linformazione genetica, elemento basilare: caratteristiche e alterazioni nei procarioti
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L’INFORMAZIONE GENETICA, ELEMENTO BASILARE:Caratteristiche e alterazioni nei procarioti
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IL LEGAME FOSFODIESTERE
O-
O = P – O – CH2 Adenina
O- OH HH
HH
O
O = P
O- O
CH2 Timina
OH H
HH
H
3’
5’
ESTREMITA’3’
ESTREMITA’5’
IL LEGAME FRA NUCLEOTIDI:IL LEGAME FRA NUCLEOTIDI:BASE STRUTTURALE DELL’INFORMAZIONE GENETICABASE STRUTTURALE DELL’INFORMAZIONE GENETICA
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O-
O = P
O- O
CH2
OH H
HH
H
O
O = P
O- O
CH2
OH H
HH
H
A:T
G:C
H HH HH
O
OH
CH2
O
P = O
O O-
H HH HH
O
CH2
O
P = O
O O-
5’
3’
3’
5’
.
L’APPAIAMENTO DEGLI STRAND:L’APPAIAMENTO DEGLI STRAND:LE BASI COMPLEMENTARILE BASI COMPLEMENTARI
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IL CODICE GENETICOIL CODICE GENETICO
UUU F
UUC F
UUA L
UUG L
UC S
UAU Y
UAC Y
UAA Stop(Ochre)
UAG Stop(Amber)
UGU C
UGC C
UGA Stop(Umber)
UGG W
CU L CC P
CAU H
CAC H
CAA Q
CAG Q
CG R
AUU I
AUC I
AUA I
AUG M
AC T
AAU N
AAC N
AAA K
AAG K
AGU S
AGC S
AGA R
AGG R
GU V GC A
GAU D
GAC D
GAA E
GAG E
GG G
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IL GENEIL GENE
IL GENE PROCARIOTICOPROCARIOTICO E’ COSTITUITO DA UNA SEQUENZA DI TRIPLETTE ADIACENTIADIACENTI IN UN FILAMENTO DI DNA, IN GRADO DI CONTROLLARE LA SINTESI DI UN PRODOTTO SPECIFICO
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CLASSIFICAZIONE DEI GENI
• STRUTTURALI: controllano la sintesi di una proteina enzimatica o strutturale
• REGOLATORI: controllano la sintesi di una proteina che controlla la trascrizione di uno o più geni agendo su una regione genomica adiacente detta operatore
• SOPPRESSORI: il loro prodotto sopprime l’espressione di uno o più geni agendo a livello della traduzione
• MUTATORI: il loro prodotto induce alterazioni strutturali in altri geni
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TGTTGAACATCGATAATTATCTT
ACAACTTGTAGCTATTAATAGAAUGUUGAACAUCG
ppp
OH
5’
3’
TRASCRIZIONE
mRNA
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PROMOTORE GENE TERMINATORE STRUTTURALE
Proteina
mRNA
TRASCRIZIONE
TRADUZIONE
GENE PROCARIOTICOGENE PROCARIOTICO
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PROMOTORE ESONI INTRONI TERMINATORE
Proteina
TRASCRIZIONE
RIELABORAZIONE
TRADUZIONE
1 2 43
Trascrittoprimario
AAAAAG
G AAAAA Trascrittofunzionale
GENE EUCARIOTICOGENE EUCARIOTICO
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1 2 43
LO SPLICINGLO SPLICING
1 2 3 4 1 2 4
TRASCRITTI FUNZIONALI ALTERNATIVI
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IL CONTROLLO IL CONTROLLO DELL’ESPRESSIONE GENICADELL’ESPRESSIONE GENICA
NON TUTTI I PRODOTTI GENICI SONO NECESSARI ALLO STESSO MOMENTO
L’ESPRESSIONE PUO’ ESSERE
COSTITUTIVA REGOLATA
INDUCIBILE REPRIMIBILE
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o A EC DB t
TRASCRIZIONE
mRNA
-35 -10 +1
P
TRADUZIONE
PROTEINE
RNApolimerasi
UNITA’ TRASCRIZIONALE (OPERON) COSTITUTIVAUNITA’ TRASCRIZIONALE (OPERON) COSTITUTIVA
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UNITA’ TRASCRIZIONALE (OPERON) INDUCIBILEUNITA’ TRASCRIZIONALE (OPERON) INDUCIBILE
o A EC DB t-35 -10 +1
NESSUNA TRASCRIZIONE
RNApolimerasi
R
o A EC DB tmRNA-35 -10 +1
TRASCRIZIONE
RNApolimerasi
RI
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UNITA’ TRASCRIZIONALE (OPERON) REPRIMIBILEUNITA’ TRASCRIZIONALE (OPERON) REPRIMIBILE
o A EC DB tmRNA-35 -10 +1
o A EC DB t-35 -10 +1
RNApolimerasi
TRASCRIZIONEIR
IR C
NESSUNA TRASCRIZIONE
RNApolimerasi
IRC
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UNITA’ TRASCRIZIONALE (OPERON) A CONTROLLO +UNITA’ TRASCRIZIONALE (OPERON) A CONTROLLO +
o A EC DB tmRNA-35 -10 +1
o A EC DB t-35 -10 +1
RNApolimerasi
TRASCRIZIONE AUMENTATAAC
TmRNA
RNApolimerasi
TRASCRIZIONE NORMALE
AC
T E
AC
T E
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IL DNA INVERTIBILEIL DNA INVERTIBILELE VARIAZIONI DI FASELE VARIAZIONI DI FASE
SHIFT DAL FLAGELLO H1 AD H2SHIFT DAL FLAGELLO H1 AD H2IN SALMONELLAIN SALMONELLA
H2 e H1rep non trascritti
Trascrizione di H1
Trascrizione di H2 e H1rep
Il repressore di H1 blocca latrascrizione
H2 H1rep
H2p
ro
H1 H1pro
ELEMENTO GENETICO INVERTIBILEDALLA DNA INVERTASI (meccanismo flip_flop)
H2 H1rep
H2p
ro
H1 H1pro
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L’IMPIEGO DEL CODICE GENETICOL’IMPIEGO DEL CODICE GENETICOCODON AMINOACIDO FREQUENZA DI
UTILIZZO IN E.coliFREQUENZA DI UTILIZZO IN H.sapiens
CGG Arg 0,08 0,19
CGA Arg 0,05 0,1
CGU Arg 0,42 0,09
AGA Arg 0,04 0,21
CCG Pro 0,55 0,11
CCA Pro 0,2 0,27
CCU Pro 0,16 0,29
CCC Pro 0,1 0,33
UGA Stop 0,3 0,61
UAG Stop 0,09 0,17
UAA Stop 0,62 0,22
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UTILIZZO DEI CODON E REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICA
PROMOTORE GENE 1 GENE2 TERMINATORE
mRNASTESSONUMERO DI COPIE
PROTEINA 1
CAI 0,6
tRNA sufficienti
CAI 0,1
tRNA limitati
PROTEINA 2
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IL PATRIMONIO GENETICO DEI PROCARIOTI
NucleoideDNA extracromosomiale
SITO DI ANCORAGGIODEL CROMOSOMA ALLA MEMBRANA
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IL PATRIMONIO GENETICO DEI PROCARIOTI
• GENERALMENTE 1 MOLECOLA CIRCOLARE DI DNA (eccezioni V.cholerae 2 cromosomi e Agrobacterium e Streptomyces cromosoma lineare)
• MEDIAMENTE 3-6 x 106 bp• PESO MOLECOLARE ± 2-4 x
109 Da• MOLECOLA SUPERAVVOLTA• LUNGHEZZA 1,1 mm
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I PLASMIDII PLASMIDI
IN NUMEROSE SPECIE BATTERICHE SONO PRESENTI MOLECOLE DI DNA PIU’ PICCOLE DEL GENOMA, DOTATE DI CAPACITA’ REPLICATIVA AUTONOMA (PLASMIDI) TALORA IN GRADO DI INTEGRARSI NEL GENOMA (EPISOMI) CHE POSSONO CONFERIRE FENOTIPI RILEVANTI AI BATTERI (VIRULENZA – RESISTENZA)
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PLASMIDI ARTIFICIALI:PLASMIDI ARTIFICIALI:LA BASE DELL’INGEGNERIA GENETICA
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PLASMIDI ARTIFICIALI:PLASMIDI ARTIFICIALI:LA BASE DELL’INGEGNERIA GENETICA
![Page 24: LINFORMAZIONE GENETICA, ELEMENTO BASILARE: Caratteristiche e alterazioni nei procarioti](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062512/5542eb58497959361e8c343b/html5/thumbnails/24.jpg)
VARIAZIONI FENOTIPICHEVARIAZIONI FENOTIPICHE
FENOMENO ADATTATIVO GRADUALE E REVERSIBILE CUI VA INCONTRO LA MAGGIOR PARTE DELLA POPOLAZIONE IN SEGUITO AD UNA DETERMINATA PRESSIONE AMBIENTALE
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MUTAZIONIMUTAZIONI ALTERAZIONI DELLA SEQUENZA GENICA CHE VENGONO ALTERAZIONI DELLA SEQUENZA GENICA CHE VENGONO
EREDITATE DALLA PROGENIEEREDITATE DALLA PROGENIE ORIGINE DELLA VARIABILITA’ BATTERICA
ANCESTRALE COMUNEEVENTIMUTAZIONALI
NUOVI EVENTIMUTAZIONALI
EMERGEMUTAZIONE
VANTAGGIOSA
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L’AMBIENTE SELEZIONAL’AMBIENTE SELEZIONALE MUTAZIONILE MUTAZIONI
FENOTIPOMUTAZIONE
VANTAGGIOSASELEZIONATASTABILMENTE
MUTAZIONI GENOTIPICHE
PRESSIONEAMBIENTALE
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LA FREQUENZA MUTAZIONALELA FREQUENZA MUTAZIONALE1/101/1044 – 1/10 – 1/1099
PIASTRA SENZA ANTIBIOTICO
REPLICAPLATING
PIASTRE CON ANTIBIOTICI
DIVERSI
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MUTAZIONIMUTAZIONI
SOSTITUTIVE
Errori polimerasi
ADDIZIONALI
Elementi mobli
Errori polimerasi(spesso nonsenso)
DELETIVE
Errori polimerasi
Fenomeni diricombinazione
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MUTAZIONI ADDIZIONALIMUTAZIONI ADDIZIONALI
Atgaatagcagacatctgacaattacaatcattgccggcctctcc M N S R H L T I T I I A G L S
PROTEINA COMPLETAMENTE ALTERATAAtgaatGagcagacatctgacaattacaatcattgccggcctctccc M N E Q T S D N Y N H C R P L
PROTEINA SOPPRESSAAtgaatGGagcagacatctgacaattacaatcattgccggcctctccc M N G A D I - Q L Q S L P A S P
PROTEINA CON MUTAZIONE PUNTIFORMEAtgaatGGGagcagacatctgacaattacaatcattgccggcctctccc M N G S R H L T I T I I A G L S
+1
+2
+3
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MUTAZIONI SOSTITUTIVEMUTAZIONI SOSTITUTIVE
Atgaattatagacatctgacaattacaatcattgccggcctctcc M N Y R H L T I T I I A G L S
PROTEINA NON ALTERATA (MUTAZIONE CONSERVATIVA)AtgaattatagacaCctgacaattacaatcattgccggcctctcc M N Y R H L T I T I I A G L S
PROTEINA MUTATA (MUTAZIONE DI SENSO)AtgaattatagacaActgacaattacaatcattgccggcctctcc M N Y R Q L T I T I I A G L S
PROTEINA SOPPRESSAAtgaattaGagacatctgacaattacaatcattgccggcctctcc M N - R H L T I T I I A G L S
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MUTAZIONI E FENOTIPOMUTAZIONI E FENOTIPO
• MUTAZIONI IRRILEVANTI (non vi è sostituzione di amminoacido oppure la sostituzione è conservativa)
• MUTAZIONI LIEVI (vi è sostituzione di amminoacido non conservativa, ma la proteina mantiene almeno in parte la funzione)
• MUTAZIONI RILEVANTI (formazione di un prodotto alterato o inattivo o sostanzialmente diverso dall’originale)
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MECCANISMI DI MUTAZIONEMECCANISMI DI MUTAZIONE
MUTAZIONE PUNTIFORME• CTA/CTC = V/V SILENTE
• CTA/GTA = V/L CONSERVATIVA
• CAT/CAA = Q/H NON CONSERVATIVA
• TAT/TAA = Y/STOP NON SENSO
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ELEMENTI TRASPONIBILI
1. SEQUENZE DI INSERZIONE
2. TRASPOSONI
3. ALCUNI BATTERIOFAGI TEMPERATI (es. Mu)
MECCANISMI DI MUTAZIONEMECCANISMI DI MUTAZIONE
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MECCANISMI DI MUTAZIONEMECCANISMI DI MUTAZIONESEQUENZE DI INSERZIONE
SONO UN IMPORTANTE MECCANISMO DI DISORGANIZZAZIONE DELLA SEQUENZA NUCLEOTIDICA, IN CUI UNA SEQUENZA PRESENTE IN UN’ALTRA PARTE DEL GENOMA SI INSERISCE IN UN GENE O NEL SUO PROMOTORE INTERROMPENDOLI O ALTERANDONE LA FUNZIONE. IN MOLTI CASI I SITI DI INSERZIONE NON SONO CASUALI E LE IS SI SPOSTANO IN RISPOSTA A STIMOLI BEN PRECISI. TRASPORTANO IL GENE DI UNA TRASPOSASI E ALLE ESTREMITA’ GLI “INVERTED REPEATS”
GENE WILD-TYPE
GENE INTERROTTO
ESPRESSIONEINTERROTTA OALTERATA
IS
IS
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MECCANISMI DI MUTAZIONEMECCANISMI DI MUTAZIONE
TRASPOSONISONO UN IMPORTANTE MECCANISMO DI DISORGANIZZAZIONE DELLA SEQUENZA NUCLEOTIDICA. RISPETTO ALLE IS VEICOLANO GENI DI RILEVANTE INTERESSE PER L’ALTERAZIONE DEL FENOTIPO DEL MUTANTE, COME FATTORI DI RESISTENZA O GENI DI VIRULENZA.
INVERTED REPEATS
TRASPOSASI
GENI DI RESISTENZA O VIRULENZA
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MECCANISMO DI TRASPOSIZIONEMECCANISMO DI TRASPOSIZIONETRASPOSONITRASPOSONI
TRASPOSIZIONE CONSERVATIVATRASPOSIZIONE CONSERVATIVAL’ELEMENTO TRASPONIBILE SI EXCIDE DAL CROMOSOMA E SI L’ELEMENTO TRASPONIBILE SI EXCIDE DAL CROMOSOMA E SI
INSERISCE IN UNA NUOVA POSIZIONE SENZA DUPLICARSIINSERISCE IN UNA NUOVA POSIZIONE SENZA DUPLICARSI
SEQUENZA TARGET
ELEMENTOTRASPONIBILE
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MECCANISMO DI TRASPOSIZIONEMECCANISMO DI TRASPOSIZIONE
SEQUENZA TARGETELEMENTO
TRASPONIBILE
LA TRASPOSASIINDUCE IL NICKINGDEGLI STRAND
L’ELEMENTO TRASPONIBILESI LEGA AL TARGETSUI DUE STRAND
LA POLIMERASI RIPARA LE ZONESINGLE STRANDDUPLICANDO LESEQUENZE TARGET
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MECCANISMO DI TRASPOSIZIONEMECCANISMO DI TRASPOSIZIONETRASPOSIZIONE REPLICATIVATRASPOSIZIONE REPLICATIVA
(es. FAGO Mu)(es. FAGO Mu)
ELEMENTOTRASPONIBILE
TARGET
COINTEGRAZIONENICKING SIINGLE STRAND DEL
TARGET E DI Tn E DUPLICAZIONEDI Tn
APPAIAMENTO E RICOMBINAZIONE DI Tn
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SCAMBI GENETICI FRA SPECIESCAMBI GENETICI FRA SPECIE
P. putida
P. mirabilis
V. cholerae
Rhizobium trifolii
Rodospirillum rubrum
P. aeruginosa
Azotobacter spp
A. calcoaceticus
P. fluorescens
S. enterica
N. subflava
A. salmonicida
N. gonorrhoeae
E. coli
S. dysenteriae
A. tumefaciens
Rhizobium leguminosarum
H. influenzae
K. pneumoniae
S. marcescens
B. fragilisB. subtilis
B. pumilusS. aureus
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LA RICOMBINAZIONE GENETICALA RICOMBINAZIONE GENETICA
PROCESSO MEDIANTE IL QUALE DUE MOLECOLE DI DNA REALIZZANO LO SCAMBIO DI REGIONI
CON ESTREMITA’ OMOLOGHE
ESTREMITA’OMOLOGHE
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• TRASFORMAZIONE (il dna del donatore viene a contatto con il ceppo recettore)
• CONIUGAZIONE (contatto fisico fra ceppo donatore e ceppo recettore)
• TRASDUZIONE (il DNA del ceppo donatore è veicolato nel ceppo recettore da un batteriofago temperato)
TRE PROCESSI DI TRE PROCESSI DI RICOMBINAZIONERICOMBINAZIONE
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TRASFORMAZIONETRASFORMAZIONE
RecA
1 2
4 3
DNA ETEROLOGO
CROMOSOMAPROTEINA SPECIFICAASSOCIATA ALLA COMPETENZA
DNA BINDING PROTEIN
NUCLEOTIDI
NUCLEASI
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CONIUGAZIONECONIUGAZIONE
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CONIUGAZIONECONIUGAZIONE
F-F+
PLASMIDE F
RETRAZIONE DEL PILO E NICKING DEL PLASMIDE
TRASFERIMENTO DI UNO STRAND DA F+ A F- E SINTESIDEGLI STRAND COMPLEMENTARI
F+F+
SEPARAZIONE
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REPLICAZIONE E TRASFERIMENTO REPLICAZIONE E TRASFERIMENTO DEL PLASMIDE CONIUGATIVODEL PLASMIDE CONIUGATIVO
DONATORE
RICEVENTE
PARETICELLULARI
STRANDRITENUTO
STRANDTRASFERITOPRIMER
PRIMER
DNA POLIMERASI
PROTEINE DI MEMBRANACODIFICATE DAL PLASMIDE
OMP SPECIFICHEDEL RICEVENTE
PROTEINA TraINICKING & UNWINDING
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FORMAZIONI DI CEPPI HfrFORMAZIONI DI CEPPI HfrI PLASMIDI CONIUGATIVI POSSONO ESSERE EPISOMI ED
INTEGRARSI NEL CROMOSOMA FAVORENDO LA SUCCESSIVA MOBILIZZAZIONE DEL CROMOSOMA
ISCROMOSOMAMOBILIZZABILE
ISoriT
IS
oriT
ISCROMOSOMASTABILE
RICOMBINAZIONE
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TRASDUZIONETRASDUZIONE
DUE PROCESSI DISTINTI• TRASDUZIONE GENERALIZZATA
UN FRAMMENTO DEL DNA DELL’OSPITE, DERIVATO DA UN PUNTO QUALSIASI DEL SUO GENOMA VIENE INCORPORATO NEL GENOMA FAGICO E TRASFERITO
• TRASDUZIONE SPECIALIZZATANEL CASO DI ALCUNI FAGI TEMPERATI UNA REGIONE SPECIFICA DEL DNA DELL’OSPITE, IN PROSSIMITA’ DEL PUNTO DI INTEGRAZIONE DEL FAGO, VIENE OCCASIONALMENTE INCORPORATA NEL GENOMA FAGICO E TRASFERITA
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TRASDUZIONE GENERALIZZATATRASDUZIONE GENERALIZZATA
FAGO
CICLO
LITICO
PARTICELLATRASDUCENTE
RICOMBINAZIONEFAGI
CEPPOTRASDOTTO
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TRASDUZIONE SPECIALIZZATATRASDUZIONE SPECIALIZZATA
CEPPO LISOGENOCROMOSOMA DNA FAGICO
GENE CROMOSOMIALE
EVENTORARO
EVENTONORMALE