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04 funzione del gene

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Gene function

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04 funzione del gene

  1. 1. Capitolo 4 La funzione del gene Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A http://www.guidobarbujani.it/index.php/1-genetica
  2. 2. Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A • Se i geni stanno sul DNA, qual è la loro relazione con le proteine? • In che modo i geni controllano le vie biochimiche? • Che rapporto c’è fra geni e malattie? • Tutto il DNA è costituito da geni? E, se non lo è, cosa fa il resto? Domande 4
  3. 3. Fare le proteine non è uno scherzo
  4. 4. Nelle proteine si trovano 20 amminoacidi diversi
  5. 5. Le proteine hanno: 1. Una struttura primaria, data dalla successione degli amminoacidi nel peptide 2. Una struttura secondaria, cioè un andamento regolare in alcuni tratti, dovuto al ripetersi periodico di amminoacidi con caratteristiche costanti. Es.: α-elica, foglietto β 3. Una struttura terziaria, tridimensionale, dovuta alle interazioni fra amminoacidi, e fra amminoacidi e ambiente 4. (non sempre) una struttura quaternaria, quando diversi peptidi si uniscono a formare una proteina complessa, multimerica Che rapporti fra proteine e geni?
  6. 6. Analisi biochimica delle malattie metaboliche: alcaptonuria Fenotipo: urina scura
  7. 7. Figura 4.2 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A Ciclo vitale del fungo Neurospora crassa
  8. 8. Genetica biochimica Beadle e Tatum: un gene – un enzima Colture di Neurospora Terreno minimo: Sali inorganici, una fonte di C (glucosio o saccarosio), una fonte di N, biotina Terreno completo: terreno minimo + tutti gli amminoacidi, tutti i nucleotidi e vitamine Individui prototrofi e auxotrofi (o mutanti nutrizionali)
  9. 9. Isolamento di mutanti nutrizionali
  10. 10. Esperimenti di Beadle e Tatum Mutanti di Neurospora auxotrofi per l’arginina, o arg- Ceppi diversi portano la mutazione in tre diverse regioni del genoma: arg-1, arg-2 e arg-3 Mutanti arg-3 crescono solo se al terreno minimo si aggiunge arginina; mutanti arg-2 se vengono aggiunte arginina o citrullina; mutanti arg-1 se vengono aggiunte arginina o citrullina o ornitina
  11. 11. Esperimenti di Beadle e Tatum: un gene – un enzima Conclusioni: arg-1, arg-2 e arg-3 codificano per tre enzimi che intervengono in successione nella conversione di un precursore in ornitina, di questa in citrullina, e di questa in arginina arg-1 arg-2 arg-3 enzima 1 enzima 2 enzima 3 precursore ornitina citrullina arginina Beadle e Tatum deducono le catene di rezioni biochimiche (e l’ordine di azione dei geni) dalle molecole che si accumulano nei mutanti
  12. 12. Figura 4.4 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A Ceppi Terreno minimo + acetilomoserina + cistationina + omocisteina + metionina selvatico + + + + + met-5 - + + + + met-3 - - + + + met-2 - - - + + met-8 - - - - + Crescita di ceppi selvatici e mutanti auxotrofi per metionina
  13. 13. Sequenza proteica: determinabile con il metodo di Sanger 1. Si purifica la proteina, cioè la si separa da impurità e da altre specie chimiche; 2. La si degrada per mezzo di enzimi proteolitici, ognuno dei quali agisce solo se c’è uno specifico amminoacido all’estremità carbossi- terminale.
  14. 14. 1. Si isola un tratto di DNA; 2. Lo si replica in 4 esperimenti paralleli, ognuno dei quali si basa su una mistura di nucleotidi normali + un nucleotide modificato all’estremità 3’ che arresta la reazione. Sequenza nucleotidica: determinabile con il metodo di Sanger Frederick Sanger
  15. 15. Sequenza nucleotidica: determinabile con il metodo di Sanger
  16. 16. Charles Yanofsky
  17. 17. Yanofsky: Colinearità gene TrpA di Escherichia coli GLU TYR LEU THR MET TYR LEU THR GLU CYS LEU THR GLU TYR ARG THR GLU TYR LEU ILE Diversi mutanti (1-4) non sintetizzano triptofano perché l’enzima necessario (TrpA) è modificato. La posizione dell’amminoacido alterato nei mutanti può essere determinata per sequenziamento peptidico 1 2 3 4 wt
  18. 18. Yanofsky: Colinearità gene TrpA di Escherichia coli GLU TYR LEU THR MET TYR LEU THR GLU CYS LEU THR GLU TYR ARG THR GLU TYR LEU ILE 1 2 3 4 wt Corrispondenza fra le posizioni di mutazione nucleotidica e sostituzione amminoacidica CCT ATG GAA TGT CTT ACG GCA TAT
  19. 19. Yanofsky: Colinearità gene TrpA di Escherichia coli GLU TYR LEU THR MET TYR LEU THR GLU CYS LEU THR GLU TYR ARG THR GLU TYR LEU ILE 1 2 3 4 wt Corrispondenza fra le posizioni di mutazione nucleotidica e sostituzione amminoacidica CCT ATG GAA TGT CTT ACG GCA TAT
  20. 20. Welcome to OMIM, Online Mendelian Inheritance in Man. This database is a catalog of human genes and genetic disorders authored and edited by Dr. Victor A. McKusick and his colleagues at Johns Hopkins and elsewhere, and developed for the World Wide Web by NCBI, the National Center for Biotechnology Information. The database contains textual information and references. It also contains copious links to MEDLINE and sequence records in the Entrez system, and links to additional related resources at NCBI and elsewhere. http://www.omim.org
  21. 21. Figura 4.5 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A Malattie genetiche 1: sindrome di Tay-Sachs
  22. 22. Figura 4.6 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A
  23. 23. Figura 4.7 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A Malattie genetiche 2: Variabilità delle emoglobine umane
  24. 24. Figura 4.9 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A
  25. 25. Figura 4.8 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A
  26. 26. Figura 4.10 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A
  27. 27. Figura 4.11 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A
  28. 28. VARIANTE POSIZIONE aa SOSTITUZIONE NUCLEOTIDICA SOSTITUZIONE AMMINOACIDICA Porto Alegre 9 TCT > TGT Ser > Cys Nagasaki 17 AAG > GAG Lys > Glu Nikosia 17 AAG > CAG Lys > Gln Taipei 22 GAA > GGA Glu > Gly Genova 28 CTG > CCG Leu > Pro Athens 40 AGG > AAG Arg > Lys Gavello 47 GAT > GGT Asp > Gly Ferrara 57 AAC > AAA o AAG Asn > Lys Calabria 64 GGC > GAC Gly > Asp Cairo 65 AAG > CAG Lys > Gln Sicilia 65 AAG > AAT o AAA Lys > Asn Sydney 67 GTG > GCG Val > Ala Tampa 79 GAC > TAC Asp > Tyr Malmö 97 CAC > CAG o CAA His > Gln Beth Israel 102 AAC > AGC Asn > Ser Beirut 126 GTG > GCG Val > Ala Crete 129 GCC > CCC Ala > Pro Cochin 146 CAC > CGC His > Arg
  29. 29. Malattie genetiche 3: fibrosi cistica Frequenza in Europa: 1/2000 nati
  30. 30. Figura 4.12 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A Regolatore del trasporto transmembrana, CFTR
  31. 31. Malattie genetiche 4: Intolleranza al lattosio (from Jobling et al, 2004)
  32. 32. FOETUS Low expression INFANT High expression ADULT High expression “lactase persistence” ADULT Low expression “lactase non-persistence” Diagrammatic representation of the level of lactose expression at different stages of development and in lactase persistent and non-persistent adults
  33. 33. •Carenza di lattasi (LPH): un allele recessivo causa l’impossibilità di digerire il lattosio •Ipotesi: persistenza della lattasi frutto di selezione positiva legata al consumo di prodotti caseari Frequenza dell’allele per la persistenza della lattasi
  34. 34. Lactase non-persistent allele l High transcription Unknown DNA binding protein Meccanismo Troelsen, 2005 lactmcm6 + T Low transcription lactmcm6 C Lactase persistent allele L
  35. 35. Figura 4.13 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A Diagnosi prenatale: amniocentesi
  36. 36. Figura 4.14 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A Diagnosi prenatale: analisi dei villi coriali
  37. 37. Tutto il DNA fa proteine? NO: Nell’uomo, 3 miliardi di bp; < 30 000 geni Dimensioni medie di un gene ≈ 10 000 bp Totale geni umani ≈ 300 milioni di bp ≈ 10% del genoma
  38. 38. Non tutto il DNA fa proteine E il resto? 1.DNA ripetuto in varie regioni del genoma: 1.1. SINEs (Short Interspersed sequences), 1.2. LINEs (Long Interspersed sequences) 2.DNA ripetuto in tandem --GTTCCACACACACACACACACACACACACACATTA— DNA spazzatura (junk DNA)?
  39. 39. DNA fingerprinting Alec Jeffreys et al.: Hypervariable minisatellite regions in human DNA, Nature, 314:67-73, 1985.
  40. 40. DNA fingerprinting: un caso di paternità
  41. 41. Cosa fa il DNA non codificante? • Niente, ma male non fa • Funzioni non chiarite nell’espressione dei geni • Mantiene il volume cellulare • Fa male, ma la domanda è mal posta.
  42. 42. Enattah et al. Nature Genetics 30:233-237 (2002) Lattosio glucosio + galattosio LPH Analisi del gene LCT (2q21) : nessuna variabilità associata all’intolleranza
  43. 43. Riassunto 04 •Beadle e Tatum dimostrano in Neurospora che c’è una corrispondenza diretta un gene – un enzima • Yanofsky dimostra in E. coli la colinearità fra sequenza di nucleotidi e sequenza polipeptidica • Alterazioni della sequenza genica si riflettono in alterazioni della sequenza proteica: malattie del metabolismo •Nei vertebrati, meno del 10% del genoma codifica per proteine; il dibattito su ruolo e funzione del restante 90% è aperto •Varie regioni del DNA non codificante contengono comunque informazione importante per studi di identificazione personale (impronta digitale genetica)

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