Indice - Medicalinformation

Indice
Prova che i geni
controllano la sequenza amminoacidica delle proteine 28
L’RNA dal punto di vista chimico è molto simile al DNA 29
Il dogma centrale
30
Parte 1
Chimica e genetica
BOX 2.2 ESPERIMENTI CHIAVE
CAPITOLO 1
La visione mendeliana del mondo
Le scoperte di Mendel
6
La teoria cromosomica dell’ereditarietà
6
6
7
8
9
Linkage genico e crossing over
9
Il principio della segregazione indipendente
Le leggi di Mendel
Alcuni alleli non sono né dominanti né recessivi
Principio dell’assortimento indipendente
BOX 1.1 CONCETTI AVANZATI
L’ipotesi dell’adattatore di Crick
La scoperta dell’RNA transfer
Il paradosso dei ribosomi non specifici
La scoperta dell’RNA messaggero (mRNA)
La sintesi enzimatica dell’RNA su uno stampo di DNA
La determinazione del codice genetico
La determinazione della direzione
della sintesi proteica
I segnali di inizio e di terminazione (stop) sono
anch’essi codificati nel DNA
L’era della genomica
SOMMARIO
BIBLIOGRAFIA
BOX 1.2 ESPERIMENTI CHIAVE I geni sono legati
ai cromosomi
Mappatura dei cromosomi
10
11
L’origine della variabilità genetica attraverso
le mutazioni
14
L’importanza dei legami deboli
nelle interazioni chimiche
Prime ipotesi sulla natura dei geni e sul loro
funzionamento
15
Caratteristiche dei legami chimici
Primi esperimenti per trovare una relazione
gene-proteina
SOMMARIO
BIBLIOGRAFIA
15
16
17
I legami chimici possono essere spiegati in termini
di meccanica quantistica
La formazione dei legami chimici implica
cambiamenti della forma di energia
Esiste un equilibrio fra i legami creati e quelli distrutti
Keq è correlata al G in modo esponenziale
I legami covalenti sono molto forti
Gli acidi nucleici trasmettono
l’informazione genetica
L’“esplosiva” scoperta di Avery: il DNA può
portare la specificità genetica
I geni virali sono anch’essi acidi nucleici
La doppia elica
I legami deboli nei sistemi biologici
19
20
21
Alla ricerca delle polimerasi che sintetizzano il DNA 22
La regola di Chargaff
23
BOX 2.1 ESPERIMENTI CHIAVE
Prove sperimentali indicano che i filamenti del DNA
si separano durante la replicazione
25
L’informazione genetica all’interno del DNA
viene trasmessa attraverso la sequenza
dei suoi quattro componenti nucleotidici
27
Il DNA non può essere lo stampo che ordina
direttamente gli amminoacidi durante
la sintesi proteica
27
35
37
37
38
39
CAPITOLO 3
Il concetto di energia libera
CAPITOLO 2
31
31
32
32
34
35
I legami deboli possiedono un’energia compresa
fra 1 e 7 kcal/mole
Alle temperature fisiologiche i legami deboli
si formano e si rompono continuamente
La distinzione fra molecole polari e non polari
Forze di van der Waals
Legami idrogeno
Alcuni legami ionici sono legami idrogeno
Le interazioni deboli richiedono superfici molecolari
complementari
Le molecole d’acqua formano legami idrogeno
Legami deboli fra molecole in soluzione acquosa
Le molecole organiche che tendono a formare
legami idrogeno sono idrosolubili
BOX 3.1 CONCETTI AVANZATI L’unicità delle forme
molecolari e il concetto di adattamento strutturale
selettivo
41
42
43
43
44
44
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45
45
45
45
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48
48
49
49
50
50
51
X
Indice
I legami idrofobici stabilizzano le macromolecole
Il vantaggio di un G compreso fra 2 e 5 kcal/mole
I legami deboli permettono la formazione
di complessi enzima-substrato
I legami deboli mediano la maggior parte
delle interazioni proteina-DNA e proteina-proteina
SOMMARIO
BIBLIOGRAFIA
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51
52
52
53
53
54
L’importanza dei legami chimici
ad alta energia
55
Nelle reazioni biochimiche gli enzimi
abbassano l’energia di attivazione
57
L’energia libera nelle biomolecole
58
L’idrolisi dei legami ad alta energia porta ad un G
significativamente negativo
I legami ad alta energia nelle reazioni
biosintetiche
58
59
I legami peptidici si idrolizzano spontaneamente
Un G positivo viene accoppiato ad uno negativo
61
61
L’attivazione dei precursori nelle reazioni
di trasferimento di gruppo
62
La versatilità dell’ATP nel trasferimento di gruppo
L’attivazione degli amminoacidi per mezzo
del legame con AMP
I precursori degli acidi nucleici sono attivati
dalla presenza di P ~ P
L’importanza del rilascio di P ~ P nella sintesi degli
acidi nucleici
La rottura del P ~ P caratterizza la maggior parte
delle reazioni biosintetiche
SOMMARIO
BIBLIOGRAFIA
75
La formazione di legami idrogeno determina
la conformazione specifica delle proteine
78
Le α eliche si avvolgono l’una sull’altra formando
strutture “coiled-coil”
La maggior parte delle proteine
ha una struttura modulare, contenente
due o tre domini
79
80
BOX 5.2 CONCETTI AVANZATI Le proteine grandi
CAPITOLO 4
Le molecole che cedono energia sono
termodinamicamente instabili
α Eliche e foglietti β sono forme comuni di struttura
secondaria
63
64
sono spesso formate da diverse catene polipeptidiche
più piccole
Le proteine sono formate combinando un numero
straordinariamente piccolo di motivi strutturali
Le diverse funzioni proteiche derivano dalla
combinazione di diversi domini
I legami deboli permettono un corretto
posizionamento delle proteine
sulle molecole di DNA e RNA
Le proteine scorrono lungo il DNA per trovare
uno specifico sito di legame
Le proteine usano strategie diverse per riconoscere
l’RNA
L’allosteria, ovvero la regolazione di una
funzione proteica attraverso
il cambiamento di forma
Esempi di regolazione allosterica mediata da piccoli
ligandi,da interazioni proteina-proteina e da
modificazioni post-traduzionali
Non tutta la regolazione proteica avviene mediante
eventi allosterici
SOMMARIO
BIBLIOGRAFIA
81
82
82
83
85
86
88
88
91
91
92
64
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66
67
68
Parte 2
Mantenimento
del genoma
CAPITOLO 5
I legami deboli e forti determinano
la struttura delle macromolecole
Le strutture di ordine superiore sono
determinate da interazioni intramolecolari
e intermolecolari
Il DNA può formare un’elica regolare
L’RNA forma una grande varietà di strutture
La struttura chimica degli elementi base
che formano le proteine
Il legame peptidico
Esistono quattro livelli strutturali nelle proteine
BOX 5.1 TECNICHE Determinazione della struttura
delle proteine
CAPITOLO 6
La struttura del DNA e dell’RNA
La struttura del DNA
69
69
71
72
73
73
74
Il DNA è formato da catene polinucleotidiche
Ciascuna base si trova nella sua forma tautomerica
preferita
I due filamenti della doppia elica sono tenuti assieme
dall’appaiamento delle basi con un orientamento
antiparallelo
Le due catene della doppia elica hanno sequenze
complementari
Il legame idrogeno è importante nel determinare
la specificità delle coppie di basi
98
98
100
101
101
102
Indice
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Le basi possono ruotare all’esterno della
doppia elica
Il DNA è normalmente una doppia elica destrorsa
La doppia elica presenta un solco maggiore
e un solco minore
BOX 6.1 ESPERIMENTI CHIAVE Il DNA ha, in
soluzione, 10 coppie di basi per giro d’elica:
l’esperimento con la mica
Il solco maggiore fornisce molte informazioni di tipo
chimico
BOX 6.2 ESPERIMENTI CHIAVE Come si ottiene
la struttura del DNA dai segnali puntiformi
di una lastra a raggi X
La doppia elica può avere conformazioni multiple
Il DNA alcune volte può formare un’elica sinistrorsa
Le due catene del DNA possono separarsi
(denaturazione) e riassociarsi
Alcune molecole di DNA sono circolari
La topologia del DNA
Il numero di legame topologico (linking number)
è una proprietà non variabile del DNA circolare
covalentemente chiuso
Il numero di legame topologico ha due componenti:
il twist e il writhe
0
Lk è il linking number di un cccDNA completamente
rilassato in condizioni fisiologiche
Il DNA nelle cellule è superavvolto negativamente
I nucleosomi introducono superavvolgimenti
negativi nel DNA degli eucarioti
Le topoisomerasi possono rilassare il DNA
superavvolto
I procarioti possiedono speciali topoisomerasi che
introducono superavvolgimenti nelle molecole
di DNA
Le topoisomerasi permettono anche
l’eliminazione di nodi e la separazione
di molecole di DNA
Le topoisomerasi usano un legame covalente
proteina-DNA
per tagliare e successivamente risaldare
i filamenti del DNA
Le topoisomerasi formano un ponte enzimatico
e permettono il passaggio di un filamento
di DNA attraverso l’altro
I topoisomeri di DNA possono essere separati
mediante elettroforesi
BOX 6.3 ESPERIMENTI CHIAVE Dimostrazione
che il DNA ha una periodicità dell’elica di circa 10,5
coppie di basi per giro utilizzando le proprietà
topologiche di un DNA circolare
L’etidio causa uno srotolamento della doppia elica
del DNA
La struttura dell’RNA
L’RNA contiene il ribosio e l’uracile ed è
normalmente a singolo filamento
Le catene di RNA si ripiegano su se stesse
per formare brevi tratti a doppia elica simili
al DNA di forma A
L’RNA può ripiegarsi per formare complesse
strutture terziarie
Alcuni RNA sono enzimi
102
103
103
Il ribozima a martello (hammerhead) taglia l’RNA
mediante la formazione di un fosfato ciclico 2’, 3’ 126
Gli RNA hanno avuto una parte importante
nell’evoluzione biologica?
127
SOMMARIO
BIBLIOGRAFIA
127
128
104
104
106
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108
109
112
112
113
113
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115
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116
117
117
118
119
121
CAPITOLO 7
La struttura del genoma,
la cromatina e il nucleosoma
La sequenza del genoma e la diversità
cromosomica
Il cromosoma può essere circolare o lineare
Ogni cellula mantiene un numero definito
di cromosomi
La grandezza del genoma è correlata
alla complessità dell’organismo
Il genoma di E. coli è formato quasi interamente
da geni
Gli organismi più complessi hanno una minore
densità genica
I geni rappresentano soltanto una piccola porzione
del DNA cromosomico eucariotico
La maggior parte delle sequenze intergeniche
umane è formata da DNA ripetuto
130
130
131
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133
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135
137
Duplicazione del cromosoma e segregazione 138
I cromosomi eucariotici per essere mantenuti
durante la divisione cellulare richiedono
i centromeri, i telomeri e le origini di replicazione
La duplicazione del cromosoma eucariotico e la
segregazione avvengono in fasi separate
del ciclo cellulare
La struttura del cromosoma cambia durante
la divisione cellulare eucariotica
La coesione dei cromatidi fratelli e la condensazione
dei cromosomi sono mediate dalle proteine SMC
La mitosi mantiene il medesimo numero parentale
di cromosomi
Nelle fasi gap le cellule si preparano per il ciclo
cellulare successivo e controllano che il ciclo
precedente sia terminato correttamente
La meiosi riduce il numero dei cromosomi parentali
Al microscopio possono essere evidenziati diversi
livelli di struttura del cromosoma
Il nucleosoma
138
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143
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145
147
147
149
121
122
123
123
123
125
125
I nucleosomi sono i mattoni fondamentali
del cromosoma
BOX 7.1 ESPERIMENTI CHIAVE La nucleasi
micrococcica e il DNA associato con il nucleosoma
Gli istoni sono piccole proteine cariche
positivamente
La struttura atomica del nucleosoma
Gli istoni nel nucleosoma legano tipiche regioni
del DNA
Le interazioni fra il core istonico e il DNA sono
mediate da molti contatti indipendenti
dalla sequenza
149
150
151
154
154
156
XI
XII
Indice
Le code ammino-terminali degli istoni stabilizzano
il DNA avvolgendosi attorno all’ottamero
Il DNA arrotolato sul core istonico accumula
una superelicità negativa
BOX 7.2 ESPERIMENTI CHIAVE I nucleosomi e la
densità di superelica
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BOX 8.1 TECNICHE Gli esperimenti di incorporazione
156
157
158
Strutture di ordine superiore della cromatina 160
L’eterocromatina e l’eucromatina
L’istone H1 lega il DNA linker fra i nucleosomi
I nucleosomi disposti in serie possono formare
strutture complesse: la fibra da 30 nm
Le code ammino-terminali degli istoni intervengono
nella formazione della fibra da 30 nm
Un ulteriore compattamento è determinato dalla
formazione di ampie anse di DNA nucleosomico
Varianti istoniche alterano la funzione
del nucleosoma
Regolazione della struttura della cromatina
L’interazione del DNA con l’ottamero istonico
è dinamica
I complessi di rimodellamento possono facilitare
il movimento dei nucleosomi
Alcuni nucleosomi si trovano in siti specifici:
posizionamento dei nucleosomi
BOX 7.3 ESPERIMENTI CHIAVE Determinazione della
posizione dei nucleosomi nella cellula
Le modificazioni della coda ammino-terminale
degli istoni alterano l’accessibilità alla cromatina
Specifici domini proteici presenti nei complessi di
rimodellamento e di modificazione dei nucleosomi
riconoscono gli istoni modificati
Enzimi specifici sono responsabili delle modificazioni
degli istoni
Le modificazioni del nucleosoma e il rimodellamento
cooperano per aumentare l’accessibilità al DNA
Assemblaggio dei nucleosomi
I nucleosomi sono assemblati immediatamente
dopo la replicazione del DNA
L’assemblaggio dei nucleosomi richiede
dei chaperoni degli istoni
SOMMARIO
BIBLIOGRAFIA
160
161
possono essere usati per misurare la sintesi degli acidi
nucleici e delle proteine
BOX 8.2 RISVOLTI MEDICI I farmaci antitumorali
e antivirali agiscono sulla replicazione del DNA
La DNA polimerasi assomiglia a una mano
che afferra la giunzione innesco:stampo
Le DNA polimerasi sono enzimi processivi
Attività esonucleasiche correggono eventuali errori
presenti sul DNA neosintetizzato
La forca replicativa
161
163
163
164
165
165
166
168
170
172
174
Entrambi i filamenti di DNA vengono sintetizzati
a livello della forca replicativa
L’inizio di un nuovo filamento di DNA richiede
un innesco (primer) a RNA
I primer a RNA devono essere rimossi affinché
la replicazione del DNA possa essere completata
La DNA elicasi apre la doppia elica davanti alla forca
replicativa
BOX 8.3 TECNICHE Determinazione della polarità
della DNA elicasi
La DNA elicasi tira il DNA a singolo filamento
attraverso un poro centrale proteico
Proteine che si legano al singolo filamento
stabilizzano la sua struttura prima
della replicazione
Le topoisomerasi rimuovono i superavvolgimenti
prodotti dall’apertura del DNA a livello
della forca replicativa
Gli enzimi che lavorano a livello della forca
replicativa estendono il substrato utile
per la DNA polimerasi
La specializzazione delle DNA polimerasi
175
175
176
176
180
181
182
Le DNA polimerasi sono specializzate in ruoli
differenti all’interno della cellula
Le proteine che permettono lo scivolamento
delle polimerasi (sliding clamp) sul DNA
aumentano notevolmente la processività
della DNA polimerasi
Le sliding clamp vengono aperte e depositate
sul DNA da caricatori specifici
BOX 8.4 CONCETTI AVANZATI L’ATP controlla
la funzione di una proteina: il caricamento
della sliding clamp
La sintesi del DNA a livello della forca
replicativa
Le interazioni fra le proteine della forca replicativa
danno luogo al replisoma di E. coli
CAPITOLO 8
La replicazione del DNA
La chimica della sintesi del DNA
La sintesi del DNA richiede deossiribonucleosidi
trifosfato e una struttura innesco:stampo
Il DNA è sintetizzato allungando il terminale 3’
del primer
L’idrolisi del pirofosfato è il motore per la sintesi
del DNA
La fase di inizio della replicazione
184
184
185
186
Il meccanismo d’azione della DNA polimerasi 186
La DNA polimerasi utilizza un singolo sito attivo
per catalizzare la sintesi del DNA
186
Specifiche sequenze genomiche promuovono l’inizio
della replicazione del DNA
Il modello dei repliconi per l’inizio della replicazione
I replicatori includono siti di legame per l’iniziatore
e si denaturano facilmente
BOX 8.5 ESPERIMENTI CHIAVE Identificazione
delle origini di replicazione e dei replicatori
Il legame e l’apertura della doppia elica:
l’iniziatore seleziona e attiva l’origine
187
189
190
193
195
196
196
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198
198
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200
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204
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208
209
211
214
215
215
215
216
217
219
Interazioni proteina-proteina e proteina-DNA
determinano il processo di inizio della replicazione 220
Indice
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I cromosomi eucariotici vengono replicati una sola
volta ogni ciclo cellulare
BOX 8.6 CONCETTI AVANZATI L’ipotesi di una fabbrica
di replicazione
La formazione del complesso pre-replicativo è
il primo passaggio per la replicazione eucariotica
La formazione e l’attivazione del pre-RC sono
regolate in modo tale da permettere un solo
ciclo di replicazione durante ciascun ciclo cellulare
Analogie fra l’inizio della replicazione degli eucarioti
e quella dei procarioti
BOX 8.7 CONCETTI AVANZATI La replicazione
del DNA di E. coli è regolata dai livelli di DnaA•ATP
e SeqA
La terminazione della replicazione
222
222
224
227
228
229
230
Gli enzimi che riparano per escissione nucleotidica
tagliano il DNA danneggiato ad entrambi
i margini della lesione
La ricombinazione ripara le rotture del DNA
recuperando la sequenza nucleotidica
dalla doppia elica non danneggiata
Le rotture a doppio filamento sono riparate
anche dalla giunzione diretta delle estremità
non omologhe
BOX 9.3 RISVOLTI MEDICI La giunzione delle estremità
non omologhe
La sintesi di DNA translesione permette
alla replicazione di superare il danno
BOX 9.4 CONCETTI AVANZATI La famiglia Y
delle DNA polimerasi
SOMMARIO
Le topoisomerasi II sono necessarie per separare
le molecole di DNA figlie
Il normale meccanismo di sintesi del filamento
discontinuo non è capace di copiare le estremità
dei cromosomi lineari
La telomerasi è una particolare DNA polimerasi
che non richiede uno stampo esogeno
BOX 8.8 RISVOLTI MEDICI Invecchiamento, cancro
e l’ipotesi dei telomeri
La telomerasi risolve il problema della replicazione
delle terminazioni allungando il terminale 3’
del cromosoma
Le proteine che legano il telomero influenzano
l’attività telomerasica e la lunghezza del telomero
Le proteine che legano il telomero proteggono le
estremità del cromosoma
SOMMARIO
BIBLIOGRAFIA
230
231
CAPITOLO 10
232
La ricombinazione omologa
a livello molecolare
234
235
236
238
239
La mutabilità e la riparazione
del DNA
Gli errori di replicazione e la loro riparazione 241
I danni al DNA
Il DNA va incontro a fenomeni di mutazione
spontanea in seguito a idrolisi e deamminazione
BOX 9.2 RISVOLTI MEDICI Il test di Ames
L’alchilazione, l’ossidazione e l’irradiazione
danneggiano il DNA
Le mutazioni sono causate anche dagli analoghi
delle basi e dagli agenti intercalanti
La riparazione del DNA danneggiato
Riparazione diretta del danno al DNA
Gli enzimi di riparazione per escissione di basi
eliminano le basi danneggiate “ribaltandole”
fuori dal DNA
256
258
258
260
262
263
264
Spesso si hanno rotture nel DNA che danno
inizio alla ricombinazione
266
I diversi modelli per la ricombinazione
omologa
267
235
CAPITOLO 9
I diversi tipi di mutazione
Alcuni errori di replicazione sfuggono alla correzione
BOX 9.1 RISVOLTI MEDICI L’espansione delle ripetizioni
a triplette come fonte di malattia
La riparazione dei mismatch rimuove gli errori che
sfuggono al sistema di correzione di bozze
BIBLIOGRAFIA
255
241
242
242
243
248
248
249
249
250
251
252
253
Nella ricombinazione omologa l’invasione
del filamento è un passaggio precoce
fondamentale
La risoluzione delle giunzioni di Holliday
è un passaggio fondamentale per terminare
lo scambio genetico
Il modello della riparazione delle rotture a doppio
filamento descrive molti eventi ricombinativi
BOX 10.1 RISVOLTI MEDICI Come risolvere
un intermedio di ricombinazione con due giunzioni
di Holliday
Gli apparati proteici per la ricombinazione
omologa
L’elicasi/nucleasi RecBCD processa, per la
ricombinazione, le molecole di DNA rotte
I siti chi regolano RecBCD
La proteina RecA si assembla sul DNA a singolo
filamento e promuove l’invasione del filamento
All’interno del filamento RecA si formano dei nuovi
appaiamenti tra filamenti
In tutti gli organismi sono presenti degli omologhi
di RecA
Il complesso RuvAB riconosce specificamente
le giunzioni di Holliday e promuove la migrazione
del punto d’incrocio
Per terminare la ricombinazione RuvC taglia
specifici filamenti di DNA a livello della giunzione
di Holliday
La ricombinazione omologa negli eucarioti
La ricombinazione omologa negli eucarioti
ha funzioni aggiuntive
La ricombinazione omologa è necessaria per
la segregazione dei cromosomi durante la meiosi
268
268
270
273
274
275
278
279
280
282
283
283
284
284
285
XIII
XIV
Indice
Durante la meiosi si ha una formazione
programmata di rotture a doppio filamento
La proteina MRX processa le estremità tagliate
per assemblare le proteine simili a RecA che
scambiano il filamento
Dmc1 è una proteina simile a RecA che funziona
in modo specifico nella ricombinazione meiotica
La ricombinazione meiotica è data dall’attività
di molte proteine
BOX 10.2 RISVOLTI MEDICI Il prodotto
dell’oncosoppressore BRCA2 interagisce con
la proteina Rad51 e controlla la stabilità del genoma
Il cambio del mating type
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BOX 11.2 CONCETTI AVANZATI La ricombinasi Xer
286
287
La trasposizione
La riparazione del DNA durante la ricombinazione
è una delle cause della conversione genica
SOMMARIO
BIBLIOGRAFIA
289
290
290
294
295
296
297
CAPITOLO 11
La ricombinazione sito-specifica
e la trasposizione del DNA
La ricombinazione conservativa sito-specifica 299
La ricombinazione sito-specifica avviene
su specifiche sequenze del DNA bersaglio
Le ricombinasi sito-specifiche tagliano e riuniscono
il DNA per mezzo di un intermedio covalente
proteina-DNA
La serina ricombinasi introduce nel DNA delle rotture
a doppio filamento e poi scambia i filamenti
per promuovere la ricombinazione
La struttura del complesso fra la serina ricombinasi
e il DNA suggerisce che lo scambio del filamento
avvenga grazie a una rotazione delle subunità
Le tirosina ricombinasi rompono e riuniscono
una coppia di filamenti di DNA alla volta
La struttura delle tirosina ricombinasi legate al DNA
svela il meccanismo dello scambio del DNA
Funzioni biologiche della ricombinazione
sito-specifica
299
300
302
303
304
305
306
BOX 11.1 RISVOLTI MEDICI L’applicazione della
ricombinazione sito-specifica all’ingegneria genetica
L’integrasi di λ promuove l’integrazione
e l’escissione del genoma virale nel cromosoma
della cellula ospite
L’escissione del batteriofago λ richiede una nuova
proteina che curva il DNA
La ricombinasi Hin inverte un segmento di DNA
permettendo l’espressione di geni alternativi
Hin per ricombinare necessita di un enhancer a DNA
Le ricombinasi convertono molecole circolari di DNA
multimeriche in monomeri
313
315
315
288
Il cambio del mating type inizia con una rottura
a doppio filamento in un punto specifico
291
Il cambio del mating type è un evento di conversione
genica non associato al crossing over
292
Le conseguenze genetiche della
ricombinazione omologa
catalizza la monomerizzazione dei cromosomi
batterici e di molti plasmidi batterici
Ci sono altri meccanismi per portare la
ricombinazione su specifici segmenti di DNA
307
308
309
310
311
La trasposizione muove alcuni elementi genetici
in nuove posizioni cromosomiche
Ci sono tre classi principali di elementi trasponibili
I trasposoni a DNA contengono il gene
della trasposasi, fiancheggiato dai siti
di ricombinazione
I trasposoni possono essere sia elementi autonomi
che non autonomi
I retrotrasposoni simili ai virus e i retrovirus
contengono delle sequenze terminali ripetute
e due geni importanti per la ricombinazione
I retrotrasposoni poli-A assomigliano ai geni
La trasposizione a DNA avviene con un meccanismo
del tipo taglia e incolla
Nella trasposizione del tipo taglia e incolla
l’intermedio è risolto con il sistema di riparazione
delle rotture
Esistono molteplici meccanismi per tagliare
il filamento non trasferito durante
la trasposizione del DNA
La trasposizione a DNA mediante meccanismo
replicativo
I retrotrasposoni simili ai virus e i retrovirus
si muovono tramite un intermedio a RNA
BOX 11.3 CONCETTI AVANZATI Il meccanismo
di formazione del cDNA retrovirale
Le DNA trasposasi e le integrasi retrovirali fanno
parte di una superfamiglia proteica
I retrotrasposoni poli-A si muovono con
un meccanismo del tipo “splicing inverso”
Alcuni esempi di elementi trasponibili
e della loro regolazione
La famiglia dei trasposoni IS4 è costituita
da elementi compatti dotati di molteplici
meccanismi per controllare il numero delle copie
BOX 11.4 ESPERIMENTI CHIAVE Gli elementi del mais
e la scoperta dei trasposoni
La trasposizione di Tn10 è accoppiata alla
replicazione del DNA cellulare
Il fago Mu è un trasposone molto robusto
Per evitare di trasporsi nel proprio DNA, Mu
utilizza l’immunità del sito bersaglio
BOX 11.5 CONCETTI AVANZATI Il meccanismo
dell’immunità dalla trasposizione del sito bersaglio
Gli elementi Tc1/mariner sono elementi di grande
successo negli eucarioti
Gli elementi Ty del lievito si traspongono
nel genoma in rifugi di sicurezza
Gli elementi LINE promuovono la propria
trasposizione e perfino quella di RNA cellulari
La ricombinazione V(D)J
Gli eventi precoci della ricombinazione V(D)J
avvengono con un meccanismo simile
all’escissione dei trasposoni
SOMMARIO
312
BIBLIOGRAFIA
315
317
317
318
318
318
319
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331
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340
342
344
346
346
Indice
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Un nuovo gruppo di fattori stimola l’allungamento
e la capacità di correzione della Pol II
Le polimerasi in fase di allungamento devono
risolvere il problema dell’incontro con gli istoni
La polimerasi in allungamento si associa con
un nuovo gruppo di fattori proteici, necessari
alla maturazione dell’RNA
La terminazione della trascrizione è associata
alla distruzione dell’RNA da parte di una RNasi
altamente processiva
Parte 3
Espressione
del genoma
CAPITOLO 12
I meccanismi della trascrizione
La trascrizione dell’RNA polimerasi I e III
Le RNA polimerasi e il ciclo della trascrizione 352
Le RNA polimerasi possono avere forme diverse
ma condividono molte caratteristiche
352
La trascrizione da parte della RNA polimerasi avviene
in una serie di passaggi
354
L’inizio della trascrizione richiede tre passaggi
distinti
356
Il ciclo della trascrizione nei batteri
356
I promotori batterici pur avendo alcune
caratteristiche ben definite si differenziano
per la sequenza e la forza
BOX 12.1 TECNICHE Sequenze consenso
Il fattore σ media il legame della polimerasi
al promotore
La transizione verso il complesso aperto comporta
dei cambiamenti strutturali nella RNA polimerasi
e nel promotore
La trascrizione è iniziata dall’RNA polimerasi senza
l’ausilio di un primer
Nella prima fase della trascrizione l’RNA polimerasi
resta ferma e tira dentro di sé il DNA a valle
Il distacco dal promotore richiede la rottura delle
interazioni tra la polimerasi e il promotore
e tra il nucleo centrale dell’enzima e il fattore σ
BOX 12.2 CONCETTI AVANZATI Le RNA polimerasi
a singola unità
La polimerasi in fase di allungamento è una
macchina processiva che simultaneamente
sintetizza RNA e corregge le bozze dell’RNA
L’RNA polimerasi si può bloccare e può avere
bisogno di essere rimossa
La trascrizione termina grazie ad alcuni segnali
all’interno della sequenza dell’RNA
La trascrizione negli eucarioti
Il core dei promotori della RNA polimerasi II
è costituito da una combinazione di quattro
elementi
L’RNA polimerasi II forma sul promotore
un complesso di preinizio con i fattori generali
di trascrizione
Il distacco dal promotore richiede la fosforilazione
della “coda” della polimerasi
TBP si lega al DNA e lo piega usando un foglietto β
inserito nel solco minore
Gli altri fattori generali di trascrizione hanno anche
funzioni specifiche nella fase di inizio
In vivo, l’inizio della trascrizione ha bisogno di altre
proteine, incluso il complesso del Mediatore
Il Mediatore è composto da molte subunità, alcune
delle quali sono conservate dal lievito all’uomo
356
357
359
Le RNA Pol I e Pol III riconoscono promotori distinti,
utilizzano un gruppo diverso di fattori
di trascrizione, ma hanno comunque bisogno
di TBP
I promotori della Pol III si trovano a valle del sito
d’inizio della trascrizione
SOMMARIO
BIBLIOGRAFIA
361
362
363
364
364
366
366
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383
383
384
384
386
CAPITOLO 13
Lo splicing dell’RNA
BOX 13.1 ESPERIMENTI CHIAVE L’adenovirus
e la scoperta dello splicing
La chimica dello splicing dell’RNA
360
376
Le sequenze all’interno dell’RNA determinano dove
avviene lo splicing
L’introne viene rimosso in una forma a cappio
detta lariat e gli esoni laterali vengono uniti
Gli esoni provenienti da diverse molecole di RNA
possono essere uniti attraverso uno splicing
in trans
Il macchinario dello spliceosoma
Lo splicing dell’RNA viene effettuato da un
complesso molto grande chiamato spliceosoma
Le vie dello splicing
Assemblaggio, riarrangiamenti e catalisi all’interno
dello spliceosoma: il percorso dello splicing
Gli introni self-splicing dimostrano che l’RNA
può catalizzare lo splicing
BOX 13.2 ESPERIMENTI CHIAVE La conversione
in ribozimi degli introni del gruppo I
Gli introni del gruppo I rilasciano un introne lineare
anziché un cappio
Come fa lo spliceosoma a trovare i siti di splicing
in maniera affidabile?
Un gruppo ristretto di introni è processato
da uno spliceosoma alternativo formato
da un corredo diverso di snRNP
Lo splicing alternativo
389
391
391
391
393
393
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395
395
397
397
399
401
403
403
I singoli geni possono dare origine a diversi prodotti
grazie allo splicing alternativo
403
Esistono diversi meccanismi per garantire
uno splicing mutualmente esclusivo
405
L’incredibile caso del gene Dscam di Drosophila:
un esempio di splicing mutualmente esclusivo
su larga scala
406
XV
XVI
Indice
Lo splicing mutualmente esclusivo dell’esone 6
di Dscam non può essere ottenuto con nessun
meccanismo standard e probabilmente utilizza
nuove strategie
BOX 13.3 ESPERIMENTI CHIAVE L’identificazione
dei siti di ancoraggio e delle sequenze selettrici
Lo splicing alternativo è regolato da attivatori
e repressori
La regolazione dello splicing alternativo determina
il sesso dei moscerini
BOX 13.4 RISVOLTI MEDICI Errori nello splicing
del pre-mRNA causano diverse malattie umane
Il rimescolamento degli esoni
Gli esoni vengono rimescolati dalla ricombinazione
per produrre dei geni che codificano nuove
proteine
L’editing dell’RNA
L’editing dell’RNA rappresenta un altro modo
per modificare la sequenza di un mRNA
BOX 13.5 RISVOLTI MEDICI Le deamminasi e l’HIV
Gli RNA guida dirigono l’inserzione e la delezione
delle uridine
Il trasporto dell’mRNA
L’mRNA maturo viene impaccato ed esportato
dal nucleo al citoplasma per la traduzione
SOMMARIO
BIBLIOGRAFIA
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408
410
410
413
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420
421
421
422
424
La traduzione
426
Le catene polipeptidiche sono specificate dalle
open reading frame
426
Gli mRNA procariotici hanno un sito di legame
per il ribosoma che recluta il macchinario
per la traduzione
428
Gli mRNA eucariotici sono modificati alle estremità 5’
e 3’ per facilitare la traduzione
428
RNA transfer
429
I tRNA agiscono da adattatori tra codoni
e amminoacidi
BOX 14.1 CONCETTI AVANZATI Gli enzimi che
aggiungono la sequenza CCA: un meccanismo
di sintesi dell’RNA in assenza di uno stampo
I tRNA hanno in comune una struttura secondaria
con forma simile a un trifoglio
I tRNA hanno una struttura tridimensionale ad “L”
Il legame degli amminoacidi al tRNA
I tRNA vengono caricati con un amminoacido che
si lega all’adenosina dell’estremità 3’ tramite
un legame acilico ad alta energia
L’amminoacil-tRNA sintetasi carica i tRNA
in due passaggi
Ciascuna amminoacil-tRNA sintetasi attacca
un solo amminoacido ad uno o più tRNA
Le tRNA sintetasi riconoscono le caratteristiche
strutturali esclusive dei rispettivi tRNA
Il ribosoma
Il ribosoma è costituito da una subunità maggiore
e da una minore
Le subunità maggiore e minore si associano
e si dissociano ad ogni ciclo di traduzione
I nuovi amminoacidi vengono attaccati all’estremità
C-terminale della catena polipeptidica nascente
I legami peptidici si formano mediante
il trasferimento della catena polipeptidica
nascente da un tRNA all’altro
Gli RNA ribosomiali sono determinanti sia strutturali
che catalitici del ribosoma
Il ribosoma ha tre siti di legame per il tRNA
I canali che attraversano il ribosoma permettono
all’mRNA e alla catena polipeptidica nascente
di entrare e di uscire dal ribosoma
Inizio della traduzione
CAPITOLO 14
RNA messaggero
La formazione dell’amminoacil-tRNA è molto
accurata
Alcune amminoacil-tRNA sintetasi usano un sito
correttore per caricare il tRNA con un alto grado
di accuratezza
Il ribosoma non è in grado di distinguere tra tRNA
caricati in modo corretto o sbagliato
BOX 14.2 CONCETTI AVANZATI Selenocisteina
429
429
430
431
432
432
432
433
434
Gli mRNA procariotici vengono inizialmente reclutati
dalla subunità minore tramite appaiamento
di basi con l’rRNA
Un tRNA specifico, caricato con una metionina
modificata, si lega direttamente alla subunità
minore procariotica
Tre fattori dirigono l’assemblaggio di un complesso
iniziatore che contiene l’mRNA e il tRNA iniziatore
I ribosomi eucariotici vengono reclutati sull’mRNA
dal Cap al 5’
BOX 14.3 CONCETTI AVANZATI uORF e IRES:
eccezioni che confermano la regola
Il codone d’inizio viene trovato leggendo
la sequenza dell’mRNA a partire dall’estremità 5’
I fattori d’inizio della traduzione mantengono
l’mRNA eucariotico in una conformazione
circolare
Allungamento durante la traduzione
Gli amminoacil-tRNA vengono trasferiti sul sito A
dal fattore di allungamento EF-Tu
Il ribosoma adotta diversi meccanismi per evitare
di selezionare gli amminoacil-tRNA errati
Il ribosoma è un ribozima
La formazione del legame peptidico e il fattore
di allungamento EF-G governano la traslocazione
dei tRNA e dell’mRNA
EF-G causa la traslocazione spostando il tRNA
legato al sito A
EF-Tu-GDP ed EF-G-GDP devono scambiare il GDP
con GTP prima di poter partecipare ad un nuovo
ciclo di allungamento
La formazione di un legame peptidico consuma
due molecole di GTP e una di ATP
BOX 14.4 CONCETTI AVANZATI Le proteine che
si legano al GTP, i cambiamenti conformazionali
e la precisione e l’ordine degli eventi
della traduzione
435
436
436
437
437
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461
Indice
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Terminazione della traduzione
I fattori di rilascio terminano la traduzione
in risposta ai codoni di stop
Alcune brevi regioni dei fattori di rilascio di classe I
riconoscono i codoni di stop e innescano il rilascio
della catena peptidica
Lo scambio GDP/GTP e l’idrolisi del GTP controllano
la funzione del fattore di rilascio di classe II
Il fattore di riciclaggio del ribosoma simula un tRNA
BOX 14.5 RISVOLTI MEDICI Gli antibiotici arrestano
la divisione cellulare bloccando passaggi specifici
della traduzione
La regolazione della traduzione
Nei batteri le proteine o gli RNA che si legano
vicino al sito di legame del ribosoma regolano
negativamente l’inizio della traduzione
La regolazione della traduzione nei procarioti:
le proteine ribosomiali sono dei repressori
traduzionali della propria sintesi
I regolatori globali della traduzione eucariotica
agiscono sui fattori indispensabili per il
riconoscimento dell’mRNA e il legame del tRNA
iniziatore al ribosoma
Le 4E-BP specifiche per un mRNA controllano
spazialmente la traduzione
Una proteina di legame all’RNA, regolata dal ferro,
controlla la traduzione della ferritina
La traduzione dell’attivatore trascrizionale
del lievito Gcn4 è controllata da piccole ORF
a monte e dall’abbondanza di un complesso
ternario
Regolazione traduzione-dipendente
dell’mRNA e della stabilità delle proteine
L’RNA SsrA libera i ribosomi che traducono mRNA
spezzati
Le cellule eucariotiche degradano gli mRNA
incompleti o dotati di codoni di stop prematuri
SOMMARIO
BIBLIOGRAFIA
462
462
463
463
465
469
470
Tre regole disciplinano il codice genetico
Tre tipi di mutazioni puntiformi alterano il codice
genetico
493
493
La soppressione intergenica coinvolge tRNA mutanti 494
I soppressori nonsenso leggono anche i normali
segnali di terminazione
496
La prova della validità del codice genetico
496
Il codice è pressoché universale
497
BIBLIOGRAFIA
499
499
Parte 4
La regolazione
CAPITOLO 16
472
473
474
475
477
477
479
481
482
Il codice genetico
La percezione dell’ordine nel codice
Tentennamento dell’anticodone
Tre codoni determinano la fine della catena
Come venne svelato il codice
Stimolazione dell’incorporazione di amminoacidi
da parte di mRNA sintetici
Poli-U codifica la poli-fenilalanina
I copolimeri misti consentirono l’assegnazione
di altri codoni
L’RNA transfer si lega a codoni trinucleotidici definiti
Assegnazione dei codoni tramite copolimeri ripetitivi
Mutazioni soppressive possono trovarsi
nello stesso gene o in geni diversi
SOMMARIO
467
469
CAPITOLO 15
Il codice è degenerato
Prova genetica che il codice viene letto in gruppi
di tre unità
483
485
485
487
487
488
488
489
490
490
491
492
La regolazione trascrizionale
nei procarioti
I principi della regolazione trascrizionale
L’espressione genica è controllata da proteine
regolatrici
La maggior parte degli attivatori e repressori agisce
a livello dell’inizio di trascrizione
Molti promotori sono regolati dagli attivatori,
che favoriscono il legame dell’RNA polimerasi
al DNA, e dai repressori, che bloccano
questo legame
Alcuni attivatori e repressori funzionano
allostericamente e regolano passaggi dell’inizio
di trascrizione successivi al legame
dell’RNA polimerasi
Azione a distanza e formazione di un’ansa sul DNA
Il legame cooperativo e l’allosteria svolgono molte
funzioni nella regolazione genica
Antiterminazione ed oltre: non tutta la regolazione
dell’espressione genica agisce sull’inizio
di trascrizione
La regolazione dell’inizio di trascrizione:
alcuni esempi nei procarioti
L’espressione dei geni lac è controllata da
un attivatore e da un repressore
CAP e il repressore Lac influenzano in modo
opposto il legame dell’RNA polimerasi
al promotore lac
CAP possiede delle superfici separate
per l’attivazione e il legame al DNA
BOX 16.1 ESPERIMENTI CHIAVE Gli esperimenti
di eliminazione dell’attivatore
La proteina CAP e il repressore Lac legano il DNA
per mezzo di un comune motivo strutturale
Le attività del repressore Lac e di CAP sono
controllate allostericamente dai loro segnali
BOX 16.2 ESPERIMENTI CHIAVE Jacob, Monod
e le loro teorie sulla regolazione genica
505
505
506
506
507
508
509
510
510
511
511
513
514
515
517
518
XVII
XVIII Indice
Il controllo combinatorio: CAP controlla anche
altri geni
Fattori σ alternativi dirigono la RNA polimerasi
su serie alternative di promotori
NtrC e MerR: due attivatori trascrizionali che
funzionano per mezzo dell’allosteria e non
del reclutamento
NtrC è dotato di un’attività ATPasica e lavora
sul DNA in siti lontani dal gene
MerR attiva la trascrizione facendo ruotare il DNA
del promotore
Alcuni repressori trattengono la RNA polimerasi
sul promotore invece di escluderla
AraC controlla l’operone araBAD per mezzo
dell’antiattivazione
L’esempio del batteriofago λ: diversi livelli
di regolazione
Schemi di espressione genica alternativi controllano
la crescita litica e quella lisogenica
Le proteine regolatrici e i loro siti di legame
Il repressore di λ lega l’operatore in modo
cooperativo
BOX 16.3 CONCETTI AVANZATI Concentrazione,
affinità e legame cooperativo
Il repressore e Cro si legano in schemi alternativi
per controllare il ciclo litico e quello lisogenico
L’induzione lisogenica richiede il taglio proteolitico
del repressore di λ
L’autoregolazione negativa del repressore richiede
delle interazioni a lunga distanza e un’ampia ansa
di DNA
BOX 16.4 ESPERIMENTI CHIAVE L’evoluzione
dell’interruttore di λ
In seguito all’infezione di un nuovo ospite, un altro
attivatore, λ CII, controlla la scelta tra ciclo litico
e lisogenico
Il numero di particelle fagiche che infettano
una cellula influenza l’andamento litico
o lisogenico dell’infezione
Le condizioni di crescita di E. coli influenzano
la stabilità della proteina CII e di conseguenza
la scelta tra ciclo litico e lisogenico
BOX 16.5 ESPERIMENTI CHIAVE Approcci genetici
che hanno portato all’isolamento dei geni coinvolti
nella scelta tra ciclo litico e lisogenico
L’antiterminazione trascrizionale nello sviluppo di λ
La retroregolazione: l’espressione del gene int
è determinata da un gioco di controlli sulla sintesi
e la stabilità dell’RNA
SOMMARIO
BIBLIOGRAFIA
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520
520
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539
541
542
543
La regolazione trascrizionale
negli eucarioti
Gli attivatori hanno domini di legame al DNA
e domini di attivazione separati
549
I regolatori degli eucarioti usano domini differenti
per il legame al DNA, ma il riconoscimento
del DNA si basa sugli stessi principi dei batteri
Le regioni di attivazione sono strutture non ben
definite
550
Reclutamento di complessi proteici indotto
dagli attivatori trascrizionali eucariotici
552
553
521
CAPITOLO 17
I meccanismi che regolano la trascrizione
sono conservati dal lievito ai mammiferi
BOX 17.1 TECNICHE Il saggio dei due ibridi
547
547
Gli attivatori reclutano il complesso trascrizionale
sui geni
Gli attivatori reclutano anche modificatori
dei nucleosomi che permettono al complesso
trascrizionale di legarsi al promotore o iniziare
la trascrizione
Gli attivatori reclutano su alcuni promotori un altro
fattore necessario per un inizio efficiente o per
l’allungamento
Attività a distanza: loop e isolatori
Per la corretta regolazione di alcuni gruppi di geni
sono necessarie specifiche regioni di controllo
BOX 17.2 ESPERIMENTI CHIAVE Interazioni a lunga
distanza sullo stesso e su diversi cromosomi
Integrazione del segnale e controllo
combinatorio
Gli attivatori lavorano in modo sinergico
per integrare i segnali
Integrazione del segnale: il gene HO è controllato
da due regolatori, uno recluta modificatori
dei nucleosomi, l’altro recluta un mediatore
Integrazione del segnale: legame cooperativo
degli attivatori sul gene dell’interferone β umano
Il controllo combinatorio dell’attività genica
è fondamentale per la complessità e la diversità
degli eucarioti
Il controllo combinatorio dei geni del mating type
di S. cerevisiae
BOX 17.3 ESPERIMENTI CHIAVE Come evolve
un circuito di regolazione
553
554
556
556
558
559
561
561
561
563
565
565
Repressori trascrizionali
567
568
Trasduzione del segnale e controllo
dei regolatori trascrizionali
570
I segnali sono spesso comunicati ai regolatori
trascrizionali
attraverso sistemi di trasduzione del segnale
Vari segnali controllano i regolatori trascrizionali
eucariotici in diversi modi
Gli attivatori e i repressori possono essere formati
da moduli fisicamente separati
Silenziamento genico determinato
dalla modificazione degli istoni e del DNA
Il silenziamento nel lievito è mediato
da deacetilazione e metilazione degli istoni
Nella Drosophila, HP1 riconosce gli istoni metilati
e la cromatina condensata
BOX 17.4 CONCETTI AVANZATI Esiste un codice
istonico?
La metilazione del DNA, nei mammiferi, è associata
al silenziamento genico
BOX 17.5 RISVOLTI MEDICI La repressione
trascrizionale e le malattie umane
570
572
573
574
575
576
577
578
579
watson_indice_def:watson_indice_def_def
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8:24
Pagina XIX
Indice
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L’epigenetica regola l’espressione genica
Alcune modalità di espressione genica vengono
ereditate con la divisione cellulare anche quando
il segnale scatenante non è più presente
BOX 17.6 RISVOLTI MEDICI I fattori trascrizionali
sono usati per riprogrammare le cellule somatiche
in cellule staminali embrionali
SOMMARIO
BIBLIOGRAFIA
580
La regolazione genica nello sviluppo
e nell’evoluzione
580
Strategie di regolazione dell’espressione
genica differenziale durante lo sviluppo
583
584
585
CAPITOLO 18
Gli RNA regolatori
La regolazione mediata da RNA nei batteri
587
I riboswitch si ritrovano all’interno dei trascritti
dei geni di cui controllano l’espressione
attraverso cambiamenti della struttura secondaria 589
BOX 18.1 CONCETTI AVANZATI Gli operoni per
la biosintesi degli amminoacidi sono regolati
mediante l’attenuazione
592
L’interferenza da RNA (RNAi) è uno
dei principali meccanismi regolatori
negli eucarioti
594
I piccoli RNA che silenziano i geni sono generati
da diverse fonti e dirigono il silenziamento genico
in tre modi distinti
594
Sintesi e funzione dei miRNA
596
I miRNA hanno una tipica struttura che li aiuta
a riconoscere se stessi e i propri geni bersaglio
Un miRNA attivo è formato tramite due passaggi
di processamento nucleolitico
Dicer è il secondo enzima che taglia l’RNA coinvolto
nella produzione del miRNA
L’incorporazione del filamento di RNA guida in RISC
porta alla formazione del complesso maturo,
pronto a silenziare l’espressione genica
I siRNA sono RNA regolatori prodotti da lunghi RNA
a doppio filamento
BOX 18.2 ESPERIMENTI CHIAVE La storia dei miRNA
e degli RNAi
I piccoli RNA possono silenziare trascrizionalmente
i geni inducendo una modificazione
della cromatina
L’evoluzione e l’utilizzo dell’RNAi
L’RNAi si è evoluto come sistema immunitario?
L’RNAi è diventato un sistema potente
per manipolare l’espressione genica
BOX 18.3 RISVOLTI MEDICI L’RNAi e le patologie
umane
Gli RNA regolatori e l’inattivazione
del cromosoma X
L’inattivazione del cromosoma X porta a individui
a mosaico
Xist è un RNA regolatore che inattiva un solo
cromosoma X nelle femmine di mammifero
SOMMARIO
BIBLIOGRAFIA
CAPITOLO 19
596
598
599
600
601
601
603
604
604
606
606
609
609
609
610
611
614
BOX 19.1 TECNICHE I saggi con i microarray:
teoria e pratica
Alcuni mRNA si localizzano precisamente all’interno
della cellula uovo e dell’embrione grazie
a una polarità intrinseca del citoscheletro
Il contatto cellula-cellula e le molecole segnale
secrete stimolano i cambiamenti dell’espressione
genica nelle cellule vicine
Il gradiente delle molecole segnale può istruire
le cellule a seguire diverse vie di sviluppo
sulla base della loro posizione
Esempi delle tre strategie utilizzate
per stabilire l’espressione genica
differenziale
La localizzazione del repressore Ash1 controlla
il mating type del lievito attraverso il silenziamento
del gene HO
BOX 19.2 CONCETTI AVANZATI Il citoscheletro:
asimmetria e crescita
Un mRNA precisamente localizzato promuove
il differenziamento muscolare nell’embrione
dell’ascidia
BOX 19.3 CONCETTI AVANZATI Lo sviluppo di Ciona
Il contatto cellula-cellula stimola l’espressione genica
differenziale nel batterio sporigeno Bacillus subtilis
Uno scambio regolativo pelle-nervo è controllato
dal segnale di Notch nel sistema nervoso centrale
degli insetti
Il gradiente del morfogeno Sonic hedgehog
controlla la formazione dei diversi tipi di neuroni
nel tubo neurale dei vertebrati
La biologia molecolare dell’embriogenesi
di Drosophila
Una sintesi dell’embriogenesi di Drosophila
BOX 19.4 CONCETTI AVANZATI Lo sviluppo
di Drosophila
Il gradiente di un morfogeno controlla la
regionalizzazione dorso-ventrale dell’embrione
di Drosophila
BOX 19.5 ESPERIMENTI CHIAVE Il ruolo della sinergia
degli attivatori nello sviluppo
La segmentazione viene iniziata da alcuni mRNA
localizzati ai poli anteriore e posteriore dell’uovo
non fecondato
BOX 19.6 RISVOLTI MEDICI Le cellule staminali
Bicoid e Nanos regolano hunchback
Il gradiente del repressore Hunchback stabilisce
i diversi limiti di espressione dei geni gap
Hunchback e le proteine gap producono le bande
di espressione genica della segmentazione
BOX 19.7 ESPERIMENTI CHIAVE Le sequenze
regolatrici che agiscono in cis nello sviluppo
e nell’evoluzione animale
I gradienti dei repressori gap producono
molte bande di espressione genica
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XIX
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I repressori trascrizionali a corto raggio consentono
a enhancer diversi di lavorare indipendentemente
l’uno dall’altro all’interno delle regioni regolatrici
complesse di eve
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I geni omeotici: un’importante classe
di regolatori dello sviluppo
I cambiamenti nell’espressione dei geni omeotici
sono la causa della diversità tra artropodi
BOX 19.8 CONCETTI AVANZATI I geni omeotici
di Drosophila sono organizzati in raggruppamenti
speciali sui cromosomi
Gli artropodi sono incredibilmente differenti
Le variazioni dell’espressione di Ubx spiegano
le modificazioni degli arti nei crostacei
Perché gli insetti non hanno arti addominali
La modificazione degli arti per il volo sembra derivare
dall’evoluzione di sequenze regolatrici del DNA
SOMMARIO
BIBLIOGRAFIA
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Alcuni circuiti generano profili oscillanti
di espressione genica
I circuiti sintetici simulano alcune caratteristiche
delle reti naturali di regolazione
Prospettive
SOMMARIO
BIBLIOGRAFIA
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L’analisi dei genomi e la biologia
dei sistemi
La biologia dei sistemi
I circuiti trascrizionali sono composti da nodi
e segmenti
L’autoregolazione negativa riduce il rumore
e permette una risposta rapida
Nell’espressione genica c’è rumore
L’autoregolazione positiva ritarda l’espressione
di un gene
Alcuni circuiti regolatori possono avere due stati
stabili
BOX 20.2 ESPERIMENTI CHIAVE La bistabilità e l’isteresi
I circuiti a retroazione positiva sono reti a tre nodi
con proprietà utili
I circuiti a retroazione positiva sono usati
nello sviluppo
678
679
Parte 5
Metodi
CAPITOLO 21
Tecniche di biologia molecolare
Gli acidi nucleici
La bioinformatica facilita l’identificazione su scala
genomica dei geni codificanti proteine
Per analizzare il trascrittoma vengono usati
tiling array comprendenti l’intero genoma
Le sequenze di DNA con funzione regolatrice
possono essere identificate grazie a strumenti
di allineamento specializzati
BOX 20.1 TECNICHE Approcci bioinformatici
per l’identificazione di enhancer complessi
Il saggio ChIP-chip rappresenta il migliore approccio
per l’identificazione di enhancer
Animali differenti contengono una serie di geni
incredibilmente simili
Molti animali hanno strani geni
La sintenia è molto antica dal punto di vista
evolutivo
Il sequenziamento ad alta efficienza
(deep sequencing) è stato usato per esplorare
l’origine dell’uomo
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CAPITOLO 20
Una panoramica sulla genomica
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L’elettroforesi su gel separa le molecole di DNA
ed RNA in base al peso molecolare
Le endonucleasi di restrizione tagliano le molecole
di DNA in siti particolari
L’ibridazione può essere usata per identificare
specifiche molecole di DNA
Le sonde di ibridazione possono identificare DNA
ed RNA separati elettroforeticamente
Isolamento di frammenti specifici di DNA
Clonaggio del DNA
Il clonaggio del DNA in vettori plasmidici
Il DNA inserito nel vettore può essere introdotto
negli organismi ospiti mediante la trasformazione
Mediante clonaggio si possono creare librerie
di molecole di DNA
Un clone specifico di una libreria di DNA può essere
identificato mediante ibridazione
Oligonucleotidi sintetizzati chimicamente
La reazione a catena della polimerasi (PCR) amplifica
i DNA mediante ripetuti cicli di replicazione in vitro
BOX 21.1 TECNICHE Aspetti legali e reazione a catena
della polimerasi
Gruppi di frammenti interni di DNA rivelano
la sequenza nucleotidica
BOX 21.2 ESPERIMENTI CHIAVE I Sequenator sono
utilizzati per il sequenziamento ad alta resa
Il sequenziamento “in un colpo solo” (shotgun)
del genoma batterico
Il sequenziamento shotgun consente l’assemblaggio
parziale di estese sequenze genomiche
La strategia dell’accoppiamento delle estremità
consente di produrre ampi assemblaggi genomici
Il genoma umano da 1000 dollari è a portata
di mano
Le proteine
Specifiche proteine possono essere isolate
da estratti cellulari
La purificazione di una proteina richiede un saggio
specifico
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Indice
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Preparazione di un estratto cellulare contenente
proteine attive
Le proteine possono essere separate tra loro
utilizzando la cromatografia su colonna
La cromatografia per affinità può facilitare
una più rapida purificazione delle proteine
Separazione di proteine su gel di poliacrilammide
Gli anticorpi possono essere usati per visualizzare
proteine separate per elettroforesi
Le molecole proteiche possono essere sequenziate
direttamente
Proteomica
L’uso combinato della cromatografia liquida
con la spettrometria di massa permette
di identificare singole proteine presenti
in un estratto complesso
L’analisi comparativa dei diversi proteomi rivela
importanti differenze tra cellule
La spettrometria di massa può anche seguire
le diverse modificazioni proteiche
Le interazioni proteina-proteina forniscono
informazioni funzionali
Le interazioni acidi nucleici-proteine
La mobilità elettroforetica del DNA varia in seguito
al legame di una proteina
Una proteina legata al DNA lo protegge
dalle nucleasi e dalla modificazione chimica
L’immunoprecipitazione della cromatina rivela
l’associazione delle proteine con il DNA
nelle cellule
La selezione in vitro può essere usata per identificare
sul DNA o sull’RNA il sito di legame di una proteina
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Organismi modello
Saggi per la crescita fagica
Curva di crescita a passaggio unico
Incroci tra fagi e test di complementazione
Trasduzione e DNA ricombinante
I batteri
Analisi della crescita batterica
I batteri si scambiano DNA mediante coniugazione,
trasduzione mediata dai fagi e trasformazione
con DNA
I plasmidi batterici possono essere usati come vettori
di clonaggio
I trasposoni possono essere utilizzati per generare
mutazioni per inserzione e fusioni tra il gene
e l’operone
Gli studi di biologia molecolare dei batteri hanno
ricevuto impulso dalla tecnologia del DNA
ricombinante, dal sequenziamento del genoma
e dal profilo trascrizionale
L’esistenza di cellule aploidi e diploidi facilita l’analisi
genetica di S. cerevisiae
È facile ottenere mutazioni precise nel lievito
S. cerevisiae possiede un genoma piccolo
e ben caratterizzato
Le cellule di S. cerevisiae cambiano forma durante
la crescita
Arabidopsis
Arabidopsis è caratterizzata da un ciclo vitale rapido
con fasi aploidi e diploidi
Arabidopsis viene facilmente trasformata
per la genetica inversa
Arabidopsis è caratterizzata da un piccolo genoma
facilmente manipolabile
L’epigenetica
Le piante rispondono all’ambiente
Sviluppo e formazione della struttura
Il verme nematode Caenorhabditis elegans
C. elegans ha un ciclo vitale molto rapido
C. elegans è costituito da relativamente poche linee
cellulari ben studiate
La via della morte cellulare fu scoperta in C. elegans
L’interferenza da RNA (RNAi) fu scoperta
in C. elegans
Il moscerino della frutta Drosophila
melanogaster
CAPITOLO 22
I batteriofagi
L’analisi biochimica è particolarmente efficace
nelle cellule semplici con gli strumenti tradizionali
e della genetica molecolare
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I batteri possono essere studiati dal punto di vista
citologico
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I fagi e i batteri hanno fornito importanti
informazioni sul gene
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Il lievito di birra Saccharomyces cerevisiae
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Drosophila ha un ciclo vitale rapido
Le prime mappe genomiche sono state realizzate
per la Drosophila
I mosaici genetici consentono l’analisi dei geni letali
nei moscerini adulti
La ricombinasi FLP di lievito consente la produzione
efficiente di mosaici genetici
È facile generare moscerini della frutta transgenici
che contengono DNA esogeno
Il topo comune Mus musculus
Lo sviluppo embrionale del topo dipende
dalle cellule staminali
È facile introdurre DNA esogeno nell’embrione
di topo
La ricombinazione omologa consente l’ablazione
selettiva di singoli geni
I topi mostrano un’eredità epigenetica
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INDICE ANALITICO
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