FISIOLOGIA DEL GENOMA UMANO
L’unità base del DNA è costituita dai nucleotidi.
I nucleotidi sono formati da una base azotata,dal deossiribosio e da un gruppo fosfato.
Il deossiribosio è uno zucchero ciclico a 5 atomi di carbonio,simile al ribosio se non per il fatto che sul carbonio 2 manca un legame con un ossigeno,la mancanza di questo ossigeno riduce il numero di ossidazione del carbonio n.2,portandolo quindi ad essere un carbonio ridotto o deossidato,per questa ragione si parla di desossiribosio o deossiribosio.
Gli atomi del carbonio 5 del desossiribosio sono molto importanti perchè gli consentono il legame con il desossiribosio del nucleotide successivo,questo legame avviene attraverso un gruppo fosforico e si chiama legame fosfodiesterico.
Ciò perchè il legame è basato sul fosforo ed ha una struttura molto simile ad un estere,infatti se al posto del fosforo ci fosse un carbonio,avremmo una struttura diesterica.Per questa ragione si parla di legame fosfodiesterico.
Sono poi presenti le basi azotate: timina e citosina,a singolo anello eterociclico esagonale,adenina e guanina a doppio anello eterociclico esagonale e pentagonale.
Le basi a singolo anello vengono dette pirimidine,quelle a doppio anello vengono dette purine.
Si formano fra le varie basi legami idrogeno,Timina e Adenina fanno 2 legami idrogeno,Citosina e Guanina ne fanno 3.
Il legame idrogeno si viene sempre a formare fra un idrogeno legato all’azoto e l’ossigeno dall’altra parte che lo attrae elettrostaticamente.
Bisogna poi ricordare l’orientamento basato sugli atomi 5 e 3 del deossiribosio che permette di costruire catene antiparallele.
Vediamo adesso come sono fatti i singoli nucleotidi.
Come si può notare il nome dei nucleotidi non è adenina,timina,guanina e citosina poichè questi sono i nomi delle basi azotate,ma abbiamo: timidina,adenosina,citidina,guanosina.
Questa nomenclatura esprime quindi l’intero nucleotide,non solo la base azotata e presenta prima dell’inizio del nome il prefisso deossi,che sta ad indicare che si tratta di nucleotidi del DNA perchè hanno il deossiribosio.
Invece per i nucleotidi a RNA si parla direttamente di:
timidina,adenosina,citidina,guanosina senza la piccola d davanti perchè il ribosio dell’RNA non è deossidato.
Prima della scoperta della struttura del DNA una delle prime conclusioni scientifiche che furono tratte,fu la regola di Chargaff.
Egli si rese conto che in ogni genoma la quantità di Adenosine e Timidine era equivalente e allo stesso modo per le Guanosine e le Citine,quindi scrisse un’equazione secondo cui in ogni genoma la somma delle A e delle G è uguale alla somma delle T e delle C.
Oggi questa regola può sembrare piuttosto banale,ma all’epoca ciò fu molto importante per arrivare a supporre la struttura reale del DNA.
In sintesi la regola di Chargaff si può sintetizzare come,in ogni genoma,la quantità delle Purine è uguale alla quantità delle Pirimidine.
Noi oggi sappiamo che una Purina deve necessariamente appaiarsi con una Pirimidina,quindi il rapporto sarà 1 ad 1.
STRUTTURA TRIDIMENSIONALE DEL DNA
La molecola del DNA ha un diametro di 2,37 nanometri e un passo di 3,6 nanometri,un passo vuol dire un giro completo di elica,ogni passo porta circa 10 basi,o meglio,10 coppie di basi.
Sono presenti poi dei solchi chiamati solco maggiore e solco minore,sono presenti in fase alternata a causa dell’ingombro sterico costituito dagli ossigeni del fosfato,che non permette una corretta distribuzione degli spazi fra le varie eliche.
ALTRE FORME DEL DNA
Quella di cui abbiamo parlato è la forma più comune del DNA conosciuta come DNA-B tuttavia vi sono altre forme di DNA.
DNA-A
è la forma che il DNA assume in disidratazione,il suo passo è più breve e presenta sempre un avvitamento destrorso,come il DNA di tipo B.
DNA-Z
tipico delle regioni metilate,in cui il DNA smette di avere la caratteristica di una doppia elica destrorsa e diventa una doppia elica levogira,cioè avvitata verso sinistra,oltretutto il passo si allunga.
Esistono anche forme più recenti di DNA,ma si tratta di oggetti molto rari,uno di questi ad esempio è il quadruplex presente solo in alcuni esseri viventi.
DEFINIZIONE DI GENE
Molto genericamente possiamo dire che:
Questa è la definizione più ampia ma anche la più generale che si possa dare di gene.
Ad oggi sappiamo che un gene non è necessariamente un segmento di DNA che codifica per una proteina,poichè ci sono anche geni che codificano per RNA funzionali .
Quindi è difficile dare una definizione completa di gene,la più poetica,se vogliamo,è proprio questa,ma è anche una definizione che non dice molto.
Sappiamo che ogni gene è presente in un determinato Locus,sui cromosomi,che di ogni gene esistono più varianti dette Allele e che ogni individuo umano porta due alleli minimo per ogni gene e questo è dovuto alla Diploidia cioè al fatto di avere un corredo cromosomico doppio,per ogni cromosoma c’è una copia.
Per questo è difficile dare una definizione univoca di gene in quanto dovrebbe comprendere tutti i concetti esposti.
Possiamo però parlare con molta certezza della composizione di un gene,esso è formato da Esoni,Introni,ma questo non basta a definire un gene poichè serve una tripletta di chiusura e una regione per la poliadenilazione chiamata 3’UTR,questa regione non viene tradotta ma viene trascritta ed è importante per far avvenire una corretta poliadenilazione.
Ma in un gene completo serve anche una tripletta iniziale ORF che informi l’RNA polimerasi sul punto in cui iniziare la lettura.
Poi serve un Promotore e dei Regolatori,ci siamo quindi avvicinati ad una buona definizione di gene.
Un gene presenta una Regione strutturale costituita dalla regione che darà origine all’RNA maturo e una Regione regolatoria chiamata anche 5’UTR,perchè si trova in 5’ rispetto al gene e non viene trascritta,fa solamente da regolatore.
Questa regione è molto importante perchè permette una corretta espresione genica.
FATTORI REGOLATORI
Proprio perchè i regolatori sono molto importanti occorre conoscerne la natura.
Ci sono due tipi di regolatori genici,i regolatori in Cis che sono dei tratti del filamento di DNA,che regolano il gene che si trova in Cis,cioè più avanti,mentre sono regolatori in Trans,le proteine chiamate fattori di trascrizione,o TF abbreviato,che si legano al DNA e ne modificano l’espresione.
Solitamente i regolatori in Cis ed i regolatori in Trans lavorano insieme,i regolatori in Cis infatti offrono un punto di legame per i regolatori in Trans.
Ovviamente i fattori di trascrizione per legare il DNA devono avere dei motivi proteici particolari,i più frequenti sono: le dita di zinco,la cerniera di leucina e il motivo elica-giro elica.
PROMOTORE
REGIONE CENTRALE
Il Promotore è la regione fondamentale per la lettura di un gene.
A partire dal primo esone si contano le basi con un numero negativo,per indicare le regioni regolatrici prima del gene,la regione centrale del promotore si trova dalle basi -1 fino alla base -50 e la regione più importante è il TATA box,una serie di timine e adenine,questa si trova circa a 10 basi dal primo esone,il TATA offre il legame al fattore di trascrizione TFIIB,formato dalle due subunità TAF e TBP,a questi si lega TFIIA che stabilizza il legame con il DNA e i fattori TFIIB che aumentano il legame,poi viene richiamato il fattore TFIIF che blocca lo scorrimento dell’RNA Polimerasi sul filamento.
L’RNA Polimerasi si associa con l’ATPasi e l’Elicasi TFIIH,dopodichè a partire dal TATA box comincerà il suo lavoro di apertura e lettura sapendo che il primo esone comincia esattamente 10 basi dopo il TATA box.
REGIONE PROSSIMALE ( da -50 a -200 bp)
Le regioni più importanti sono il CAAT box ed il GC box,tipico dei geni housekeeping cioè quelli espressi in tutte le cellule,la distanza rispetto al primo esone è di circa 80 basi.
Il CAAT box lega il fattore di trascrizione CTF,il GC box lega Sp1.
Entrambi sono capaci di influenzare la capacità della polimerasi di trascrivere.
REGIONE DISTALE (oltre -200 bp)
comprende Silencers e gli Enhancers che sono sequenze molto distanti dal primo esone,circa 1.000 basi,questi legano rispettivamente i Repressori e i Trans attivatori,che andranno ad influire sul macchinario di inizio della trascrizione attraverso una ripiegatura del DNA,grazie alla quale attivatori e repressori verranno in contatto con la struttura formata da TFIIB e dal TATA box.
Gli Enhancers aumentano la trascrizione anche fino a 1000 volte,i Silencers invece la reprimono,l’espressività di un gene dipende da quanto sono attivati i Silencers e gli Enhancers.
MODIFICAZIONI POST TRASCRIZIONALI
CAPPING
Prendendo ad esempio questo trascritto,vediamo che il capping è una reazione che avviene al 5’ del trascritto di RNA.
Qui vediamo le prime due basi,la prima base presenta un gruppo fosfato come normalmente in tutte le altre basi,ma mentre nelle altre basi questo fosfato serve a legarsi alla base successiva,la prima base ha un gruppo fosfato a cui viene aggiunto un altro fosfato e poi un altro fosfato ancora e a quest’ultimo si lega una base particolare,una base anomala,la 7 metil guanosina.
Questo è un legame anomalo proprio perchè è un legame fra il carbonio 5 del primo ribosio ed il carbonio 5 del ribosio del nucleotide particolare.
Quindi si parla di legame 5’-5’ ,ma il capping non è finito qui,perchè consiste anche nella metilazione dell’ossigeno al carbonio 2 delle prime due basi dell’RNA.
Si tratta quindi complessivamente di una reazione in cui viene aggiunto una 7 metil guanosina al carbonio 5’ e vengono metilati gli ossigeni al carbonio 2’ delle prime due basi dell’RNA.
POLIADENILAZIONE
Vediamo ora la poliadenilazione che avviene subito dopo il capping.
Nel fenomeno di poliadenilazione il trascritto viene allungato di una serie di nucleotidi adenilici.
Come avviene questo?
Avviene innanzitutto il riconoscimento di una sequenza AAUAAA, un esanucleotide capace di richiamare una RNAsi che stacca il filamento di RNA a monte di 10-15 basi,dopo la sequenza di riconoscimento.
Su questo sito si inserisce una Poli A polimerasi che aggiunge una serie di nucleotidi adenilici,in un numero compreso fra 150 e 200.
e sarà proprio la lunghezza della poliadenilazione a determinare la vita media di un RNA.
REAZIONE DI SPLICING
L’ultimo passaggio della maturazione dell’RNA è la reazione di splicing.
Nella reazione di splicing,gli introni vengono eliminati per aggiungere gli esoni,la maggior parte degli introni cominciano con il cosiddetto sito donatore,il dinucleotide GU e terminano con il sito accettore,il dinucleotide AG.
Circa 40 nucleotidi prima del sito accettore è presente una adenina che fa da sito Branch,questa reazione viene svolta dalle subunità U1,U2,U4,U5,U6 che sono delle ribonucleoproteine.
Esistono però anche degli introni che cominciano con il dinucleotide AU e finiscono con il dinucleotide AC,questi introni sono molto particolari in cui U1 e U2 sono sostituiti da U11 e U12.
La reazione di splicing è una reazione che avviene in diverse fasi,dapprima U1 si lega al sito donatore,U2 al sito Branch,poi interviene U6 che si lega al sito donatore e le molecole U4 e U5.
U4 provvederà ad unire U1 ad U2,U5 legherà sia il sito accettore di splicing che il sito donatore.
Il cappio che si viene a formare,è chiamato anche Loop.
Viene rilasciato U1 e U2 e a questo punto la reazione può iniziare.
Dapprima reagiscono U2 e U6,l’inizio dell’introne viene staccato e la guanina viene legata attraverso un legame particolare alla adenina del sito Branch formando un cappio.
Questa è la prima reazione di splicing.
Nella seconda reazione invece ,avviene il taglio alla estremità 3’ e il giuntamento degli esoni.
Il legame anomalo che avviene in questa reazione,è schematizzato nella prossima immagine.
Quello che vediamo è la catena di RNA al limite fra l’esone e il sito donatore di splicing.
La prima reazione prevede la rottura dell’inizio dell’introne,quindi l’esone si separa,e poi il giuntamento con il sito branch.
Il fosfato a cui è stato tolto un ossigeno,per formare il ribosio dell’esone,è rimasto senza un legame,quindi tende ad essere molto reattivo,dall’altra parte abbiamo il sito branch .
Quello che accade è che il fosfato fa un attacco sull’ossigeno al carbonio 2,della adenina del sito branch generando un legame anomalo 5’-2’.
ed è proprio questo il legame che dà origine alla formazione del cappio.
ORGANIZZAZIONE DEL GENOMA UMANO
Il genoma umano è composto nel 99,5% dal genoma presente nel nucleo,ma per lo 0,5% è composto dal DNA presente nei mitocondri.
DNA MITOCONDRIALE
Il DNA presente nei mitocondri rappresenta quindi solo una piccola parte del DNA complessivo dell’essere umano,a parte in alcune cellule molto particolari,come la cellula uovo,in cui vista la grande quantità di mitocondri,si arriva quasi al 30% di genoma mitocondriale rispetto a quello nucleare.
Il DNA mitocondriale è molto più semplice ed è composto appena da 17.000 basi.
Presenta un filamento pesante ricco in Guanine ed un filamento leggero ricco in Citosine e ci sono 5-10 molecole per mitocondrio.
Solo il 7% di questo genoma non è codificante,si tratta del D-loop,il punto in cui inizia la replicazione di questo genoma,mentre il 93% è codificante.
Questo 93% porta solamente 37 geni,un numero infimo rispetto a quello del genoma nucleare,circa 23.000.
Di questi 37 geni,28 sono siti sul filamento pesante e 9 sul filamento leggero.
Di questi 37,24 sono geni per produrre gli RNA, tRNA e rRNA e 13 sono geni a proteine,che servono a produrre proteine della catena respiratoria.
Ma non tutte le proteine della catena respiratoria,in quanto molte di esse,sono importate dal citoplasma e vengono prodotte dal genoma nucleare.
REPLICAZIONE
La replicazione di questo genoma è diversa da quella del genoma nucleare,viene operata dalla DNA polimerasi γ (gamma),che origina la replicazione da due sequenze chiamate OH ed OL che stanno per origine del filamento pesante e leggero.
La replicazione avviene prima per il filamento pesante e successivamente per il filamento leggero,quando il filamento pesante è arrivato ai 2/3 della replicazione,parte la replicazione del filamento leggero.
Secondo alcuni,la replicazione del filamento leggero procede in direzione opposta rispetto a quella del filamento pesante,ciò che è certo è che la replicazione del DNA mitocondriale è molto più veloce e semplice della replicazione del DNA nucleare e oltretutto è autonoma in quanto i mitocondri possono decidere da soli quando replicarsi.
TRASCRIZIONE
La trascrizione nel mitocondrio ricorda molto quella dei batteri,vengono trascritti ogni volta tutto il filamento H e tutto il filamento L.
Si formano così degli RNA contenenti i derivati di più geni,che vengono chiamati Trascritti policistronici.
Questi vengono in seguito tagliati nei singoli cistroni e ogni cistrone produrrà un RNA o una proteina.
Questo meccanismo negli eucarioti non esiste,in quanto visto l’aumento del DNA non codificante e del DNA spaziatore,sarebbe impossibile trascrivere tutto un filamento di DNA ogni volta che bisogna trascrivere per una proteina o per un RNA.
ORGANIZZAZIONE DEI CROMOSOMI
Ploidia
Ploidia è un sinonimo di quantuità genica,o di numero di cromosomi.
Diploidia
Ci sono cellule Diploidi cioè che hanno due copie di ogni cromosoma,quindi un corredo genetico doppiato.
Aploidia
Le cellule Aploidi hanno una sola copia di ogni informazione.
Nulliploidia
Ci sono anche cellule Nulliplodi,che non hanno cromosomi,un esempio è dato dai Globuli Rossi.
Possiamo notare come la forma del cromosoma cambia in una cellula normale ed in una cellula che si sta replicando,infatti possiamo osservare nella cellula diploide in fase di riposo e di replicazione la forma dei cromosomi sia diversa e possa quasi trarre in inganno e farla sembrare come una tetraploidia,però bisogna ricordare che quella forma di cromosoma si ha solamente nella cellula che si sta replicando,proprio perchè deve raddoppiare il suo corredo per poi dividerlo fra le cellule figlie.
Il concetto di Euploidia è un concetto che varia molto da spece a spece, euploidia vuol dire numero corretto di cromosomi.
Nel genere umano il numero corretto di cromosomi è di 23 per 2 cioè due cromosomi per coppia, di cui 22 sono coppie di autosomi e la 23° è detta coppia degli eterosomi in quanto si tratta di cromosomi sessuali che possono essere uguali fra loro,cioè il genotipo XX,che si traduce come un fenotipo di sesso femminile;oppure possono essere diversi tra loro,come nel caso del maschio in cui i cromosomi sono X ed Y.
Un aumento del numero cromosomico per ogni coppia,viene detto Poliploidia.
nella Poliploidia si ha un corredo cromosomico che è multiplo intero del corredo cromosomico precedente,se infatti il corredo diploide si può scrivere come 2n,il corredo poliploide si può scrivere come 3n,4n,5n.
Questa condizione nel genere umano non è compatibile con la vita.
Ma allo stesso modo esistono le Aneuploidie,dove si ha un aumento o una riduzione del numero cromosomico ma non dell’intero corredo cromosomico come avviene nella poliploidia,ma solo di una coppia.
Ciò avviene ad esempio nella trisomia del 21.
Molto particolari e con un ruolo di rilievo nel genoma,sono gli eterosomi,il cromosoma X ha 160 milioni di coppie di basi,mentre l’Y ne ha solo 50.
Il cromosoma X ospita 1.200 geni,mentre l’Y ne ospita solamente 50 e servono quasi tutti per il differenziamento sessuale maschile.
X ed Y hanno due regioni molto particolari chiamate PAR,che servono ai due cromosomi per appaiarsi durante la meiosi,essendo questi due cromosomi diversi fra loro,l’appaiamento e lo scambio può avvenire solo in due regioni dette PAR1 e PAR2 che sono molto simili tra loro e che per questo possono appaiarsi e scambiarsi i geni.
PAR1 è fatta da 2,6 milioni di coppie di basi e possiede 13 geni e quasi tutti i crossingover fra questi due cromosomi avvengono in PAR1.
PAR2 è più piccola e di minore importanza.
INATTIVAZIONE DELL’X
Un fenomeno necessario nel genere umano è costituito dall’inattivazione dell’X.
L’inattivazione dell’X è quel fenomeno per cui nelle femmine,uno dei due cromosomi X si inattiva quasi completamente,per una compensazione della dose genica.
Maschi e femmine hanno corredi cromosomici diversi,infatti cambia la coppia degli eterosomi,ma le loro cellule sono identiche e sono abituate a lavorare con la stessa dose genica,per cui il rapporto tra autosomi ed eterosomi deve essere uguale per poter dare un corretto funzionamento della cellula,questo rapporto è inteso come rapporto di dose genica.
Immaginiamo ora per semplicità di calcolare questo rapporto in base al numero di geni,in realtà il rapporto di dose genica non si calcola in questo modo,poichè bisognerebbe considerare quanto è attivo ogni gene.
Per semplicità facciamo questo esempio,se nella donna non venisse inattivato il secondo cromosoma X,avremmo un rapporto fra i 43.500 geni degli autosomi e i 2.400 geni presenti per metà su un cromosoma X e per metà sull’altro,portando ad un rapporto di 18,1.
Nel maschio invece avremmo un rapporto fra i 43.500 geni degli autosomi,i 1200 del cromosoma X e 50 del cromosoma Y,portando ad un rapporto di 34,8.
La cellula non può funzionare con un rapporto diverso da quello a cui è abituata,quindi dal momento che il maschio non può aumentare la dose genica,poichè ha due cromosomi diversi,la soluzione è stata quella in cui la femmina inattivando gran parte di uno dei due cromosomi X,arriva ad un bilanciamento della dose genica.
Quindi la femmina inattiverà quasi tutti i geni del secondo cromosoma X,lasciandone solo una cinquantina in modo da portare anche lei il suo rapporto a 34,8.
Ricordo che questi numeri sono fittizi e servono solo per fare un esempio.
Il fenomeno dell’inattivazione dell’X comporta una serie di curiose conseguenze.
Nello zigote infatti,i due cromosomi X sono entrambi attivi e fino allo stadio di blastula i due cromosomi X continuano ad essere entrambi attivati.
Dopo questo stadio,ogni cellula sceglierà se inattivare uno dei due cromosomi,portando quindi a cellule diverse con cromosomi diversi inattivati,questo fenomeno dà origine a cellule che presentano un corredo cromosomico in un certo senso diverso,perchè a seconda del cromosoma X inattivato possono esserci variazioni ,questo fenomeno è chiamato mosaicismo.
Nel mosaicismo infatti,che si verifica solo nelle donne,in virtù del fatto che hanno due cromosomi X,si ha che alcune cellule di quelle che nella blastocisti hanno inattivato un cromosoma X,esprimono un certo fenotipo,mentre altre cellule discendenti da quelle che hanno inattivato l’altro cromosoma X,ne possono esprimere un altro,portando quindi ad un vero e proprio mosaico di espressione.
Il fenomeno dell’inattivazione dell’X,però,non presenta una ereditarietà necessaria,cioè non è detto che una madre che ha inattivato soprattutto uno dei due cromosomi X trasmetta alla figlia questa inattivazione,poichè durante la formazione dei gameti femminili,il cromosoma X bloccato viene sbloccato,in seguito con la formazione degli ovociti maturi,uno dei due cromosomi viene bloccato di nuovo.
Può essere quello originario,ma può essere anche l’altro.
Il fenomeno dell’inattivazione dell’X,porta in un certo senso ad alcuni paradossi,nelle regole dell’ereditarietà.
La sindrome dell’X fragile,è una sindrome per cui alcuni soggetti possiedono un locus fragile sul cromosoma X,ed induce la malattia in tutti i maschi e in tutte le femmine che abbiano almeno un cromosoma X con questa mutazione.
Si presenta fenotipicamente con una osteogenesi particolare delle ossa del cranio e con ritardo mentale di entità variabile.
Tuttavia questa sindrome ha una penetranza incompleta,in quanto,mentre colpisce tutti i maschi,colpisce solo l’80% delle femmine,che presentano il genotipo necessario,perchè nella restante parte il gene fragile si è trovato nel cromosoma X inattivato,per questo motivo la malattia non si è espressa.
Il fenomeno dell’inattivazione dell’X a livello meccanicistico,è piuttosto complesso e ancora poco compreso,si conoscono però due geni che regolano questo fenomeno: Xic ,che inizia il processo di inattivazione vero e proprio e Xce che sceglie il cromosoma X da inattivare, controllando Xic.
Il fenomeno comincia quindi con l’attivazione di Xic da parte di Xce,questo porta alla produzione di un lungo RNA da parte del gene XIST,questo lungo RNA forma una complessa struttura secondaria che si associa a proteine,dopodichè questa serie di ribonucleoproteine si deposita sul cromosoma X da inattivare e attiva a livello delle isole CpG gli enzimi istone-metilasi e istone-deacetilasi.
Questi enzimi bloccano i geni del cromosoma X da inattivare,di quasi tutto il cromosoma X.
ORGANIZZAZIONE DEL GENOMA NUCLEARE
Il genoma nucleare è costituito da 3,2 Giga basi,cioè 3,2 miliardi di coppie di basi.
Un numero enorme rispetto al genoma mitocondriale,ed è costituito da 23.000 geni,anche se su questo numero c’è una certa incertezza in quanto alcuni geni non si conoscono bene ,non si sa se abbiamo identificato tutti i geni e soprattutto c’è il dubbio su quanto alcuni geni siano funzionali o siano solo dei residui.
Il genoma nucleare è organizzato in 23-24 molecole,che sarebbero i cromosomi,23 nella femmina e 24 nel maschio,in quanto il cromosoma Y è considerabile come molecola diversa,in realtà le molecole in totale sono 46 ,in questa dicitura però non è incluso il numero complessivo di cromosomi,bensì il tipo ed avendo solo un tipo di cromosoma per coppia poichè l’altro è praticamente una copia,si parla di 23-24 molecole.
Di questo genoma il 5% è costituito da eterocromatina costitutiva mentre il 95% è costituito da Eucromatina e Eterocromatina facoltativa,cioè DNA contenente GENI che possono essere attivati o che sono attivati.
Eterocromaatina costitutiva
L’eterocromatina costitutiva è quell’eterocromatina che non ha funzione trascrizionale,serve solo come funzione strutturale ed è necessaria per il corretto svolgimento delle funzioni nucleari.
E’ costituita dall’eterocromatina dei centromeri e dei telomeri,che hanno un ruolo chiave,il centromero nella mitosi e i telomeri nell’invecchiamento cellulare.
Eterocromatina della costrizione secondaria,che permette di separare il DNA ribosomale dal resto del DNA.
Dal braccio lungo dei cromosomi acrocentrici,o dal braccio corto del cromosoma Y.
EUCROMATINA
L’eterocromatina facoltativa e l’eucromatina,è presente invece nel resto del genoma.
Ce ne sono circa 140.000.000. di coppie di basi per cromosoma e c’è circa 1 gene ogni 100.000 basi quindi ogni cromosoma ha circa 140 geni.
Queste però sono delle medie perchè in realtà ci sono cromosomi con molti più geni e cromosomi con molti meno geni,ad esempio il cromosoma Y ne ha solo 50.
GENOMA NUCLEARE
Nel genoma nucleare possiamo fare anche un’altra distinzione,possiamo dividere il genoma non codificante da quello codificante.
Sorperndentemente il genoma codificamte è solo il 3% di tutto il genoma umano,questo potrebbe sembrare strano,ma non lo è se le scoperte più recenti dimostrano che il genoma non codificante è importante quasi come quello codificante,in quanto ne permette la regolazione dell’espressione.
Il genoma codificante è costituito per il 90% da geni producenti proteine e per il 10% da geni producenti RNA.
Ma è molto più grande il genoma non codificante.
Il genoma non codificante,è costituito da sequenze utili alla regolazione e sequenze che invece non hanno apparente utilità.
Sequenze che possono essere utili alla regolazione del DNA codificante sono gli Introni,spaziatori e pseudogeni che sono presenti per il 38% nel genoma non codificante.
Ma il resto del DNA è costituito da sequenze di dubbia utilità,innanzitutto c’è il DNA ripetuto in tandem che costituisce il 6% del genoma totale e rappresenta quelle sequenze che fanno parte dell’eterocromatina costitutiva,quindi ha un ruolo strutturale.
Il 9% del DNA è costituito da fossili di virus,che non hanno alcuna utilità dal punto di vista funzionale,proprio come il DNA intersperso che costituisce il 44% del genoma totale.
Alcune teorie asseriscono che una grande quantità di genoma spazzatura sia rimasto nel genoma e non sia stato eliminato perchè fa da scudo per le mutazioni,in quanto tutto questo genoma inutilizzato diluisce la possibilità che una mutazione colpisca una parte utile del genoma.
DNA RIPETUTO IN TANDEM
Si tratta di tre tipi di DNA,il DNA satellite,che è una ripetizione di 171 basi,che si trova a livello del centromero,il centromero quindi è fatto da 171 basi ripetute un gran numero di volte.
Poi c’è il DNA minisatellite che è costituito dalla ripetizione dell’esanucleotide TTAGGG,a livello dei telomeri.
Esiste infine il DNA microsatellite,la ripetizione di 3-5 basi ogni X basi del genoma ed è molto variabile da soggetto a soggetto quali siano queste 5 basi e ogni quanto si presentino.
Questi piccoli tratti di DNA sono quindi molto polimorfi e per questo spesso possono consentire l’identificazione di un soggetto a partire da un frammento del suo DNA poichè sono fra le regioni più variabili del DNA umano.
DNA INTERSPERSO
Il DNA intersperso,è costituito da elementi trasponibili cioè da elementi capaci di spostarsi nel genoma,per questa ragione viene detto intersperso,perchè si tratta di elementi che si disperdono all’interno del DNA normale.
I primi fra questi elementi trasponibili sono i Retrotrasposoni,geni capaci di codificare per RNA,che si associano ad una retrotrascrittasi e ad una endonucleasai che possono essere prodotte dallo stesso RNA,formando un complesso ribonucleoproteico che ha la capacità di legarsi ad un altro tratto casuale del DNA e ricopiare il gene originario.
I retrotrasposoni sono quindi tratti di DNA capaci di copiarsi altrove nel genoma aumentando la lunghezza complessiva del genoma.
I retrotrasposoni più comuni nel genoma umano sono i LINE ed i SINE.
La differenza principale fra i due è che i primi sono più lunghi 5-6000 basi ed i secondi sono più corti,ma soprattutto occupano porzioni diverse nel genoma.
LINE è capace di produrre da solo l’endonucleasi e la retrotrascrittasi necessaria per trascriversi altrove
SINE ha bisogno di associarsi agli enzimi prodotti da LINE.
Sono presenti 3 tipi di LINE nel genoma umano: LINE 1- LINE 2 – LINE 3.
LINE 2 e 3 si sono però inattivati nel corso dell’evoluzione e rimane attivo solo LINE 1 che presenta un 5’UTR e una coda di poli-A come tutti gli altri geni ,ma presenta ORF 1 e
ORF 2 ,cioè può essere letto a partire da due punti diversi e a seconda del punto da cui viene letto dà origine all’endonucleasi e alla retrotrascrittasi.
I trasposoni fossili del DNA sono sono un po’ diversi dai retrotrasposoni in quanto producono degli enzimi che li rimuovono dal punto del DNA in cui sono presenti,dopodichè la trasposasi li inserisce a livello di un altro tratto del DNA.
tutti i trasposoni a DNA presenti nel genoma umano sono inattivi in quanto durante l’evoluzione ad un certo punto hanno subito una mutazione che li ha resi incapaci di portare a termine questo processo.
FOSSILI DI VIRUS
Altra parte del genoma nucleare spazzatura è costituito dai fossili di virus.
Numerosi retrovirus ma anche di altro tipo,sanno integrarsi nel genoma della cellula ospite,il cosiddetto ciclo lisogeno,però durante questa integrazione qualcosa può andare storto,possono perdere delle basi e quindi si possono inserire all’interno del genoma come elementi costitutivi,come tratti di DNA che non codificano per nulla,ma che rimangono integrati nel genoma perchè hanno perso la capacità di trascrivere le proteine virali.
Si tratta quindi di infezioni virali che non sono andate a buon fine e le cui tracce sono rimaste ancora oggi nel genoma umano.
Ultimamente si è notata una grossa analogia fra molti oncogeni presenti nel genoma umano e i genomi di diversi virus,generando la domanda sulla loro origine cioè sono stati i virus a ricombinarsi con il genoma umano acquisendo gli oncogeni,o sono stati gli esseri umani ad acquisire gli oncogeni dei genomi virali?
PSEUDOGENI
Ultimo tratto costituente il DNA non trascrivente è costituito dagli pseudogeni.
Gli pseudogeni si originano per duplicazione di un segmento genico normale,questo fenomeno può avvenire durante la replicazione del DNA,per sbaglio viene creata una copia di un gene normale,
I due geni continueranno a funzionare insieme,fino a quando uno dei due non si inattiverà per una mutazione diventando uno pseudogene,cioè un gene incapace di trascrivere.
Le due caratteristiche fondamentali degli pseudogeni sono la non funzionalità e un’omologia che va dal 40 al 99% con geni funzionali.
Si tratta quindi di geni che hanno perso la capacità di trascrivere,che quindi possono essere classificati nel DNA completamente inutile,ma ultimamente sembra che alcuni pseudogeni possano svolgere dei ruoli importanti come per esempio la ricombinazione delle immunoglobuline del pollo,nel genere umano tuttavia si sa ancora poco degli pseudogeni.
Of all the human sciences genome it is the most interesting and mysterious, I have always been attracted by the genome because it is the foundation of our life, but still no one has been able to give a convincing explanation of what it really is.
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