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STRUTTURA E FUNZIONE DEL GENE
EVOLUZIONE DEI GENOMI

Lodish – Molecular Cell Biology
GENOME: total genetic information carried by a cell or organism
GENE: physical and functional unit of heredity, which carries
information from one generation to the next. In molecular terms,
it is the entire DNA sequence (including exons, introns and
noncoding transcriptional control regions) necessary for
production of a functional protein or RNA

Struttura del GENE

GENE procariotico
Genoma di E. coli

GENE procariotico
OPERONE
Sequenze regolatrici a monte
Sequenze codificanti
Sequenze terminatrici
della sequenza codificante

GENE procariotico

GENE procariotico
Promotori

GENE procariotico
Sequenze codificanti
ORF
(Open Reading Frame)
ATGGTATAT-------------------------------TAA
MET VAL TYR STOP

GENE procariotico
A B C
Promotore Operone
Sequenze codificanti
Terminatore

GENE procariotico
A B C
Promotore Operone
Sequenze codificanti
mRNA mRNA mRNA
Proteina Proteina Proteina
Terminatore

Repressione
GENE procariotico
A B C
Promotore Operone
Sequenze codificanti
Nessuna espressione
Terminatore

GENI DELLA I CLASSE
GENI DELLA II CLASSE
GENI DELLA III CLASSE
GENE EUCARIOTICO
RNA RIBOSOMIALE – rRNA (28S-5,8S e 18s)
RNA MESSAGGERO – mRNA
Piccoli RNA nucleari – snRNA
microRNA
RNA TRANSFER – tRNA
Piccoli rna nucleolari – snorna
Piccoli rna citoplasmatici - scrna

GENE EUCARIOTICO

GENE EUCARIOTICO

GENE EUCARIOTICO

GENE EUCARIOTICO

GENE EUCARIOTICO

Promotore
GENE EUCARIOTICO

Promotore
GENE EUCARIOTICO

Sequenza
codificante
modulare
GENE EUCARIOTICO

GENE EUCARIOTICO
Segnale di
poliadenilazione

I geni eucariotici sono monocistronici
Eccezioni: Unità Unit di trascrizione policistroniche risolte in mRNA maturi
monocistronici per trans-splicing
trans splicing (es es in tripanosomi, nematodi,
platelminti); uso di IRES, reinizio della traduzione o frameshift
traduzionale
I geni eucariotici non mostrano nessuna evidente
relazione tra localizzazione e l’attivit l attività funzionale
(functional functional clustering) clustering)
o con l’espressione l espressione spazio-
temporale
Organizzazione genica negli eucarioti
Eccezioni: Raggruppamento di geni con funzione correlata, quali geni
Hox, Hox,
geni per emoglobine e geni per immunoglobuline (duplicazioni in in
tandem?)

Organizzazione genica negli eucarioti
Alcuni geni eucariotici sono policistronici
Taxon Entità Entit
Tripanosomi (Euglenozoa
( Euglenozoa) tutti gli RNA
Cnidari alcuni RNA
Platelminti (Metazoa ( Metazoa Acoelomata) Acoelomata pochi RNA
Nematodi (Metazoa ( Metazoa Pseudocoelomata)
Pseudocoelomata)
molti RNA
Ciona intestinalis/Oikopleura
intestinalis Oikopleura dioica molti RNA
Il processamento del precursore policistronico è associato al Trans
Splicing delle estremità estremit 5’ degli mRNA e alla poliadenilazione delle
estremità estremit 3’ per generare i trascritti monocistronici.
monocistronici

Geni codificanti per proteine
- geni presenti in unica copia (single ( single-copy copy genes) genes
- geni omologhi presenti in copie multiple ed organizzati in famiglie geniche
I membri di una stessa famiglia genica possono essere localizzati in
unico cluster, dispersi, dispersi,
o localizzati in più pi cluster:
Geni in cluster:
α-globin globin (7), growth hormone (5), Class I HLA heavy chain (20),…. (20),
Geni dispersi: dispersi:
Pyruvate dehydrogenase (2), Aldolase (5), PAX (>12),..
Geni localizzati in più pi cluster:
HOX (38 – 4), Histones (61 – 2), Olfactory receptors (>900 – 25),…
25),
25

La struttura dei geni eucariotici
Nel genoma umano non si osserva una distribuzione omogenea dei
geni. La più pi alta densità densit genica si osserva nel chr 19, mentre il chr 13 e
Y mostrano la più pi bassa densità.
densit
introne
introne
esone esone
esone
TSS
Caratteristiche
dei geni umani
5’UTR UTR
GENE
mRNA
TRASCRIZIONE
CDS 3’UTR 3’UTR UTR
Mediana Media
Numero di esoni 7 8,8
L introni (bp) 1023 3365
L 5'UTR (bp) 240 300
L CDS (bp) 1100 1340
L 3'UTR (bp) 400 770
L gene (bp) 14000 27000
TRADUZIONE

I geni eucariotici presentano una grande varietà variet di strutture e dimensioni.
Ad esempio nel genoma umano: umano
Il più pi piccolo:
tRNA GLU
tRNA
GLU (69
La struttura dei geni eucariotici
(69 bp) bp
Il più pi grande:
Distrofina (2.4 Mb, la sua
trascrizione richiede circa 16h)
Il numero di esoni può variare da 1 (geni privi di introni come molti geni per
ncRNA, ncRNA,
interferoni, istoni, ribonucleasi, HSP, GPCR, ecc.) sino a 363 (Titina Titina). ).
Le dimensioni degli esoni e degli introni sono estremamente variabili. variabili.
A fronte di esoni costituiti da pochi nucleotidi, l’esone l esone più pi grande è presente nel
gene per ApoB (7.6 kbb). kbb).
Anche le dimensioni degli introni possono variare da
pochi nucleotidi fino a 800 kbp (gene WWOX). WWOX).
Le proteine codificate possono variare nelle dimensioni da pochi residui (piccoli
ormoni) sino a molte migliaia (Titina ( Titina, , 38.138 aa). aa).

La struttura dei geni eucariotici
Gli introni dei geni altamente espressi sono circa 14 volte più pi corti
dei geni scarsamente espressi.
29

IHGSC, Nature 2001 409:860 409:860-921, 921, Tab. 35
La struttura dei geni eucariotici: esoni
La conservazione della dimensione degli esoni dall’uomo dall uomo
al C. elegans suggerisce una sostanziale conservazione
dei componenti dell’apparato dell apparato di splicing

IHGSC, Nature 2001 409:860 409:860-921, 921, Tab. 35
La struttura dei geni eucariotici: introni
I geni umani contengono introni mediamente più pi
lunghi dei geni di C.elegans o Drosophila.
Drosophila

GENE EUCARIOTICO
Può un gene codificare per diverse proteine?

Uno stesso gene può codificare per proteine indirizzate a diversi
compartimenti cellulari: cellulari:
l’esempio esempio del gene NFS1
La proteina codificata dal gene NFS1 rimuove lo zolfo dalla cisteina formando alanina. alanina.
Questo gene utilizza
siti di inizio alternativi della trascrizione e quindi traduzione per generare una isoforma mitocondriale ed
una isoforma citoplasmatica. citoplasmatica.
La selezione del sito di inizio della traduzione è regolata dal pH citosolico.
citosolico
L’isoforma isoforma che codifica per la proteina mitocondriale (457 aa) aa)
contiene un peptide segnale e un
dominio aminotrasnferasico.
aminotrasnferasico.
L’altra altra isoforma, isoforma,
che deriva sa un sito di inizio alternativo della trascrizione codifica per una proteina
più pi corta (397 aa) aa)
priva del peptide segnale ma contenente il dominio aminotransferasico.
aminotransferasico.

GENE EUCARIOTICO
Può un gene codificare per diverse proteine?
X

Uno stesso gene può esprimere proteine con funzioni opposte: opposte:
l’esempio esempio dell’attivit dell attività della Caspasi 9 (CASP9)
La forma costitutiva della proteina (CASP9, 9 esoni, esoni,
416 aa) aa)
induce
apoptosi. apoptosi.
Essa contiene un Caspase recruitment domain (CARD) e un
dominio caspasi Peptidase_C14.
L’isoforma isoforma più pi corta della proteina (CASP9S, 5 esoni, esoni,
266 aa) aa)
contiene un dominio Caspase recruitment domain (CARD) e un
dominio tronco della Peptidase_C14. Questa isoforma è priva
dell’attivit dell attività proteasica e agisce da inibitore dell’apoptosi
dell apoptosi. .

Splicing Alternativo
Oltre il 90% dei geni umani è in grado di esprimere più pi di un
trascritto (ed è quindi soggetto a splicing alternativo). Le diverse
isoforme di splicing possono avere specificità specificit a livello di tessuto, di
condizione fisiologica, o patologica.
35
30
25
20
15
10
5
0
17,635 Human genes
1 2-5 6-10 11-20 21-30 31-50 >50
Number of Transcripts/ Gene

Splicing alternativo e duplicazione genica sono inversamente correlati

GENE EUCARIOTICO
Può un gene codificare per diverse proteine?

Definizione di GENE
• La trascrizione di un gene si può arrestare in corrispondenza di di
diversi
terminatori
Il gene per tp73L codifica per 10 trascritti alternativi, alternativi,
e utilizza 2 promotori e 3 diversi
terminatori della trascrizione

I geni possono essere sovrapposti
I geni possono essere sovrapposti tra loro, nello stesso orientamento orientamento
o in
orientamento opposto, o anche essere completamente contenuti in altri
geni.

Geni dentro i geni
Geni all’interno di altri geni sono descritti per i genomi di
organismi semplici e nei mitocondri
Nei mammiferi sono descritti geni contenuti nei grandi introni di alcuni geni.
A differenza dei genomi piu’ semplici in questi casi spesso viene utilizzato il
filamento opposto al gene “canonico”
Esempio:
GENE EUCARIOTICO
NF1: introne 26 (40Kb) contiene tre piccoli geni (2 esoni)
che vengono trascritti dal filamento opposto

Geni dentro i geni
NF1
Filamento di senso
GENE EUCARIOTICO
esone 26 Introne 26
esone 27
5’ 3’
Filamento antisenso 3’ 5’
OGMP
2.2KB
EVI2B
10 KB
EVI2A
4 KB

GENE EUCARIOTICO

GENE EUCARIOTICO

Definizione di GENE
Per cercare di giungere ad una definizione appropriata dobbiamo anche considerare la
complessità complessit dei trascritti espressi:
• Alcuni trascritti vengono originati dalla ligazione di diverse molecole di RNA
attraverso il meccanismo del transplicing
• Si possono formare trascritti chimerici in seguito alla cotrascrizione di geni disposti in
tandem

Nuova definizione:
Definizione di GENE
Una specifica regione di DNA, la cui trascrizione è regolata da uno o più pi
promotori e altri elementi di controllo trascrizionale che contiene
l’informazione informazione per la sintesi di proteine e RNA non codificanti
funzionali, tra loro correlati per la condivisione di informazione informazione
genetica
(con un tratto di sequenza genomica in comune) a livello dei prodotti prodotti
finali (proteine o ncRNA). ncRNA).
In questo modo è possibile associare al gene specifiche coordinate genomiche che
coincidono con il sito di inizio della trascrizione più pi a monte e il sito di terminazione
più pi a valle. Gene

Una nuova definizione operativa di gene
A C
A B C
A C
DNA
Due trascritti, trascritti,
un gene: i prodotti funzionali finali si sovrappongono a
livello genomico. genomico.
I due trascritti sono “geneticamente
geneticamente correlati” correlati in n
quanto una mutazione nella regione di sovrapposizione avrebbe
effetti su entrambi. entrambi
Al fine di valutare se due trascritti sono geneticamente correlati è
necessario conoscere la localizzazione della regione codificante.
codificante

Una nuova definizione operativa di gene
A B C
Due trascritti, trascritti,
due geni: geni:
i prodotti funzionali finali non si sovrappongono
a livello genico, mentre si osserva sovrapposizione a livello delle delle
regioni
5’UTR. UTR. I due trascritti non sono “geneticamente geneticamente correlati” correlati in quanto
nessuna mutazione può avere effetto su entrambi i prodotti finali. finali.
Una
mutazione localizzata nella regione 5’UTR 5 UTR può modulare il livello di
espressione di un gene, gene,
esattamente come una mutazione a livello di un
promotore o di una regione enhancer.
H
DNA

1
2
2/3
4
Definizione di GENE
X Y
A B C
A C
1
A B C
A C
H
H
D E
F E
A E
chimeric transcript
A E
H
X Y
4
2
3
D E
F E
F G
3
F G
products
DNA
genes
spliced
transcripts

GENE nei virus

GENE nei virus
VITA?
Virus a DNA Virus a RNA

GENE nei virus

GENE nei virus
Geni sovrapposti
Met Val … proteina b
Sequenza di DNA …GTTTATGGTA…
Val Tyr Gly … proteina A

Modello delle Isocore
Rispetto ai genomi procariotici, procariotici,
negli eucarioti si osserva una più pi marcata variazione
intra-genomica
intra genomica della composizione in basi. Negli eucarioti superiori e nei vertebrati a
sangue caldo, sono presenti regioni genomiche a composizione in basi omogenea.
Secondo il modello delle isocore (Bernardi et al., 1985), il genoma dei vertebrati è un
mosaico di segmenti di DNA, chiamati isocore (>>300 kbp), kbp),
ciascuno caratterizzato
da una propria ed omogenea composizione in basi.
Nei vertebrati a sangue caldo (mammiferi, uccelli) si osservano 5 classi differenti:
- L1 e L2: L2:
isocore povere in GC (oltre il 60% del genoma)
-H1, H1, H2, H3: H3:
isocore ricche in GC
La struttura del genoma ad isocore è correlata ad alcune proprietà propriet del genoma
nucleare

Maria Costantini et al. Genome Res. 2006; 16: 536-541 536 541
Modello delle Isocore
Livelli di GC% dei cromosomi
umani (calcolati su finestre di 100
kbp)
kbp
55

Dimensioni (Mb)
Size, M b
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
L1
Modello delle Isocore
H1
33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59
GC, %
GC, %
Maria Costantini et al. Genome Res. 2006; 16: 536-541 536 541
H2
H3
56

Correlazione tra isocore e proprietà propriet del genoma
La maggior parte del genoma è costituita da isocore
leggere (L1, L2). Al contrario la maggior parte dei geni è
localizzata nelle isocore pesanti (H1, H2 e H3).
Quantit Quantità di DNA, Mb
1200
1000
800
600
400
200
0
L1
Famiglie di Isocore
L2 H1 H2 H3
Densit Densità genica (genes genes/Mb /Mb)
40
30
20
10
0
Distribuzione dei geni
L1 L2 H1 H2 H3
Nel genome core costituito dalle isocore H2 e H3 (12% del genoma) la densità densit dei
geni è molto alta (un gene per 5-15kb), 5 15kb), mentre nel cosiddetto empty space
formato dalle isocore di tipo L e H1 (88% del genoma) la densità densit genica è molto
bassa (un gene per 50-150kb).
50 150kb).

Correlazione tra isocore e proprietà propriet del genoma
Isocore Leggere Isocore pesanti
Struttura
Lunghezza di introni e UTR maggiore minore
Struttura della cromatina chiusa aperta
eterogeneità GC% bassa alta
Abbondanza di SINEs bassa alta
Abbondanza di LINEs alta bassa
Metilazione (CpG)
Funzione
maggiore minore
espressione genica bassa alta
Tempo di replicazione tardiva precoce
Ricombinazione bassa alta
La distribuzione degli elementi ripetuti del genoma umano sembra essere influenzata dalle proprietà propriet
composizionali del genoma. Gli elementi ripetuti di tipo LINEs sono localizzati preferenzialmente nelle
isocore L, , mentre gli elementi di tipo SINEs, SINEs,
soprattutto gli elementi Alu, Alu,
sono localizzati preferenzialmente
nelle isocore H. .
Circa il 54% dei geni umani sono localizzati nel genome core (H2, H3). La maggior parte di questi geni (che
corrispondono a geni housekeeping) housekeeping)
sono associati con isole CpG, CpG,
sono attivi trascrizionalmente e
corrispondono alla porzione “aperta aperta” della cromatina.

Corrispondenza tra il bandeggio
dei cromosomi e le isocore
Nei mammiferi, si osserva che le isocore
povere in GC corrispondono alle bande
G(Giemsa Giemsa), ), mentre le isocore ricche in GC
(isocore H2 e H3) H3)
corrispondono alle bande
R(reverse). (reverse). Le estremità estremit telomeriche sono
costituite da isocore di tipo H.
La figura mostra la mappa GIEMSA del
cromosoma 12 ottenuta a bassa (400 bande)
ed alta (850 bande) risoluzione in
corrispondenza con le isocore (bande G L1+ e
L1- L1 in blu chiaro e scuro; bande R H3+ e H3-
in giallo e rosso)
Maria Costantini et al. Chromosoma, Chromosoma,
2006

Il genoma è fatto solo di geni?

Il genoma è fatto solo di geni?
Anatomia del Genoma Umano

Il genoma è fatto solo di geni?

Pseudogeni
Talvolta la copia di un gene non è funzionale, ovvero non viene trascritta in RNA, o
viene trascritta in un RNA non funzionale. Le copie inattive di un gene vengono dette
pseudogeni. pseudogeni
Gli pseudogeni possono essere classificati in: 1) non processati; 2) processati. processati.
Nel primo caso il gene inattivo è originato dal gene funzionale e contiene la tipica
struttura in esoni ed introni. La copia genica può essere completa completa
o parziale. Gli
pseudogeni di questo tipo si formano con maggiore probabilità probabilit nelle regioni
pericentromeriche.
pericentromeriche
Gli pseudogeni processati sono privi di introni in quanto derivano dalla
retrotrasposizione di mRNA (retropseudogeni
retropseudogeni). ). Il numero di copie di retropseudogeni
è correlato al livello di espressione del gene da cui derivano.

Pseudogeni
La Trascrittasi Inversa codificata da elementi LINE può retrotrascrivere un mRNA in
cDNA che successivamente può essere integrato a caso in un cromosoma. cromosoma.
Se sul sito di
inserimento è casualmente presente un promotore il retrogene può essere
eventualmente espresso e diventare funzionale. Normalmente, questo questo
non accade e lo
pseudogene comincia ad accumulare mutazioni casuali che distruggono la ORF
funzionale (frameshifts ( frameshifts, , codoni di stop).
64

Pseudogeni
Nel genoma umano sono stati descritti ~8.000 pseudogeni (~5.000 nel genoma del
topo). Il maggior numero di pseudogeni processati deriva da geni per proteine
ribosomiali; ribosomiali;
altri gruppi derivano da geni che codificano per proteine che legano il DNA
e l’RNA, l RNA, per molecole strutturali ed enzimi metabolici. Molti pseudogeni derivano da
geni a cui non è stata attribuita una funzione.
Oltre al livello di espressione dei geni, altri fattori gene-specifici gene specifici sono responsabili
dell’origine dell origine degli pseudogeni, pseudogeni,
quali la lunghezza o il loro contenuto in G+C.
G+C

Il genoma è fatto solo di geni?
Il DNA NON
CODIFICANTE
RIPETUTO IN TANDEM
SATELLITE, tipico delle sequenze centromeriche (a-satellite,
monomero di 171 bp)
MINISATELLITE, monomero 6-64bp, altamente polimorfico.
Utilizzato per esami di fingerprint del DNA.
Es.DNA telomerico (TTAGGG)
MICROSATELLITE, 2-4 bp ripetuti in tandem. Espansioni
di triplette sono responsabili di alcune patologie (Distrofia
Miotonica)

Ripetizioni in tandem: Duplicazioni segmentali
Le duplicazioni segmentali sono ripetizioni di segmenti genomici genomici
comunemente
osservate in genomi di animali e piante, non riconducibili a elementi elementi
trasponibili, trasponibili,
di
lunghezza ≥10 10 kbp e identità identit ≥90%. 90%. Queste possono essere anche molto estese come
nel cromosoma Y umano che presenta un blocco ripetuto di 1.45 Mbp. Mbp.
La porzione eucromatica del genoma umano contiene circa il 5,3% di duplicazioni
segmentali che sono classificate in :
-duplicazioni duplicazioni inter-cromosomiche, inter cromosomiche, segmenti che si sono duplicati tra cromosomi non
omologhi;
-duplicazioni
duplicazioni intra-cromosomiche
intra cromosomiche, , segmenti duplicati all’interno all interno di un particolare
cromosoma.
Duplicazione
segmentali
Gap

Ripetizioni in tandem: Duplicazioni segmentali
Le duplicazioni segmentali sono localizzate in prevalenza nelle regioni adiacenti ai
centromeri, mentre raramente coinvolgono le regioni più pi distali di ciascun braccio dei
cromosomi.
Sono di grande interesse in campo
medico in quanto sono regioni che
mostrano una particolare
predisposizione a riarrangiamenti
con conseguenti effetti fenotipici.
Sono note varie malattie
genetiche correlate a queste
regioni (es. sindrome DiGeorge,
DiGeorge,
Charcot-Marie
Charcot Marie-Tooth Tooth, , etc.).
Possono essere originate da:
1. Crossing over diseguale durante
la meiosi
2. Scambio diseguale tra cromatidi
fratelli

Copy Number Variations (CNV)
Le duplicazioni segmentali sono una importante fonte di variabilit variabilità
genetica tra
individui nella popolazione umana. Dato che si estendono su più pi geni, portano alla
variazione del numero di copie di determinati geni tra diversi individui. individui.
E’ oggi possibile fare studi su larga
scala di queste varianti strutturali
del genoma mediante specifiche
piattaforme di microarray.
microarray
Uno studio su 270 individui di 4
popolazioni 1500 CNVs. CNVs
ha identificato circa
I CNV sono responsabili di variazioni
del livello di espressione genica e
possono essere associati a specifici
tratti fenotipici e/o patologici (es.
HIV, cancro della mammella,
autismo, malattie auto-immuni).
auto immuni).

Microsatelliti e Minisatelliti
I microsatelliti sono costituiti da unità unit di
ripetizione lunghe da 1 a 10 pb, pb,
ripetute
in tandem 10-20 10 20 volte, che formano
raggruppamenti molto corti,

Gli SSR possono formarsi attraverso un
meccanismo di scivolamento della replicazione
Gli SSR sono presenti con una frequenza di almeno uno ogni circa 2 kb del genoma.
• Si originano da vari meccanismi tra cui il più pi importante è lo scivolamento della DNA polimerasi
durante la replicazione.

Microsatelliti:
Microsatelliti:
Genetic Fingerprint
Caratteristiche degli SSRs
• Polimorfismo di lunghezza: DNA fingerprinting
• Spesso adoperati come marcatori genetici per la mappatura di
geni associati a patologie.

Microsatelliti e malattie genetiche
I microsatelliti, microsatelliti,
ed in particolare le ripetizioni di triplette sono associati a
varie malattie genetiche

Il genoma è fatto solo di geni?
INTERSPERSO
SINE, brevi elementi nucleari ripetuti (pseudogene processato di RNA7SL)
Alu (300bp, 1.000.000 copie nel genoma umano)
MIR (130bp, 400.000 copie nel genoma umano)
LINE, lunghi elementi nucleari ripetuti (retrotrasposoni)
L1 (6,1Kb a lunghezza completa, 200.000-500.000 copie)
Retrovirus endogeni, HERV
Il DNA NON
CODIFICANTE
Elementi simili retroviral tronchi, RTLV e LTR
Trasposoni a DNA, Mariner

Porzione non codificante:Ripetizioni codificante: Ripetizioni intersperse
Costituite da sequenze di DNA ripetute, disperse in tutto il genoma. genoma.
Sono definite anche Elementi mobili del DNA, perché perch derivano da elementi
trasponibili (sequenze di DNA che si muovono o sono duplicate da una posizione posizione
ad
un’altra un altra nel genoma)
Classe I o Retrotrasposoni
si originano per eventi di
retrotrasposizione, retrotrasposizione,
attraverso un
intermedio ad RNA
• elementi LTR
• LINEs: LINEs:
long interspersed nuclear
elements
• SINEs: SINEs:
short interspersed nuclear
elements
Classe II o Trasposoni a DNA
si originano attraverso un intermedio a
DNA, secondo meccanismo di
trasposizione conservativa o replicativa
75

Retrotrasposoni
La caratteristica di tutti i retrotrasposoni
è la presenza di brevi ripetizioni dirette
alle estremità estremit 3’ e 5’ 5 , copia della
sequenza del sito d’integrazione.
d integrazione.

Ripetizioni Intersperse nel Genoma Umano
Gli elementi ripetuti interspersi costituiscono cirva il
45% del genoma umano.
umano
• LINE (Long interspersed nuclear elements)
– L1, L2, L3 LINE ( ~21% del genoma, ~100,000 copie)
• SINE (Short interspersed nuclear elements)
– Alu (~10,7% del genoma, ~1,200, 000 copie)
– MIR, MIR3 (~3% del genoma, ~500,000 copie)
• Elementi LTR (Long Terminal Repeats)
– ERV, MalR (8% del genoma, ~500,000 copie)
• Transposoni a DNA
– MER1 (Charlie), MER2 (Tigger), others (2,8% del genoma, ~350, 000 copie)

Elementi LTR
Gli elementi LTR o retrotrasposoni virali (6-7kb) (6 7kb) presentano analogie con i
retrovirus.
Caratteristici degli invertebrati (piante, funghi, insetti) dove sono presenti in gran
numero di copie
env e non
Elementi Ty in S. cerevisiae mancano del gene env
elementi copia in Drosophila possono formare particelle virali
250-600pb 250 600pb

promotore
Pol II
LINEs:long
LINEs:long
interspersed nuclear elements
RNA binding anche endonucleasi
ripetizioni
ripetizioni
ripetizioni
ripetizioni
dirette
dirette
dirette
dirette
Gli elementi LINEs o trasposoni non-LTR non LTR hanno una lunghezza di circa 6-7kb, 6 7kb,
contengono un promotore per l’RNA l RNA polimerasi II (derivano da trascritti della
l’RNA RNA pol II), una o due ORF e un segnale di poliadenilazione all’estremit
all estremità 3’.
•ORF1 ORF1 codifica per una proteina a funzione ignota ( lega l’RNA?), l RNA?),
•ORF2 ORF2 codifica per un’enzima
un enzima che possiede sia un’attivit un attività di trascrittasi inversa
(RT), simile a quella dei retrovirus e dei retrotrasposoni virali, che un’attivit un attività di
DNA endonucleasi (EN).
Vi sono tre famiglie principali di elementi LINES: L1 (incluse 60-100 6 100 copie tuttora
attive e moltissime copie inattive troncate all’estremit
all estremità 5’); ); L2 e L3 (inattive). Le
copie attive inserendosi in punti critici del genoma possono inattivare inattivare
dei geni con
conseguente insorgenza di patologie.
Le LINEs si inseriscono preferibilmente nelle regioni eucromatiche ricche in A+T.

Meccanismo di trasposizione degli elementi LINEs
1. Generazione di un trascritto LINE full-length
full length a partire dal promotore.
2. ORF1 e ORF2 vengono tradotte e legano il LINE mRNA. mRNA
orf2
5’ orf1
3’
3. Il complesso LINE mRNA/ORF1/ORF2 mRNA/ORF1/ORF2
si sposta nel nucleo, dove l’attivit l attività
endonucleasica di ORF2 taglia il dsDNA. dsDNA.
L’estremit
L estremità libera al 3’ 3 (sul DNA)
funge da innesco per la retrotrascrizione a partire dal 3’UTR. 3 UTR.
5’ orf1 3’
orf2
3’ 5’
5’ 3’
Il sito di taglio di ORF1 è TTTT A, e questo spiega l’integrazione
l integrazione
preferenziale nelle regioni genomiche ricche in AT. Dato che la LINE RT ha
una bassa processività processivit molte delle copie integrate sono tronche (solo
1/100 è completa).

SINEs: SINEs:
short interspersed nuclear elements
A B AAAA SINE
Gli elementi SINEs sono elementi non-autonomi, non autonomi, hanno una lunghezza
compresa tra 0.1 e 0.4 kb. kb.
Hanno un promotore (interno) per L’RNA L RNA polimerasi III (derivano da trascritti
della l’RNA l RNA pol III), e una regione ricca in A all’estremit
all estremità 3’ ma non contengono
un segnale di poliadenilazione.
poliadenilazione
Gli elementi SINEs non contengono alcuna ORF codificante per una trascrittasi
inversa, ma sono in grado di trasporre utilizzando la trascrittasi trascrittasi
inversa
sintetizzata da altri retroelementi (trasposizione LINEs-dipendente
LINEs dipendente). ).

SINEs: SINEs:
short interspersed nuclear elements
Gli elementi SINEs sono distribuiti ad alta densità densit nelle regioni ricche in CG del
genoma (isocore H), perché perch hanno un più pi
agli elementi LINEs ( 40%).
elevato contenuto C+G (~57%) rispetto
Nel genoma dei primati sono presenti tre differenti famiglie di elementi SINEs: SINEs:
l’elemento
elemento Alu, Alu,
ancora attivo, e gli elementi inattivi MIR e Ther2/MIR3.
Ther2/MIR3
L’elemento
elemento Alu, Alu,
il più pi comune nei primati, è lungo 0,3kb; è presente in circa
1.200.000 di copie nel genoma umano e rappresenta quindi oltre il il
10% di tutto il
genoma. Presenta una regione ricca in A/T all’estremit
all estremità
meccanismo di retrotrasposizione.
retrotrasposizione.
3’, , coinvolta nel
Le sequenze Alu sono localizzate a monte o a valle dei geni, negli introni, nelle nelle
regioni 5’ 5 e 3’ 3 non tradotte dell’mRNA
dell mRNA. . Non è noto il loro ruolo funzionale,
nonostante siano molto diffuse nel genoma di tutti i primati.
Le sequenze Alu presentano analogie con l’RNA l RNA 7SL, componente di una particella
ribonucleoproteica coinvolta nel meccanismo di secrezione dei polipeptidi di nuova
sintesi attraverso le membrane del reticolo endoplasmatico.
Si ritiene che il primo elemento Alu si è originato per un evento di retrotrascrizione
di una molecola di RNA 7SL e successiva integrazione della copia nel genoma.

Meccanismo di retroposizione dell’elemento
dell elemento Alu
Si pensa che il taglio al sito di
inserimento sia opera della L1
endonucleasi
Target-primed
Target primed reverse
transcription (TPRT) Il promotore pol III è necessario ma non
sufficiente per la trascrizione che richiede
anche sequenze fiancheggianti appropriate.
La maggior parte degli elementi Alu
integrati non è attiva in quanto non viene
integrata in un contesto favorevole e muta
rapidamente sia nelle sequenze CpG che
nella regione ricca in A.

Evoluzione e classificazione degli elementi Alu
Gli elementi Alu sono classificati in sottofamiglie che si differenziano per l’epoca l epoca della loro integrazione nel genoma, dalle
più pi antiche (Sx ( Sx, , J) alle più pi recenti (Yc1, etc.).
da: Batzer and Deininger, Deininger,
Nature Rev. Gen. Gen.
3:370380, 2002)

Danni genomici indotti da Alu
Numerose patologie sono provocate dall'integrazione casuale di Alu
(Neurofibromatosi, haemophilia, haemophilia,
sindrome di Apert, Apert,
ecc.) o da
ricombinazione disuguale (diabete di tipo II, sindrome di Lesch–Nyhan
Lesch Nyhan, ,
malattia di Tay–Sachs Tay Sachs, , ipercolesterolemia familiare, α-thalassaemia
thalassaemia, ,
ecc.).

Trasposoni a DNA
I Trasposoni a DNA sono elementi mobili distinti in due categorie:
•Trasposoni
Trasposoni a DNA che si spostano replicandosi: una copia rimane nel sito
originale, mentre la nuova copia si inserisce altrove nel genoma genom
•Trasposoni
Trasposoni a DNA che si spostano in maniera conservativa, da un sito all’altro all altro
del genoma senza aumentare il numero di copie
Sono caratterizzati da una sequenza codificante la trasposasi contenente introni,
fiancheggiata da ripetizioni terminali invertite, simili a quelle quelle
dei trasposoni batterici.
Sono meno comuni negli eucarioti (3% nel genoma umano, raggruppati in 7 classi
principali) rispetto ai retrotrasposoni.
retrotrasposoni
I più pi noti sono gli Elementi Ac e Ds del granturco, i primi elementi mobili identificati
negli anni 50 da B. McClintock e gli elementi P di Drosophila. Drosophila.
Traspongono mediante
il meccanismo di trasposizione conservativa

Funzione degli elementi ripetuti
• Punti caldi per ricombinazione (duplicazioni, inversioni, traslocazioni;
traslocazioni;
creazione di nuovi geni per shuffling esonici) esonici
• Alterazione della espressione genica in quanto portatori di segnali segnali
trascrizionali (es. promotori e enhancer di LTR; promotori di Alu; Alu;
siti di
terminazione deboli della trascrizione di elementi L1; segnali di di
poliadenilazione)
poliadenilazione
• Presenza in geni per proteine (Le Alu contengono siti criptici di splicing; splicing;
fonte di domini proteici; contributo a variabilità variabilit delle proteine)
• Reclutamento come elementi regolatori (es. BC200 di primati deriva deriva
da Alu
monomerica)
monomerica
• Fonte di pseudogeni processati (ritorno in vita come lunghi esoni? Come
nuovi geni? )
• Fonte di plasticità plasticit del genoma e quindi ruolo attivo nel rimodellamento
genomico (riarrangiamenti
( riarrangiamenti cromosomici, reshuffling di geni, etc)
etc

Il genoma è fatto solo di geni?
Paradosso del Valore C

Come misurare la Complessità Complessit biologica ?
La complessità complessit biologica può essere “misurata misurata” in diversi modi, ad es. sulla base della
diversità diversit di tipi cellulari, della complessità complessit dei circuiti del cervello,……
cervello, ……o del n° teorico
di stati dell’espressione dell espressione genica.
Ipotizzando N geni umani e supponendo che ciascuno possa essere presente in due soli
stati, ON o OFF, il numero di possibili stati sarebbe pari a 2 N . In questo modo si
potrebbe anche calcolare quanto un organismo è più pi complesso di un altro.
da: Claverie JM, Science 2001 291:1255
22,000 geni nel genoma umano
Complessità Complessit = 2 22,000
Se si calcola la complessità complessit solo sul numero di geni, non vi sono differenze
macroscopiche nella complessità complessit negli eucarioti.
eucarioti

Complessità Complessit Fenotipica
Il numero di tipi cellulari presenti in ciascun organismo può costituire costituire
un indice
affidabile del livello di complessità complessit di un organismo. Nell’uomo Nell uomo si stima vi siano
circa 400 tipi cellulari.
Se si calcola la complessità complessit solo sul numero di geni, non vi sono differenze
macroscopiche nella complessità complessit negli eucarioti. eucarioti
da: Rokas A, Ann. Ann.
Rev. Genet. Genet.
2008 235:251

Complessità Complessit genotipica vs fenotipica
• Incremento del numero di costituenti (es. geni proteici)
• Nuove architetture proteiche (arrangiamenti lineari di domini proteici) proteici)
• Incremento della complessità complessit del trascrittoma e del proteoma rispetto al
genoma
- uso di siti di inizio della trascrizione multipli
- splicing alternativi
- siti alternativi di poliadenilazione
- modifiche post-traduzionali
post traduzionali delle proteine
• Incremento della complessità complessit delle reti di regolazione genica (es. sviluppo
di meccanismi fini di regolazione dell’espressione dell espressione genica nei metazoi grazie
alla struttura modulare dei promotori)
Le regioni non-codificanti non codificanti del genoma concorrono alla complessità complessit
genotipica e fenotipica di un organismo.

I Genomi degli Eucarioti: Eucarioti:
numero di cromosomi
Come per il contenuto di DNA, anche il numero e le dimensioni
dei cromosomi è molto variabile tra gli eucarioti. eucarioti
(13 Mbp)
Mbp
(125 Mbp) Mbp
(97 Mbp) Mbp
(3000 Mbp) Mbp
(180 Mbp) Mbp
92

I Genomi degli Eucarioti: Eucarioti Mappe di sintenia
Human
chromosome
Uno specifico cromosoma di un
organismo normalmente risulta
omologo a tratti genomici diversi
su più pi cromosomi di un altro
organismo. Ad esempio il
cromosoma 1 umano presenta
omologia con estese regioni
genomiche Mouse genomiche Mouse (>100 kbp) kbp)
di 8
diversi cromosomi di topo.
chromosome
Mouse
chromosome
Immagine tratta da: http://www.ensembl.org/Homo_sapiens
http://www.ensembl.org/ Homo_sapiens/syntenyview
syntenyview?otherspecies=Mus_musculus;chr=1
?otherspecies=Mus_musculus;chr=1
In tali regioni, dette
“regioni regioni sinteniche”, sinteniche , si
osserva una sostanziale
corservazione
dell’ordine dell ordine genico.

I Genomi degli Eucarioti: Eucarioti:
numero di cromosomi
Non si osserva correlazione tra le dimensioni del genoma e il
numero dei cromosomi, e tra il numero dei cromosomi e la
complessità complessit dell’organismo.
dell organismo.
Ad esempio, tra gli invertebrati, S. cerevisiae ha un genoma di
13 Mbp organizzato in 16 cromosomi mentre D. melanogaster ha
un genoma di 180 Mbp, Mbp,
organizzato in 4 cromosomi; tra i
vertebrati, lo zebrafish (Danio Danio rerio) rerio)
ha un genoma di 1700
Mbp, Mbp,
organizzato in 25 cromosomi, 2 cromosomi più pi dell’uomo.
dell uomo.
94

Organism estimated size
estimated
gene number
Homo sapiens(human) 3000 million bases ~22,000-
Rattus norvegicus (rat)
2,750 million
bases
~30,000
Mus musculus (mouse) 2500 million bases ~30,000
Drosophila melanogaster
(fruit fly)
average gene
density
1 gene per 100,000
bases
1 gene per 100,000
bases
1 gene per 100,000
bases
chromosome
number
180 million bases 13,600 1 gene per 9,000 bases 8
Arabidopsis thaliana (plant) 125 million bases 25,500 1 gene per 4000 bases 5
Caenorhabditis elegans
(roundworm)
Saccharomyces cerevisiae
(yeast)
97 million bases 19,100 1 gene per 5000 bases 6
12 million bases 6300 1 gene per 2000 bases 16
Escherichia coli (bacteria) 4.7 million bases 3200 1 gene per 1400 bases 1
H. influenzae (bacteria) 1.8 million bases 1700 1 gene per 1000 bases 1
Human immunodeficiency
virus (HIV)
EVOLUZIONE DEI GENI
9700 9 1 gene per 1000 bases
46
42
40

Qual è l’origine di tutto questo?
Come si sono evoluti i genomi?

Origine ed evoluzione dei genomi

Origine ed evoluzione dei genomi
Mondo a RNA
Nascita di molecole autoreplicanti

Origine ed evoluzione dei genomi
Mondo a RNA
Protogenomi a RNA
Compartimentalizzazione
all’interno di membrane
lipidiche
Prime strutture di tipo cellulare

Origine ed evoluzione dei genomi
Come si è evoluto il genoma a DNA?
Nascita di enzimi proteici

Origine ed evoluzione dei genomi
Come si è evoluto il genoma a DNA?
Trasferimento della funzione codificante dall’RNA
al DNA (chimicamente piu’ stabile)

Origine ed evoluzione dei genomi
Primi Genomi a DNA (3,8 miliardi di anni fa)
Ogni molecola di DNA rappresenta un singolo gene
che codifica per una singola proteina
singolo gene
singola proteina

Origine ed evoluzione dei genomi
Acquisizione di nuovi geni
1. Duplicazione di alcuni o tutti i geni del genoma
2. Acquisizione di geni da altre specie

Origine ed evoluzione dei genomi
Acquisizione di nuovi geni
Duplicazione di un intero genoma
Genoma duplicato

Origine ed evoluzione dei genomi
Acquisizione di nuovi geni
Duplicazione di geni
•Crossing-over disuguale
•Scambio disuguale tra cromatidi fratelli

Origine ed evoluzione dei genomi
Acquisizione di nuovi geni
Duplicazione di geni
Gene A1
Gene A1
Duplicazione
Gene A2
Pressione Nessuna
selettiva pressione
selettiva
Gene A1 GeneB Divergenza
Nuova funzione
o
Funzione simile

Origine ed evoluzione dei genomi
Duplicazione di geni
Acquisizione di nuovi geni
Famiglie geniche

EVOLUZIONE DEI GENI

Origine ed evoluzione dei genomi
Acquisizione di nuovi geni
Riarrangiamento genico
•Duplicazione
dei domini
•Rimescolamento
di domini

Origine ed evoluzione dei genomi
Acquisizione di nuovi geni
ESONI = MOTIVI PROTEICI
MOTIVI
α β β α β β α β
N C
ESONI
Proteina
Gene

Origine ed evoluzione dei genomi
Acquisizione di nuovi geni
Acquisizione di geni da altre specie
Il trasferimento di geni tra batteri è un fenomeno comune in natura
che avviene ancora oggi
I retrovirus sono capaci di spostare geni animali
tra individui della stesse specie e tra specie diverse

EVOLUZIONE DEI GENI
Maria C. Rivera & James A. Lake
The ring of life provides evidence for a genome fusion
origin of eukaryotes
NATURE |VOL 431 | 9 SEPTEMBER 2004

Origine ed evoluzione dei genomi
INTRONI? UN MISTERO
1. IPOTESI INTRONI ANTICHI: gli introni sono molto antichi
e si stanno gradualmente perdendo nei genomi degli eucarioti
2. IPOTESI INTRONI RECENTI: gli introni si sono evoluti di recente
e si stanno gradualmente accumulando nei genomi degli eucarioti

Origine ed evoluzione dei genomi
INTRONI? UN MISTERO
Teoria esonica dei geni

Origine ed evoluzione dei genomi
INTRONI? UN MISTERO
Le evidenze attuali non inficiano alcuna ipotesi

Origine ed evoluzione dei genomi
IL GENOMA UMANO: GLI ULTIMI 5 MILIONI DI ANNI

Origine ed evoluzione dei genomi
IL GENOMA UMANO: GLI ULTIMI 5 MILIONI DI ANNI
Uomo – Scimpanzè= 98,5% di omologia

Origine ed evoluzione dei genomi
IL GENOMA UMANO: GLI ULTIMI 5 MILIONI DI ANNI
Che cosa ci rende diversi dalle scimmie?

Origine ed evoluzione dei genomi
IL GENOMA UMANO: GLI ULTIMI 5 MILIONI DI ANNI
Che cosa ci rende diversi dalle scimmie?
Sottili cambiamenti nei profili di espressione dei geni
coinvolti in
processi di sviluppo e nella specificazione delle
interconnessioni
all’interno del sistema nervoso

Origine ed evoluzione dei genomi
IL GENOMA UMANO: GLI ULTIMI 5 MILIONI DI ANNI
Quello che ci rende umani probabilmente
non è il genoma umano di per sé,
ma il modo in cui il genoma funziona