleo eucariotico, un nucleoide non è circondato da una membrana.
C4. Un batterio con due nucleoidi è simile a una cellula eucariotica diploide perché avrà due copie per ciascun gene. Il
batterio è diverso, tuttavia, rispetto alla configurazione allelica. Una cellula eucariotica può avere due alleli diversi
per lo stesso gene. Per esempio, una cellula di una pianta di pisello potrebbe essere eterozigote, Tt, per il gene che
determina l’altezza. Per confronto, un batterio con due nucleoidi ha due cromosomi identici. Perciò, un batterio
con due nucleoidi è omozigote per i suoi geni cromosomici. Nota: come descritto nel Capitolo 6, un batterio può
presentare un altro frammento di DNA denominato fattore F’, che può portare alcuni geni. Gli alleli sul fattore F’
possono essere diversi dagli alleli sul cromosoma batterico.
C5. Un meccanismo prevede la formazione di domini ad ansa. Le anse di DNA sono ancorate alle proteine che legano
il DNA. Secondariamente, la doppia elica di DNA è superavvolta per renderla più compatta, in modo simile alla
torsione di un elastico.
C6.
A. Un’ansa di 40 000 bp. Una coppia di basi è 0,34 nm, che equivale a 0,34 x 10–3 μm. Se li moltiplichiamo tra
loro:
(40 000) (0,34 x 10–3) = 13,6 μm
B. Circonferenza = πD
13,6 μm = πD
D = 4,3 μm
C. No, è troppo grande per poter entrare in E. coli. È necessario il superavvolgimento per rendere le anse più
compatte.
C7. Il DNA è una doppia elica. L'elica è una struttura avvolta. Il superavvolgimento riguarda l'ulteriore avvolgimento
in una struttura che è già una spirale. Il superavvolgimento positivo è denominato superspiralizzazione perché
aggiunge ulteriori avvolgimenti nella stessa direzione della doppia elica di DNA; questa è nella direzione
destrorsa. Il superavvolgimento negativo è nella direzione opposta. Il DNA Z è un'elica sinistrorsa. Il
superavvolgimento positivo nel DNA Z avviene in direzione sinistrorsa, mentre il superavvolgimento negativo
nella direzione destrorsa. Questa situazione è opposta rispetto alla direzione dei superavvolgimenti positivi e
negativi nel DNA B.
C8. Queste sostanze diminuiscono la quantità dei superavvolgimenti negativi nel DNA. Il superavvolgimento negativo
è necessario per condensare il DNA cromosomico, e interviene anche nella separazione dei filamenti. I batteri non
sono in grado di sopravvivere e/o trasmettere i loro cromosomi alle cellule figlie se il loro DNA non viene
impacchettato in modo appropriato. Inoltre, dato che il superavvolgimento negativo favorisce la separazione dei
filamenti, queste sostanze rendono più difficile la separazione dei filamenti di DNA. Perciò, i batteri non saranno
in grado di trascrivere i loro geni e di replicare il loro DNA, perché entrambi i processi richiedono la separazione
dei filamenti. Come descritto nel Capitolo 11, la replicazione del DNA è necessaria per produrre nuove copie del
materiale genetico da trasmettere alle cellule figlie. Se la replicazione del DNA fosse inibita, i batteri non
potrebbero crescere e dividersi in nuove cellule figlie. Come descritto nei Capitoli 12-14, la trascrizione genica è
necessaria affinché le cellule batteriche producano le proteine. Se la trascrizione genica fosse inibita, i batteri non
potrebbero produrre molte proteine fondamentali per la sopravvivenza.
C9. A. I tre avvolgimenti aggiungono oppure eliminano tre giri completi fino a crearne rispettivamente un totale di
sette oppure tredici.
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B. Se l'elica presenta sette avvolgimenti, era sinistrorsa. I tre giri completi in direzione destrorsa che hai
applicato causeranno l'eliminazione di tre avvolgimenti da un'elica sinistrorsa. Se l'elica ora ha tredici
avvolgimenti, essa era destrorsa. I tre giri in direzione destrorsa che hai applicato hanno causato l'aggiunta di tre
giri completi in un'elica destrorsa (confronta le Figure 10.6a e d).
C. Il movimento di torsione non produce probabilmente superavvolgimenti perché i due lacci non interagiscono
tra loro. È facile per loro variare il numero degli avvolgimenti.
D. Se tu incollassi tra loro i due lacci, i tre giri completi aggiuntivi probabilmente creerebbero dei
superavvolgimenti. Una coppia di spaghi incollati tra loro assomiglia a una doppia elica di DNA. In una doppia
elica, i due filamenti formano tra loro dei legami idrogeno, i quali fungono da “collante”. Ulteriori movimenti di
torsione tendono a creare dei superavvolgimenti piuttosto che alterare il numero dei giri dell'elica.
C10.
Girasi
Superavvolgimento
negativo
C11. I topoisomeri si differenziano per il numero di superavvolgimenti che contengono. Essi sono identici rispetto al
numero di coppie di basi nella doppia elica.
C12. Il centromero è il sito di attacco per il cinetocore, che si connette al fuso. Se un centromero non si attaccasse al
fuso, esso sarebbe libero di muoversi nella cellula, e potrebbe non trovarsi vicino a un polo quando la membrana
nucleare si forma nuovamente durante la telofase. Se un cromosoma restasse all’esterno del nucleo, esso verrebbe
degradato durante l’interfase. Questo è il motivo per cui il cromosoma senza il centromero può non essere
presente nelle cellule figlie.
C13. I centromeri sono strutture presenti nei cromosomi eucariotici che costituiscono un sito di attacco per le proteine
del cinetocore, in modo tale da rendere possibile l'assortimento (cioè la corretta segregazione) dei cromosomi
durante la mitosi e la meiosi. Essi sono importanti soprattutto durante la fase M.
C14. Come suggerisce il nome, il DNA altamente ripetuto è una sequenza di DNA che è ripetuta numerose volte nel
genoma, da decine di migliaia a milioni di volte. Essa può essere distribuita in tutto il genoma oppure raggruppata
in un tandem, di una breve sequenza nucleotidica che viene ripetuta numerose volte consecutivamente. Negli studi
di rinaturazione, il DNA altamente ripetuto si rinatura con un tasso molto maggiore perché ci sono numerose
copie delle sequenze complementari.
C15. Un nucleosoma è composto da DNA a doppia elica che compie 1,65 giri attorno a un ottamero di istoni. Nella
fibra di 30 nm, l'istone H1 partecipa all'impacchettamento dei nucleosomi. Il modello tridimensionale a zigzag è il
modello attualmente accettato per descrivere in che modo avvenga questa condensazione. Esso corrisponde a una
disposizione piuttosto casuale (a zigzag) dei nucleosomi all'interno della fibra di 30 nm.
C16. Durante l’interfase (cioè nelle fasi G1, S, e G2), l’eucromatina è presente principalmente sotto forma di fibra di 30
nm in una configurazione ad anse radiali. La maggior parte dei cromosomi interfasici hanno anche regioni
eterocromatiche dove i domini ad ansa sono altamente compatti. Durante la fase M, ogni cromosoma diventa
interamente eterocromatico, e questa condensazione è necessaria per un corretto assortimento dei cromosomi
durante la divisione nucleare.
C17. Assumendo una dimensione di 3 miliardi bp, e se assumiamo che 146 bp si avvolgono attorno a un ottamero di
istoni, con 50 bp nella regione linker:
3 000 000 000/196 = 15 306 122, ossia circa 15,3 milioni
C18. Durante l’interfase, i cromosomi sono presenti all’interno del nucleo cellulare. Essi sono poco condensati e sono
trascrizionalmente attivi. Alcuni segmenti dei cromosomi sono fissati alla matrice nucleare. Durante la fase M, i
cromosomi diventano altamente condensati, e la matrice nucleare viene frammentata in vescicole. Il DNA
cromosomico rimane collegato a uno scaffold, formato dalla matrice nucleare. Alla fine, i cromosomi si attaccano
all’apparato del fuso mediante i microtubuli che si uniscono al cinetocore, a sua volta attaccato al centromero.
C19. L'eterocromatina è maggiormente condensata rispetto all'eucromatina. Questo è dovuto al maggiore
impacchettamento dei domini ad ansa radiali. Dal punto di vista funzionale, l'eucromatina può essere trascritta in
RNA, mentre l'eterocromatina è inattiva. L'eterocromatina è maggiormente abbondante nelle regioni
centromeriche e telomeriche dei cromosomi.
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C20. Ci sono 146 bp attorno al core istonico. Se la regione linker è di 54 bp, ci aspettiamo 200 bp di DNA (cioè 146 +
54) per ciascun nucleosoma e la regione linker. Se dividiamo 46 000 bp per 200 bp, otteniamo 230. Siccome ci
sono due molecole di H2A per ogni nucleosoma, nel campione di DNA di 46 000 bp ci sarebbero 460 molecole di
H2A.
C21. Questa è una fibra di 30 nm, che è la forma di DNA prevalente nelle anse radiali di una cellula in interfase.
C22. Il ruolo del core istonico è quello di formare i nucleosomi. In un nucleosoma, il DNA è avvolto 1,65 volte attorno
agli ottameri di istoni. L’istone H1 si lega alla regione linker. Esso può svolgere un ruolo nell’impacchettamento
del DNA nella fibra di 30 nm.
C23.
A. Ci sono circa 108 bp in questo cromosoma. In una doppia elica, un singolo nucleotide occupa circa 0,34 nm,
che equivale a 0,34 x 10-3 μm. Se moltiplichiamo tra loro questi due valori: 108 (0,34 x 10-3) = 0,34 x 105 μm,
ovvero 34 000 μm.
B. La fibra di 30 nm è circa 49 volte più corta rispetto alla doppia elica lineare (nota: la fibra di 11 nm compatta
il DNA di circa sette volte. La struttura di 30 nm condensa il DNA di ulteriori sette volte rispetto alla fibra di 11
nm. Perciò, rispetto al DNA lineare, la fibra di 30 nm è 7 x 7 = 49 volte più compatta). Se dividiamo 34 000 μm
per 49 otteniamo 694 μm.
C. Esso non entrerebbe nel nucleo se fosse in conformazione lineare, perché un nucleo standard è molto più
piccolo. Tuttavia, la fibra di 30 nm è molto sottile e compattata in molti domini ad ansa radiali.
C24. La risposta è B ed E. Un corpo di Barr è costituito da un tipo di cromatina altamente condensata denominata
eterocromatina. L’eucromatina non è così compatta. Un corpo di Barr non è costituito da eucromatina. Il corpo di
Barr è un cromosoma, il cromosoma X. Il termine genoma si riferisce alla totalità dei cromosomi che
costituiscono la composizione cromosomica di un individuo.
C25. Durante l'interfase, la maggior parte del DNA cromosomico è nella forma di fibra a 30 nm, e parte di esso si trova
sotto forma di eterocromatina condensata. Durante la metafase, tutto il DNA è altamente impacchettato, come
illustrato nella Figura 10.16d. Un elevato livello di condensazione impedisce la trascrizione genica e la
replicazione del DNA. Di conseguenza, questi eventi si verificano durante l'interfase.
Domande sperimentali
S1. Si adatta ai dati la seconda possibilità, nella quale la molecola A presenta 4 superavvolgimenti positivi e la
molecola B un superavvolgimento negativo. La molecola A sarebbe più compatta perché ha più
superavvolgimenti. Inoltre, la molecola B sarebbe più attiva dal punto di vista trascrizionale, perché è
superavvolta in senso negativo. La prima possibilità non si adatta ai dati perché entrambe le molecole hanno lo
stesso livello di superavvolgimenti, per cui la molecola A e la molecola B avrebbero lo stesso livello di
condensazione. La terza possibilità non spiega i dati perché la molecola B sarebbe più compatta.
S2. Questo tipo di esperimento fornisce le proporzioni relative delle sequenze di DNA altamente ripetute,
moderatamente ripetute e uniche all’interno del genoma. Le sequenze altamente ripetute si rinaturano con una
velocità maggiore, le sequenze moderatamente ripetute con un tasso intermedio, e le sequenze uniche si rinaturano
lentamente.
S3. Esso influenza solamente la velocità di rinaturazione. La denaturazione avviene perché il calore causa la rottura
dei legami idrogeno tra i due filamenti. La velocità di denaturazione dipende dal livello dei legami idrogeno, non
dal numero di copie di una sequenza. La velocità di rinaturazione, invece, dipende dalla capacità dei due filamenti
complementari di identificarsi l’un l’altro. La velocità con cui i due filamenti complementari si appaiano sarà
tanto maggiore quanto più elevata è la concentrazione dei due filamenti. Ecco perché le sequenze altamente
ripetute si rinaturano più velocemente.
S4. Il DNA superavvolto apparirebbe avvolto in una struttura relativamente compatta. Potresti aggiungere diverse
topoisomerasi purificate e vedere al microscopio in che modo esse influenzano la struttura. Per esempio, la DNA
girasi risolve i superavvolgimenti positivi, la topoisomerasi I quelli negativi. Se aggiungessi la topoisomerasi I a
una preparazione di DNA ed esso diventasse meno condensato, allora il DNA sarebbe superavvolto
negativamente.
S5.
1.
La struttura ripetuta dei nucleosomi è stata rivelata da studi di digestione mediante DNasi I.
2.
Gli studi di purificazione hanno dimostrato che la composizione biochimica corrisponde a un
ottamero di istoni.
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3.
Più recentemente, la cristallografia ha dimostrato la precisa struttura del nucleosoma.
4.
La microscopia ha fornito informazioni circa la fibra di 30 nm e l'attacco della cromatina alla
membrana nucleare.
In generale, è più facile comprendere la struttura molecolare di qualcosa che si presenta in una conformazione
regolare e ripetuta. Nel cromosoma eucariotico i nucleosomi sono disposti con un andamento ripetuto. Il
cromosoma batterico sembra essere più irregolare nella sua composizione biochimica.
Percentuale di DNA rinaturato
S6.
Altamente
Moderatamente
Singola copia
COt
S7. Con una concentrazione salina moderata, la struttura del nucleosoma rimane inalterata, quindi si osserverebbero
gli stessi risultati. La DNasi I taglierebbe la regione linker e produrrebbe frammenti di DNA che si
presenterebbero in una lunghezza di 200 bp o multipli di questa dimensione. Tuttavia, con una concentrazione
salina elevata, il core istonico verrebbe perduto, e la DNasi I taglierebbe in qualunque sito. Sul gel, osserveresti
frammenti di ogni dimensione. A causa di ciò, nella corsia si osserverebbe una striscia continua anziché poche
bande discrete di DNA.
S8. Otterresti dei frammenti di DNA da circa 446 a 496 bp (cioè 146 bp sommato a 300-350 bp).
S9. Ci sono molte possibilità. Potresti digerirlo con la DNasi I e vedere se ottieni dei multipli di circa 200 bp. Potresti
cercare di purificare le proteine dal campione e vedere se sono presenti proteine eucariotiche oppure batteriche.
S10. Gli istoni sono carichi positivamente, e il DNA è carico negativamente. Essi si associano mediante interazioni
ioniche. Il sale è composto da ioni positivi e ioni negativi. Per esempio, quando disciolto in acqua, il sale NaCl si
trasforma in singoli ioni Na+ e Cl–. Quando la cromatina viene esposta a un sale come NaCl, gli ioni positivi Na+
si possono legare al DNA, e gli ioni Cl– possono associarsi agli istoni. Questo impedisce al DNA e agli istoni di
associarsi tra loro.
S11. A. Siccome la sequenza AluI è distribuita in modo uniforme in tutti i cromosomi, vi sarebbero molte segnali
intensamente colorati lungo tutti i cromosomi.
B. Solamente la regione centromerica del cromosoma X apparirebbe colorata.