File 1 - Fondazione Adriano Buzzati

prodotti/diversità
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diversità
a2
L’uomo è stato da sempre colpito dalla diversità delle forme viventi e dagli
adattamenti quasi perfetti degli organismi ai diversi ambienti, cercando
di riconoscere un ordine nella natura classificando gli organismi sulla base delle
loro caratteristiche apparenti. L’esperienza mostrava che le specie rimanevano
sempre uguali a se stesse, generazione dopo generazione, e il racconto biblico
“spiegava” tale fatto con una creazione divina indipendente. Tutte le specie
erano state create simultaneamente e in tempi relativamente recenti.
La diversità tra gli individui era attribuita all’azione dell’ambiente, ovvero
al fatto che l’imperfezione della materia e le necessità fisiologiche introducevano
delle variazioni nella forma ideale.
il codice
e la diversità
a
1
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3
4
5
La terra vista dal satellite
1. Charles Darwin
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istruzioni
2. Il brigantino H.M.S Beagle
5. Crostaceo Isopode Serolide
Tutti gli esseri viventi sono costruiti e funzionano secondo un “programma”,
una sequenza di istruzioni che determinano la struttura e le funzioni delle
cellule. Al giorno d’oggi, nell’era dei computer, parlare di “programma” o di
“informazione” aiuta a comprendere che una semplice sequenza di bit, di 1 e 0
nella memoria di un calcolatore, può realizzare operazioni molto complicate.
3. Scheletro di Milodonte
4. Nandu di Darwin
6. Molluschi e Madrepore
Nel 1859 Charles Darwin propone un’ipotesi del tutto diversa.
Le differenze tra gli individui appartenenti a una determinata
specie non sono un accidente dei processi di sviluppo, ma la
condizione normale. Tale diversità implica che alcuni organismi
avranno un vantaggio riproduttivo, e potranno quindi trasmettere
alla loro discendenza le caratteristiche favorevoli
Ma il codice biologico è qualcosa di diverso, e di ancor più
complicato. Non solo è in grado di istruire operazioni molto
complesse, ma è in grado di fornire l’informazione per
la realizzazione di un nuovo organismo
La presenza di caratteristiche variabili, trasmissibili da una generazione all’altra,
era stata riconosciuta già nel momento in cui l’uomo aveva cominciato
a addomesticare piante e animali, sviluppando le prime tecniche agricole
e di allevamento. Già più 7000 anni fa gli agricoltori dell’America centrale
incrociavano fra loro piante diverse di mais per migliorarne le caratteristiche.
In pratica i primi agricoltori sfruttarono la naturale variabilità degli organismi
viventi, sviluppando varietà domestiche attraverso incroci selettivi che miravano
a eliminare proprietà non interessanti o dannose e a mantenere o migliorare
quelle utili.
Il codice è scritto nel DNA ed è costituito da quattro “lettere”, le basi
(basi nucleotidiche), che convenzionalmente si indicano con A, G, C, T.
Le istruzioni contenute in questo codice sono interpretate nello
stesso modo in tutti gli esseri viventi: il codice è universale
L’unicità del “codice dei viventi” è un ulteriore conferma che tutti gli organismi
discendono da un progenitore comune, una delle ipotesi avanzate da Charles
Darwin già nel 1859.
Questo processo in cui l’uomo è l’artefice della selezione, fu attentamente
studiato da Darwin, il quale per spiegare la selezione naturale utilizzò l’analogia
della selezione artificiale. La selezione naturale manca ovviamente del carattere
intenzionale della scelta, non agisce in base a un fine o a un disegno
prestabilito.
Darwin formulò le sue teorie dopo aver raccolto sistematicamente moltissime
informazioni su fossili e sugli organismi viventi, nel suo lungo viaggio come
naturalista a bordo del brigantino HMS Beagle. L’elaborazione di tutti questi
dati e di altri acquisiti successivamente in Inghilterra, lo portarono a formulare,
dopo alcuni anni, la teoria evolutiva dell’origine delle specie.
A1
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6
a3
l’idea di Mendel
Il problema che Darwin non era in grado di risolvere era l’origine
delle variazioni, e soprattutto come queste potevano
trasmettersi da una generazione all’altra
I principi che sono alla base dell’ereditarietà sono stati stabiliti dal monaco
Gregor Mendel, anche se sono stati riconosciuti dalla comunità scientifica
solamente agli inizi del 1900. Incrociando con grande cura tra loro diverse
varietà di piante di pisello, egli scoprì che i tratti ereditari sono trasmessi
da fattori discreti, che saranno, in seguito chiamati, “geni”.
pisello
La genetica poneva su un piano scientifico le leggi dell’ereditarietà, e poteva
quindi spiegare la costanza delle caratteristiche di una specie col passare
delle generazioni. Ma allo stesso tempo riconosceva la possibilità di mutazioni,
cambiamenti casuali nell’informazione genetica, e quindi la possibilità
del sorgere di forme nuove.
liscio o rugoso e
...le conseguenze
Esaminando la trasmissione di 7 coppie alternative di caratteri in piante
di piselli, Mendel dimostra che ogni singolo carattere alternativo (ad esempio
il colore verde o giallo) viene trasmesso da un “fattore”, e che i fattori
responsabili dei caratteri alternativi non si mescolano tra loro né si influenzano.
Ogni cellula possiede due alleli (forme alternative dello stesso gene) per ogni
carattere, uno trasmesso dal padre e uno trasmesso dalla madre, che possono
essere uguali o diversi. Un carattere tende a prevalere sull’altro, e per questo
viene detto dominante. Il carattere recessivo si manifesta solo quando entrambe
le coppie del gene sono uguali (recessivo + recessivo).
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1
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1. G. Mendel 2. Il giardino di Mendel
6. Occhi chiari e occhi scuri
3
4
3. Fori della pianta di pisello 4. Muffa
5
5. Pomodori
la genetica
un puzzle da risolvere
Nella realtà i meccanismi dell’ereditarietà non seguono fedelmente le regole
definite da Mendel, nel senso che i geni sono delle entità che funzionano
in modo piuttosto complesso:
Con la sintesi tra genetica e teoria dell’evoluzione si è potuta apprezzare
l’importanza di tutte le varianti di una carattere ereditario all’interno di una
popolazione, e non solo delle varianti “più adatte”.
Per sopravvivere ai cambiamenti nell’ambiente una specie ha infatti bisogno
di un’ampia variabilità nel patrimonio genetico.
• Gli alleli di un carattere non sono sempre dominanti o recessivi,
ma possono essere ad esempio co-dominanti.
• La maggior parte degli alleli esiste in più di due forme
(per esempio i gruppi sanguigni: A, B, AB, 0. Il colore degli occhi).
• La maggior parte dei caratteri sono determinati da più geni
che cooperano e interagiscono tra loro.
Né i genetisti né i biologi evoluzionisti furono però
in grado di stabilire quale materia chimica fossero fatti i geni:
se cioè l’ereditarietà fosse trasmessa dagli acidi nucleici
o dalle proteine
A2
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6
g3
le copie
Con il termine clonazione di intendono in realtà diverse tecniche, che hanno
scopi differenti.
In biologia molecolare il termine clonazione sta ad indicare la produzione
di copie tutte uguali di una porzione di DNA.
La clonazione cellulare consente di produrre numerose copie identiche
di organismi unicellulari come i batteri e cloni di cellule somatiche, cioè
appartenenti al corpo di un individuo adulto. In quest'ultimo caso non
si otterranno copie dell' individuo, bensì copie della cellula somatica clonata.
In senso più ampio con il termine clonazione si intende anche un insieme
di tecniche in grado di produrre nuovi organismi completi a partire da una
singola cellula di un individuo capostipite. La produzione di un nuovo organismo
a partire dal nucleo della cellula di un individuo adulto, come è avvenuto nel
caso della pecora Dolly, prende il nome di clonazione nucleare, in quanto viene
clonato solo il nucleo della cellula di origine, mentre il materiale citoplasmatico
(e quindi anche i mitocondri con il loro DNA) deriva dall'ovocita ricevente.
Ad oggi la clonazione è possibile per vari organismi, infatti sono stati clonati
tra gli altri topi, tori e pecore.
pannocchie
1
2
Le promesse della post-genomica riguardano la nostra salute in modo
molto più diretto. Avremo nuove tecniche diagnostiche che
consentiranno di individuare la predisposizione genetica all'insorgenza
di particolari malattie, nuove terapie che consentiranno di “riparare”
o inibire l'azione di geni dannosi, nuove medicine fatte “su misura” per
il corredo genetico di ciascun individuo.
3
1. La pecora Dolly 2. Topo a cui è stato inattivato il gene per la sensibilità alle spezie.
3. Mappe di espressione genetica personalizzate per ciascun individuo.
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Il dopo Genoma
Conoscere la probabilità di sviluppare alcune malattie può permettere
una prevenzione più efficace, ma anche costituire un motivo di ansia
per il portatore della malattia, che non è detto si manifesti. Non meno
importante è il rischio di discriminazioni nell’accesso alle cure e da
parte dei datori di lavoro. Inoltre, si tratta di procedure ancora molto
costose.
Tutto lascia pensare che l'accumulo delle conoscenze e le sempre
più sofisticate tecniche di manipolazione genetica produrranno una
rivoluzione nei nostri stili di vita. E le nuove prospettive che si aprono
con la possibilità di utilizzare organismi geneticamente modificati nel
campo agroalimentare o con l’introduzione dei test genetici nella pratica
medico-sanitaria sono oggetto di valutazioni controverse.
Siamo già entrati in un futuro che costringerà a riflettere sulle
conseguenze derivanti dall’uso delle biotecnologie. Senza pregiudizi
e con l’obiettivo di sfruttarne gli indubbi vantaggi e prevenire i rischi
di abusi.
Non esistono prove che gli organismi geneticamente modificati siano
dannosi per salute umana o per l’ambiente. Alcuni biologi paventano
rischi per la biodiversità. Di fatto, le normative in vigore prevedono
controlli tali da garantire ampi margini di sicurezza. Inoltre, l’ingegneria
genetica applicata alle piante può essere molto utile – ovviamente
non da sola – per affrontare i problemi agroalimentari e sanitari
nei paesi in via di sviluppo.
G2
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tabella adattata dal lavoro del 1949 di Chargaff
adenina
timina
guanina
citosina
timo di vitello
1.7
1.6
1.2
1.0
fegato di bue
1.6
1.5
1.3
1.0
lievito
1.8
1.9
1.0
1.0
bacillo della tubercolosi
1.1
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2.6
2.4
DNA estratto da...
1. O.Avery al Rockefeller Institute 2. T.H. Morgan
3. E.Chargaff 4. A. Hershey in barca con J. Watson a Cold Spring Harbor
1
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Drosophila melanogaster
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DNA o Proteine?
Nel 1949 Edwin Chargaff dimostrò che nei DNA delle diverse specie i rapporti
G/C e A/T sono costanti e intorno a 1. Si tratta delle cosiddette regole di
Chargaff, che implicavano una regolare associazione tra guanina e citosina
e tra adenina e timina. Anche questa scoperta sarà fondamentale per arrivare
a definire la struttura definitiva della molecola del DNA.
Chi alla fine dell’Ottocento studiava le cellule, era dell’idea che l’ereditarietà
biologica fosse dovuta alla trasmissione da una generazione all’altra di una
sostanza chimica presente nei cromosomi.
I cromosomi si sapeva che erano costituiti da acidi nucleici e proteine e che
si trovavano nel nucleo, centro operativo della cellula. Inoltre, nel 1869
da Frederick Meischer, il DNA viene identificato come materiale presente
nel nucleo della cellula.
Nel 1952 Alfred Hershey e Martha Chase, con un elegante esperimento fatto
con il virus batteriofago dimostrano che il DNA, e non le proteine, è il
responsabile della produzione dei nuovi virus all’interno delle cellule batteriche.
E che il materiale genetico di questo virus è fatto di DNA.
Agli inizi del Novecento Thomas Hunt Morgan dopo aver
eseguito studi con i moscerini della frutta, Drosophila
melanogaster, conclude che i “geni” di Mendel si trovano
effettivamente sui cromosomi
Fino al 1944 però, il DNA è stato prevalentemente considerato una molecola
inerte. Si pensava che i geni fossero fatti di proteine, molecole molto
complesse che svolgono ruoli diversi e molto importanti all’interno delle cellule
e nella comunicazione chimica tra le cellule, attivi in tutti i processi vitali e
capaci di svolgere compiti quasi illimitati. Il DNA, invece, avendo solo quattro
basi nucleotidiche A, T, C, G (Adenina, Timina Citosina, e Guanina), non
sembrava potesse assumere la variabilità di forme necessarie a trasmettere
l’incredibile diversità di caratteristiche biologiche.
Nel 1944 Oswald Avery dimostra che si possono trasformare dei batteri
innocui in batteri patogeni, trasferendo nei batteri innocui il DNA isolato da
batteri virulenti: il DNA è quindi il materiale che trasmette le caratteristiche
ereditabili.
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manipolare il DNA
1. Struttura tridimensionale di un enzima di restrizione che sta tagliando il DNA
2. Schema di clonaggio di un gene. 3. K. Mullis che ha messo a punto la tecnica della PCR.
4. Copertina del New scientist dedicata al Test del DNA per usi forensi. 5. Microarray
6. Sanger.
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Immagine di uno schema di sequenza di un frammento di DNA.
Ogni banda corrisponde alla posizione di una lettera.
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1
una vera rivoluzione
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Con la scoperta, agli inizi degli anni ‘70, degli “Enzimi di restrizione”,
che tagliano il DNA in sequenze specifiche e deIla DNA ligasi che permette
di rilegare i filamenti tagliati, è stato possibile manipolare il DNA.
Questa tecnica che è stata denominata “ingegneria genetica” ha reso
possibile all’uomo di prelevare pezzi di DNA da organismi diversi e combinarli
tra loro. Ha permesso per esempio di prendere un gene umano come quello
dell’insulina e metterlo in un batterio per fargli produrre la proteina umana.
L’ingegneria genetica ha sollevato all’inizio molte preoccupazioni, dal momento
che per la prima volta nella storia del genere umano era possibile manipolare
e mischiare geni di organismi molto diversi tra loro. Gli stessi ricercatori all’inizio
hanno deciso di procedere con molta cautela in questo campo, ma in seguito,
con il procedere delle ricerche si è visto che queste tecnologie sono in realtà
molto sicure e non ci sono rischi per la salute dell’uomo. Queste tecnologie
hanno invece dato un impulso molto forte alla ricerca perché è stato possibile
studiare in dettaglio geni di organismi molto complessi come l’uomo, usando
sistemi molto semplici come i batteri e i lieviti. Senza queste tecnologie, per
esempio, non sarebbe stato possibile arrivare in così breve tempo a conoscere
tutta la sequenza del genoma umano.
L’applicazione di queste tecnologie inoltre ha permesso lo sviluppo delle
Biotecnologie che rendono possibile la produzione di proteine utili all’uomo,
da parte di batteri e piante ricombinanti.
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5
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la macchina
che moltiplica il DNA
Esiste una tecnica che permette di amplificare specificamente sequenze
di DNA: si tratta della PCR (Polymerase-Catalyzed Chain Reaction)
o reazione a catena della polimerasi. Essa richiede una maggiore conoscenza
del frammento che deve essere copiato ma permette di moltiplicare la
sequenza di interesse moltissime volte. Tale tecnica sta assumendo sempre
maggiore importanza in campo diagnostico e in medicina legale. Il test del
DNA si basa sullo studio di frammenti amplificati con questa tecnica.
Per studiare molti geni contemporaneamente e comprendere come sono
collegati tra loro, ovvero per far luce sui loro meccanismi di regolazione
e di espressione, è stata sviluppata una tecnica di indagine miniaturizzata
ed automatizzata basata su in arrangiamento ordinato su un microchip, di tutti
i geni che sono contenuti nel genoma di un determinato organismo. E’ possibile
quindi vedere quali geni sono accesi, in particolari condizioni di crescita o
di patologia.
Tra le tecniche più importanti in campo diagnostico ed in medicina legale
vi è quella che sfrutta gli RFLP (polimorfismi della lunghezza dei frammenti
di restrizione). Gli RFLP sono il risultato di mutazioni che eliminano o modificano
la sequenza riconosciuta da un enzima di restrizione; pertanto i frammenti
di restrizione del DNA di una persone differisce, anche se di poco, da quello
di qualsiasi altra persona. E' possibile quindi ottenere per ogni individuo una
serie di frammenti specifici di DNA che nell'insieme costituiscono una sorta
di "impronta digitale molecolare" e non è un caso che la visualizzazione
di queste differenze prenda appunto il nome di “fingerprint”.
G1
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manipolare
il DNA
il codice e la diversità
Da libro "DNA Story" di J. Watson e J. Tooze
CSHL press
A
G
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dal grande
al piccolo
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b
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Cellula vegetale - sezione di girasole vista in fluorescenza
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la cellula vivente
Ogni essere vivente è formato da cellule. Alcuni, come i batteri e i protozoi,
sono essi stessi una cellula, una sola. In organismi più complessi le cellule
possono essere differenziate e assumere funzioni molto diverse.
La cellula è l’unità strutturale di base della materia vivente.
Essa contiene racchiuso in una membrana,
tutto il materiale necessario al suo funzionamento.
Nelle piante e nei funghi, la membrana cellulare
è circondata da una parete
Negli organismi complessi le cellule comunicano tra di loro.
Nelle cellule eucariote, quelle deli animali e delle piante, è presente un nucleo,
anch’esso con una sua membrana. All’interno del nucleo si trovano
i cromosomi. I cromosomi sono pacchetti di DNA.
Globuli rossi con un globulo Bianco
Gli organismi monocellulari, che non contengono un nucleo come per esempio
i batteri, si chiamano procarioti. E il loro DNA è generalmente costituito
da un cromosoma circolare.
B1
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le trame
degli errori
la stabilità del genoma
f1
I Danni al DNA possono talvolta generare cambiamenti grossolani nella struttura
dei cromosomi.
Segmenti di cromosoma che vanno da poche migliaia a milioni di lettere
possono essere duplicati, invertiti, scambiati o cancellati influendo sul numero
e sull'espressione di centinaia di possibili geni.
Alcuni scambi di segmenti di DNA sono del tutto naturali
e importanti per generare la variabilità genetica che è alla
base dell’evoluzione. Infatti durante la meiosi, il meccanismo
di divisione delle cellule germinali che produce spermatozoi
e cellule uovo, il “crossing-over”, permette il rimescolamento
dei caratteri paterni con quelli materni
Altri cambiamenti possono riguardare il numero dei cromosomi e provocare
gravi malattie genetiche.
Esistono particolari tratti del DNA che sono in grado di trasferirsi da una
posizione a un’altra sul cromosoma. Questi elementi (trasposoni), scoperti
dalla ricercatrice americana Barbara McClintock, generano una grande
variabilità nei genomi.
Anche i retrovirus sono in grado di trasferire pezzi di DNA da una parte
all’altra del cromosoma.
1
2
3
4
Struttura tridimensionale di una “giunzione di Holliday”, intremediario della
ricombinazione omologa. Il DNA è nel momento in cui si appaia ad un filamento omologo,
in blu nel modello. Questa struttura si forma al “crossing over” durante la meiosi
f
Molte sono le cause che possono produrre una mutazione, cioè
un cambiamento nel codice genetico.
Queste possono essere interne come per esempio gli errori prodotti
nel corso della replicazione del Dna o della sua lettura; oppure possono
essere cause esterne, ad esempio gli agenti mutageni (sostanze
chimiche o radiazioni) o virus.
1. Pannocchia di mais in cui sono visibili dei pigmenti diversi dovuti a segmenti di DNA che si sono spostati
da un luogo ad un altro del genoma. 2. Immagine al microscopio elettronico di un elemento trasponibile.
Le due anse sono sostituite da eliche singole e la parte centrale da una doppia elica appaiata formata da
due regioni complemetari con polarità opposta. 3. Barbara Mc Clintock, che per prima ha scoperto gli
elementi trasponibili del DNA, in un campo di granturco a Cold Spring Harbor NY 4. Una drosofila con una
mutazione in un gene omeotico che ha prodotto una duplicazione di un intero segmento del torace. Questi
geni sono come degli interruttori generali che controllano altri interruttori.
f2
Le mutazioni possono interessare non solo le sequenze dei nucleotidi,
provocando la sostituzione o cancellazioni di basi con la conseguente
alterazione dell’informazione genetica, ma possono interessare anche
i cromosomi nel loro complesso, modificandone il numero o cambiando
il numero e l’ordine dei geni lungo i cromosomi.
mutazioni
Il coinvolgimento di una modificazione genetica è facile da rilevare
quando è sufficiente la mutazione in un singolo gene per produrre
la malattia (fibrosi cistica, anemia falciforme, talassemia, corea di
Hundington etc.). Quando si tratta di malattie cosiddette multifattoriali
(diabete, disturbi cardiovascolari, obesità, cancro ecc.), è più difficile
individuare il gene o i geni responsabili della patologia.
Il "prodotto" di un programma genetico è la risultante di una
complessa e intricata rete di interazioni geniche. Ciascuno di noi
porta in sé qualche gene alterato o mutato, ma questo non ha quasi
maiconseguenze per la nostra salute né sul nostro aspetto.
Queste variazioni si chiamano polimorfismi.
Non sempre le mutazioni sono dannose, a volte sono neutre o
vantaggiose. Il risultato dipende dalle modificazioni che si producono
nell’organismo e dall’ambiente in cui esso si trova. Il contesto
ambientale, in ultima istanza, attribuisce il significato alle mutazioni.
a
crossing-over
Una mutazione può anche incidere in modo significativo sulla
costituzione e sull'aspetto dell'organismo senza pregiudicarne la salute,
ma può anche avere conseguenze che si manifestano attraverso
malattie più o meno gravi. In alcuni casi un’alterazione può modificare
lo sviluppo embrionale fino a causarne la morte prematura.
e chiasmi
b
terminalizzazione
chiasma
punti di crossing-over
punti di
crossing-over
chiasma
chiasma
F1
incollare
b2
cromosomi
I comosomi sono la struttura cellulare che contiene il DNA
Nelle cellule degli eucarioti i cromosomi sono presenti in doppia copia
(diploide) nel nucleo di ogni cellula che costituisce l’organismo (cellule
somatiche) e in unica copia (aploide) nel nucleo delle cellule dell’apparato
riproduttivo (cellule germinali).
1
2
3
4
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Cromosoma
1. Cromosomi. La fluorescenza rossa alle estremità colora la regione del telomero
2. Mitosi 3. Cariotipo umano 4. sezione di testicolo di topo 5. Cromosomi di Drosophila
melanogaster
b3
a ognuno il suo ...numero
Il numero e la dimensione dei cromosomi varia nelle diverse specie.
Non c’è diretta corrispondenza fra numero di cromosomi e scala evolutiva;
nelle piante spesso si osservano molte copie dello stesso cromosoma.
I cromosomi sono ben evidenti durante alcune fasi della divisione cellulare
mentre appaiono come un groviglio di filamenti indistinguibili (cromatina)
in altre fasi del ciclo cellulare.
I batteri posseggono normalmente un solo cromosoma circolare in unica
copia. Alcuni organelli delle cellule eucariotiche (mitocondri e cloroplasti,
nelle piante) contengono un cromosoma circolare.
Nella specie umana in ogni cellula somatica ci sono 23 coppie di cromosomi
denominati, per riconoscerli, con un numero da 1 a 22 in ordine di grandezza
dal più grande al più piccolo.
Il cromosomi del ventitreesimo paio, diversi nel maschio e nella femmina, sono
responsabili della determinazione del sesso. Sono denominati e simboleggiati
nella specie umana con le lettere X e Y.
Il cromosoma X è presente in doppia copia nelle femmine (XX), mentre i
maschi contengono un cromosoma X ed uno molto più piccolo denominato Y.
Ogni cromosoma possiede una struttura che gli permette, dopo essere stato
duplicato, di migrare da una cellula madre a una cellula figlia. Questa struttura
si chiama centromero ed è generalmente al centro del cromosoma.
Alle estremità dei cromosomi si trovano alcune strutture speciali “i telomeri”,
una firma ripetuta migliaia di volte che in tutti i mammiferi è costituita da sei
lettere
Differenti tecniche permettono di colorare i cromosomi con colori diversi,
che aiutano non solo a distinguerli uno dall’altro, ma soprattutto metteno
in evidenza zone che hanno funzioni biologiche diverse.
TTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGG
I telomeri sono analoghi alle coperture in plastica applicate alle stringhe
delle scarpe per evitare che si sfilaccino alle estremità, essi aiutano il sistema
di "riparazione" del DNA delle cellule a distinguere i cromosomi troncati dalle
semplici estremità.
I telomeri sono analoghi alle coperture in plastica applicate alle stringhe
delle scarpe per evitare che si sfilaccino alle estremità, essi aiutano il sistema
di "riparazione" del DNA delle cellule a distinguere i cromosomi troncati dalle
semplici estremità.
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DPC4 cancro al Pancreas
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PKD1 rene policistico
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FBN1 sindrome di Marfan
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1. C. Venter e F. Collins 2. 3. copertine delle riviste Nature e Science che annunciano
il completamento dei vari genomi 4. Microarray che rappresenta tutti I geni del lievito
Saccaromices cerevisiae
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50 Mb
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DGS sindrome di Di George
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AD3 Malattia di Alzheimer
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APOE arteriosclerosi coronarica
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BRCA2 cancro al seno
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PXR1 sindrome di Zellweger
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LQT1 aritmia cardiaca
MEN2A Tumore alla tiroide
CDKN2 melanoma maligno
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X
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Y
DMD distrofia muscolare di Duchenne
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11.2
11.21
11.22
11.23
12
28 Mb
23
24
25
34
27
28
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computer e DNA
Il rapido progresso delle conoscenze e delle tecniche di analisi del genoma ha
aperto la strada alla nascita di una nuova disciplina, la genomica comparata.
Attraverso il confronto di sequenze di DNA appartenenti a genomi di specie
diverse, questa disciplina promette di portarci a una migliore comprensione
dei percorsi seguiti dall’evoluzione della vita. Il campo di ricerca della “genomica
funzionale”, che studia il funzionamento dei geni, potrà essere esteso alle
sequenze non codificanti di DNA, che formano la maggior parte del genoma
di una specie. Alcuni concetti fondamentali della biologia potrebbero
essere rivoluzionati dal progresso di queste ricerche.
3
che cosa è il Genoma
In questo sforzo, la biologia ha trovato un insostituibile alleato nella
bioinformatica. Questa branca dell’informatica si è sviluppata a partire dalle
esigenze dei ricercatori dei “progetti genoma” di diverse specie, per la gestione
delle basi di dati costituite dalle sequenze di DNA analizzate. Con le capacità
di calcolo oggi disponibili è possibile elaborare in parallelo sequenze di milioni
di basi nucleotidiche, individuare le corrispondenze e misurare le differenze, e
arrivare quindi a ricostruire la catena evolutiva che lega tutte le specie tra loro.
Il termine genoma viene utilizzato nel linguaggio corrente
per indicare l’intera sequenza di DNA presente in un organismo
Solo una parte del genoma è formato da geni. Gran parte del genoma
è costituita da sequenze di DNA “non codificante”, che non vengono lette
in amminoacidi e quindi non si traducono in proteine.
Il 98% del genoma umano non codifica strettamente per delle proteine.
Il ruolo di tale DNA non è noto. Molto di questo DNA è costituito dagli introni.
Alcune regioni regolano l'espressione dei geni e altre, la cui funzione non è
ancora nota, rappresentano una delle maggiori sfide della “post-genomica”.
La comprensione di tutti i possibili “segnali” scritti sul DNA
ci permetterà probabilmente di studiare l’evoluzione, fin dai
tempi più antichi
L’aumento delle conoscenze che ci ha condotto in pochi anni all’era
“post-genomica”, ha permesso l’applicazione delle prime nanotecnologie
allo studio dei genomi. “Macchine” non più grandi di un millesimo di millimetro
assemblate a partire direttamente dalle molecole, saranno in grado
di completare la sequenza di un intero genoma in una frazione del tempo
necessario con gli attuali supercalcolatori.
tutti i genomi del mondo
Il progetto genoma umano, recentemente completato è solo uno dei numerosi
progetti di ricerca sui genomi delle specie più diverse.
E3
incollare
TDF controllo dello sviluppo dei testicoli
31
21.3
13
14
11.2
12
NF2 neurofibromatosi
28
31
21
21.1
21.2
12
12
11.2
15
TP53 p53 gene per la soppressione tumorale
23
22
13
12
13
11
FMR1 sindrome da X fragile
32
31
26.2
31.3
22
21
12
13
14
ALD adeno leuco distrofia
25
26.1
31.2
21
16
11.2
21
15
DGS sindrome di Di George che predispone ad infezioni generalizzate
21
31.1
15
11.2
12
22
10
NF2 Neurofibromatosi
24
25
28
14
15
11.2
21
11.2
23
ADA Immuno deficenza per la mancanza dell'enzima adenosina deaminasi
23
24
26
26.1
27
13
14
12
24
SOD1 i sclerosi amiotrofica laterale
24
23
23
25
12
13
9
DM distrofia muscolare
23
22
24
12
11.2
14
22
BRCA1 cancro al seno e alle ovarie
22
21
23
13
15
23
RB1 retinoblastoma
13.2
13.3
22
12
21.1
8
ATP7B Malattia di Wilson
22
13.1
21.3
11.2
21.2
21
PAH metabolismo della fenilalanina
21
11.2
12
13
21
21.1
21.2
12
11.2
14.1
14.2
14.3
13
22
21.3
22
HRAS oncogene Ras
12
12
12
12
7
OAT Atrofia della retina
12
11.2
13
13
23
TSC1 tumore benigno al rene
13
11.2
14
14
24
WRN sindrome di Werner senilità precoce
Malattia di Gaucher GBA
21
21.1
12
25
MYC Linfoma di Burkitt
12
22
21.2
13
15.1
6
CFTR cnale ionico responsabile dell Fibrosi cistica
13
14
15.2
OBS obsità
14
15.2
15.1
15.3
SCA1 degenerazine del cervelletto
15
22
1.3
5
IDDM1 diabete giovanile
16
23
21.3
16
Diastrophic dysplasia (DTD)
21
24
4
Gene simile nelle piante
22
25
SRD5A1 % alfa reduttasi degli steroidi
31
23
26
EVC sindrome di Ellis van Creveld
33
3
HD corea di Huntington
35
34.3
34.2
34.1
24
VHL Tumore al cerevelletto
36.1
25
SCLC1 tumore al polmone
36.2
PAX3 sindrome di Waanderburg
36.3
MSH2 alcune forme di Cancro al colon
2
Malattia di Alzheimer AD4
1
Citosina
Guanina
H
H
O
N
H N
H
O
3'
Hydroxyl
N
N
CH2
P
O
Timina
Adenina
H
O
CH2
O
N
H
N
H
O
N
N
O
P
O
N-H
N
3'
Hydroxyl
CH2
P
O
O
H
N
O
O
H
O
O
CH3
O
O
CH3
H
H-N
O
P
O
N
O
N
O
CH2
H
O
O
N
O
H
O
5'
Phosphate
5'
Phosphate
manipolare il DNA
Da libro "DNA Story" di J. Watson e J. Tooze
FREEMAN
la doppia elica
C
F
incollare
incollare
la doppia elica
c1
era un giorno d’inverno
Si dice che Il 28 febbraio del 1953, quando entrò nel Eagle Pub a Cambridge
Francis Crick abbia esclamato: “abbiamo trovato il segreto della vita!”
Dopo alcuni mesi trascorsi a mettere insieme tutte le informazioni disponibili
sulle caratteristiche fisiche e chimiche del DNA, James Watson e Francis Crick
vedono prendere forma un’elegante struttura a doppia elica. Circa due mesi
dopo, il 25 aprile, pubblicano la loro scoperta con un breve articolo, di una
sola pagina, sulla rivista “Nature”.
Il grande merito di Watson e Crick è stato quello di porsi le “domande giuste
al momento giusto” e di essere determinati e consapevoli che risolvere
la struttura del DNA avrebbe permesso di rivelare i meccanismi fondamentali
dell’informazione biologica. Per questo riuscirono a utilizzare i risultati
sperimentali di altri ricercatori per risolvere la struttura.
“Non gli sfuggì” (It has not escaped our notice), come loro stessi
affermano nel loro articolo sulla rivista “Nature”, che il significato
biologico della struttura del DNA era legato all’immediata possibilità
della sua replicazione.
Modello originale della struttura del DNA
c
1
3
4
5
1. F. Crick e J.Watson a Cambridge 2. Linus Pauling 3. M. Wilkins
4. Rosalind Franklin 5. J. Watson e F. Crick al Cavendish Laboratory intorno al
modello della struttura del DNA 6. Modello fedele all’originale della doppia elica
La doppia elica è oggi il simbolo della vita, ma l’accoglienza del lavoro
originale di Watson e Crick fu piuttosto fredda. Un solo quotidiano britannico
riportò la scoperta. Per quasi un decennio la struttura a doppia elica del DNA
non riscosse grande successo nemmeno tra i biologi. Solo dopo che Matt
Meselson e Frank Stahl nel 1958 dimostrarono, con quello che è stato definito
il “più elegante esperimento della biologia moderna”, che la replicazione
del DNA avveniva come Watson e Crick avevano previsto, la doppia DNA
ha potuto godersi la meritata fama.
Furono geniali nel combinare tutti i dati scoperti
da altri ricercatori e dimostrando che questi dati portavano
inesorabilmente all’ipotesi che la struttura fosse una doppia elica
Nel 1962 James Watson, Francis Crick e Maurice Wilkins presero il premio
Nobel per “la loro scoperta riguardante la struttura molecolare dell’acido
nucleico e del suo significato nel trasferimento dell’informazione negli
organismi viventi”.
Ecco quali furono gli elementi del puzzle che essi montarono e che portarono
alla scoperta della struttura della molecola più famosa al mondo:
Alexander Todd aveva chiarito la natura dei legami tra i nucleotidi
Anche Rosalind Franklin avrebbe meritato di condividere il prestigioso
riconoscimento, ma era morta nel 1958.
c2
2
Edwin Chargaff aveva scoperto le relazioni quantitative tra le basi
puriniche e pirimidiniche
Maurice Wilkins e Raymond Gosling avevano stabilito che le fibre
cristalline del Dna sono costituite da basi impilate
un puzzle da risolvere
Sven Furberg aveva mostrato la perpendicolarità della base rispetto
allo zucchero
Watson e Crick raccolsero tutte le informazioni già disponibili sulle proprietà
chimiche e fisiche del Dna, in particolare sulle caratteristiche dei legami chimici
che tengono insieme la struttura. Essi furono avvantaggiati dal fatto che
poterono vedere i dati raccolti da Rosalind Franklin sulla diffrazione dei raggi X e,
in particolare poterono leggere la relazione inviata dalla Franklin ai membri
del Medical Research Council, che fu loro mostrata nel febbraio 1953
da Max Perutz.
John Masson Gulland aveva dimostrato l’esistenza di legami idrogeno
tra le basi
Rosalind Franklin e Raymond Gosling avevano ottenuto le prove
cristallografiche (raggi X) del fatto che lo scheletro fosfato-zucchero
è esterno mentre le basi nucleotidiche sono interne
Jerry Donohue suggerì a Watson la corretta forma “tautomerica”
delle basi nucleotidiche da prendere in considerazione nella costruzione
del modello e per la definizione dei legami idrogeno
C1
incollare
6
4
Le funzioni di una cellula sono legate ad una serie di informazioni che si possono schematizzare come
una rete. Le interazioni tra proteine diverse, all’interno della cellula, costituiscono la sua complessità.
1. J.Monod, F. Jacob e A. Lwoff mentre spiegano il funzionamento dell’operone Lac.
2. L’attivatore batterico CAP che legandosi al DNA lo piega. 3. W. Gilbert che per primo ha isolato
il Repressore Lac. 4. L’attivatore eucariotico GCN4 5. Il Repressore Lac.
1
2
3
4
5
Struttura tridimensionale della RNA polimerasi
e3
come fa un gene a esprimersi
e4
L’espressione di un gene è suddivisa in due fasi principali. Prima viene
sintetizzato l’RNA messaggero da parte dell’enzima RNA polimerasi
(Trascrizione). Il messaggero si associa ai ribosomi dove vengono sintetizzate
le proteine (Traduzione). Ci sono geni che sono trascritti in continuazione e altri
che vengono trascritti solo quando il loro prodotto è necessario alla cellula.
una rete di informazioni
Tutte le cellule di un dato organismo hanno lo stesso corredo
cromosomico, quindi le stesse informazioni sul DNA, ma non tutti i geni
sono attivati contemporaneamente in tutte le cellule. L’attivazione
dei diversi geni dipende dal tipo di tessuto del quale la cellula fa parte
(muscoli, intestino, fegato…). Questo meccanismo di regolazione fa sì
che ciascuna cellula produca le proteine di cui ha bisogno per espletare
la sua specifica funzione.
Esistono delle regioni a monte dei geni che funzionano da veri
e propri interruttori biologici. A queste sequenze (operatori)
si legano delle proteine che bloccano (repressori) la sintesi
dell’RNA messaggero oppure altre che ne aumenano il livello
(attivatori)
La regolazione genica avviene in base a segnali provenienti da altri
geni, detti regolatori, i quali rispondono a loro volta ad una serie di
segnali provenienti dall'interno o dall'esterno della cellula. Oltre ai geni
con le loro proteine, entra quindi in gioco l’interazione con l’ambiente,
e altre molecole fondamentali alla vita.
Furono Francois Jacob e Jaques Monod a descrivere, per primi, questo
fenomeno nel batterio Escherichia coli, studiando i geni che regolano
il metabolismo di uno zucchero chiamato lattosio.
L’attivazione dei geni è regolata da un meccanismo
combinatorio. Fattori generali della trascrizione comuni
a tutti i tessuti si associano di volta in volta ad attivatori
specifici per quel particolare tipo di cellula
Questo meccanismo è valido per tutti gli organismi viventi, e proprio come
diceva Monod “da E. coli all’elefante ”
Il messaggero una volta trascritto si associa a grossi organelli formati da RNA
e proteine che si chiamano ribosomi. Il ribosoma costituisce l’ambiente che
permette agli RNA transfer, che trasportano i vari aminoacidi, di allinearsi
secondo la sequenza stabilita dall’RNA messaggero per produrre la proteina
corrispondente.
Esistono dei geni regolatori, i geni omeotici, che organizzano e
determinano la precisa geometria del corpo degli organismi durante
lo sviluppo. Una mutazione in uno di questi geni ha eventi drammatici
sulla struttura dell’organismo. I geni omeotici funzionano come degli
interruttori generali che regolano a loro volta altri interruttori.
Il flusso di informazione scorre essenzialmente in una sola direzione in tutti
gli esseri viventi: dal DNA all'RNA alle proteine. Solo nei retrovirus un enzima
particolare permette la sintesi di DNA a partire da uno stampo di RNA.
E2
incollare
la famiglia RNA
c4
Il DNA è certamente la molecola che contiene l’informazione
genetica. Ma come fa questa informazione a passare dal DNA
alle proteine, che sono i costituenti strutturali degli organismi?
1. F. Crick con la cravatta del “RNA tie club” 2. F. Jacob, M. Delbruck, M. Meselson, G. Stent
e S. Brenner a Caltech all’epoca della scoperta dell’RNA messaggero. 3. Gli articoli sulla rivista
Nature sulla scoperta dell’RNA messaggero 4. 5. Struttura tridimensionale del ribosoma con i tre
tRNA nei siti A, P, E 6. I membri dell’RNA tie club. F.Crick, A. Rich, L. Orgel e J. Watson
1
2
3
4
5
6
tRNA
c3
Gli stessi Watson e Crick e molti altri ricercatori, come Sidney Brenner, Walter
Gilbert, Francois Gros, Matt Meselson e Francois Jacob, si dedicano allo studio
di un’altra molecola analoga al DNA che si chiama RNA. L’RNA, Acido
RiboNucleico, è un polinucleotide costituito da una catena singola dove
lo zucchero ribosio sostituisce il desossiribosio. L’RNA, generalmente,
non assume la caratteristica forma a elica del DNA. Anche l'RNA è composto
da quattro basi, ma al posto della Timina si trova l'Uracile.
A con T, G con C
La struttura a doppia elica proposta da Watson e Crick
consente innanzitutto di spiegare la replicazione del materiale
ereditario, richiesta per trasmettere i geni da una cellula
all’altra e da una generazione all’altra: la complementarità
tra le basi, il fatto cioè che l’Adenina si leghi sempre con
la Timina e la Citosina con la Guanina, implica che
la sequenza di ciascun filamento dell’elica determini
automaticamente la sequenza del filamento complementare
In maniera indipendente, due gruppi di ricercatori uno diretto
da Watson e l’altro da Brenner, isolano una molecola di RNA
instabile che viene chiamata da Jacob RNA mesaggero
(mRNA). Questa molecola fa da tramite tra il DNA e l’apparato
che produce le proteine
Ora sappiamo che in tutti gli organismi viventi esistono tre tipi di RNA,
che assolvono a diverse funzioni. La loro denominazione in parte sottintende
il loro ruolo: RNA messaggero (mRNA), RNA ribosomale (rRNA) ed RNA di
trasferimento (tRNA).
Si può immaginare che la sequenza delle basi del DNA contenga le
informazioni, scritte in un codice particolare, per la sintesi delle proteine
e quindi per il funzionamento delle cellule di cui sono fatti i tessuti e gli
organismi.
Molti RNA nella cellula hanno una funzione “catalitica”,
funzionano cioè come veri e propri enzimi, promuovendo
reazioni chimiche fondamentali per la cellula
La duplicazione del DNA comporta che possano essere copiati anche
i cambiamenti, dovuti a mutazioni spontanee o ad altri meccanismi che
possono introdurre modificazioni nelle sequenze delle basi e quindi nelle
istruzioni genetiche. Le mutazioni, come per esempio la sostituzione di
una base con una diversa, determinano, per esempio, la creazione di nuove
proteine, che spesso non sono in grado di svolgere la normale funzione,
minacciando la sopravvivenza dell’organismo e in pratica dando luogo a
malattie. In alcuni casi, però, le nuove proteine possono acquisire delle funzioni
vantaggiose in grado di contribuire alla sopravvivenza e alla riproduzione
dell’organismo anche in condizioni ambientali diverse.
Per contro, l’RNA che forma il materiale genetico di alcuni virus è in grado
di replicarsi sfruttando gli apparati cellulari delle cellule infette. In questo
processo l’RNA non può giovarsi dei sistemi di riparazione di cui dispone
il DNA cellulare, e questo rende la sua replicazione molto più imprecisa,
e le mutazioni molto più frequenti.
C2
incollare
il codice genetico
UUU
UUC
UUA
UUG
FENILANINA
LEUCINA
CUU
CUC
CUA
CUG
LEUCINA
UCU
UCC
UCA
UCG
SERINA
CCU
CCC
CCA
CCG
PROLINA
UAU
UAC
UAA
UAG
CAU
CAC
CAA
CAG
TIROSINA
STOP
ISTIDINA
GLUTAMMINA
UGU
UGC
UGA
UGG
CGU
CGC
CGA
CGG
codice e messaggi
CISTEINA
STOP
TRIPTOFANO
e
ARGININA
1
2
3
4
1. M. Nirenberg 2. Geni interrotti e processamento dell’RNA messaggero 3. Sidney Brenner
4. Il nematode Cenorabitis elegans, uno dei più importanti organismi modello della biologia moderna
perchè si può seguire il destino di ogni singola cellula durante lo sviluppo.
AUU
AUC
AUA
AUG
ISOLEUCINA
METIONINA
GUU
GUC
GUA
GUG
e1
VALINA
ACU
ACC
ACA
ACG
GCU
GCC
GCA
GCG
TREONINA
ALANINA
AAU
AAC
AAA
AAG
GAU
GAC
GAA
GAG
ASPARAGINA
LISINA
ASPARAGINA
A. GLUTAMICO
AGU
AGC
AGA
AGG
GGU
GGC
GGA
GGG
SERINA
definire un gene
ARGININA
Un gene è un tratto di DNA che in molti casi “codifica” (contiene le istruzioni)
per specificare la sequenza degli amminoacidi in una proteina. Un gene è fatto
di DNA. La sequenza che forma un gene può trovarsi su una qualsiasi dei due
filamenti che costituiscono la doppia elica.
GLICINA
La dimensione di un gene è molto variabile, da meno di un migliaio a centinaia
di migliaia di nucleotidi. Non tutta l’informazione contenuta in un gene prende
parte attiva alla sintesi delle proteine. In aggiunta alle zone codificanti, il gene
contiene anche alcune zone non codificanti.
che cos’è il codice genetico?
e2
L'analisi delle sequenze dei vari genomi consente di stimare il numero
dei geni dei vari organismi. Nell'uomo è dell’ordine di 35.000 -40.000.
L'uomo ha circa solo il doppio dei geni del verme nematode
Caenorhabditis elegans (19.000) o del moscerino della frutta
Drosophila melanogaster (14.000). Il livello di complessità di
un organismo non dipende in modo lineare dal numero di geni.
Una “parola” scritta in “codice genetico” è composta da tre lettere (ACG,
GAA, …) dette triplette o codoni. Il “vocabolario genetico” comprende quindi 64
parole (4x4x4=64). Queste parole vengono tradotte in aminoacidi, e visto che
di aminoacidi ce ne sono solo 20 il codice è sovrabbondante o “degenerato”:
uno stesso aminoacido è rappresentato da più triplette (GAA e GAG vogliono
dire la stessa parola, lo stesso aminoacido).
Alcune triplette rappresentano un codice di “fine lettura”, o “stop”.
Il codice è stato decifrato da Marshal Niremberg usando stringhe di DNA
sintetiche. In seguito, a ogni aminoacido è stato associata la tripletta
corrispondente.
Il numero di geni in una specie non dipende dalla dimensione del
genoma. Alcuni animali ritenuti semplici hanno dimensioni del genoma
molto grandi. Organismi ritenuti simili hanno genomi di dimensioni molto
diverse. Tali differenze sono dovute a sequenze di DNA ripetute molte
volte e che non codificano per alcuna proteina.
La percentuale di DNA ripetitivo varia dal 15% nel genoma dei batteri
sino al 70% in Caenorhabditis elegans e 95% nell'uomo.
Come fa il linguaggio del DNA a essere tradotto nel linguaggio
delle proteine? Il tramite tra questi due sistemi di informazione
è L’RNA transfer (tRNA), il quale con una estremità può
appaiarsi alle triplette corrispondenti del messaggero e
con l’altra estremità trasporta l’aminoacido corrispondente.
Gli aminoacidi vengono, quindi allineati in accordo con
il linguaggio del DNA
organismo
Micoplasma genitalium
Saccaromyces cerevisiae
Arabidopsis thaliana
Caenorhabditis elegans
Batterio influenzale
Drosophila melanogaster
Neisseria meningitdis
Homo sapiens
quanti sono i geni?
I genomi degli organismi eucarioti contengono
geni interrotti
Sequenze chiamate “esoni” si alternano con gli “introni”, sequenze
che in generale non codificano per alcuna proteina. L’insieme degli
esoni di un gene rappresenta il suo RNA messaggero maturo.
Gli introni vengono rimossi dall’RNA con un complesso meccanismo
chiamato “splicing”.
numero di geni nel genoma
517
6,275
~ 20,000
19,099
1,743
13,601
2,158
~ 30,000
E1
incollare