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“Car

loBo”

CORSO DI GENETICA

LA NATURA DEL GENE

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Geni ed errori congeniti delmetabolismo cellulare

Benzer aveva dimostrato con gliesperimenti sul fago T4 che il cistrone èl’unità di funzione. Tuttavia non era notoné cosa fosse il cistrone, né il suofunzionamento. Nel 1908 il medico A.Garrod aveva osservato che molti difetticongeniti dell’uomo erano dovuti acaratteri recessivi ed erano correlati adifetti metabolici.

Ad esempio, la fenilchetonuria (correlata all’albinismo) è dovutaall’incapacità di trasformare la fenilalanina in tirosina; la fenilalanina siaccumula e viene trasformata in un composto tossico, l’acido fenilpiruvico.

PKU e albinismo

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“Car

loBo”Beadle e Tatum (1941)

La reale funzione dei geni fu scoperta da Beadle eTatum che lavoravano sulla Neurospora crassa. Essiirradiarono questo organismo, seminarono le spore suterreno completo e poi le riseminarono su terrenominimo per vedere se crescevano. Dopodichéselezionarono i mutanti per un certo nutriente(auxotrofi) e cercarono di capire qual era il difetto.Il loro primo lavoro fu sui mutanti incapaci dicrescere senza arginina. I test di complementazionee i dati di mappatura rivelarono che esistevano treloci diversi per il controllo del suo metabolismo, chechiamarono arg-1, arg-2 e arg-3.

La procedurasperimentale

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I risultati ottenuti

Se si somministrano ai tre ceppi dellesostanze chimicamente simili all’arginina,cioè la citrullina e l’ornitina, i tre ceppireagiscono differentemente.

Mutantearg1- + + +arg2- - + +arg3- - - +

Era noto che nella cellulasostanze simili possono essereconvertite una nell’altra daglienzimi, per cui Beadle e Tatum(che per questo ricevettero il Nobel) ipotizzarono che in realtà imutanti alterassero ognuno una diversa tappa della stessa viametabolica!

Un gene, un enzima

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Interpretazione molecolaredei dati genetici precedenti

A questo punto diventano chiari molti rapporti mendeliani atipici,come la complementazione: due linee a fiore bianco (mutanti),incrociate tra loro, danno fiori rossi (selvatici) in primagenerazione, e fiori rossi e bianchi (in seconda generazione) conun rapporto 9:7. Ora è facile interpretare perché: si tratta diuna via metabolica con (almeno) due enzimi e tre substraticoinvolti. Si spiega anche la dominanza e la recessività: ildominante ha ancora la funzione enzimatica, il recessivo no.

precursorebianco 1

precursorebianco 2

pigmentorosso

Enzimaallele A

Enzimaallele B

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Sequenziamento delle proteineNel 1953 Frederick Sanger ottiene la prima sequenza polipeptidicacompleta, l’insulina bovina.

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Un gene, una sequenza polipeptidicaSanger aveva dimostrato lacostanza della sequenzaaminoacidica delle proteine, cioèla stessa proteina ha sempre glistessi aminoacidi, nello stessoordine. Vernon Ingram studiòl’emoglobina selvatica (HbA) equella che provoca l’anemiafalciforme (HbS), scoprendo cheuna singola sostituzione amino-acidica è la causa della creazionedi una proteina mutanteresponsabile di tutte le patologieumane connesse a questo tipo dianemia.

La pleiotropia di HbSGLOSSARIOBone marrow: midollo osseoHeart: cuoreKidney: reneBrain: cervelloLung: polmoneSpleen: milza

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“Car

loBo”L’ANEMIA

FALCIFORME ÈLETALE INOMOZIGOSI

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“Car

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Colinearità gene - proteinaNel 1967 Charles Yanofsky aveva isolato tutta unaserie di mutazioni a carico del gene A della triptofanosintetasi di E. coli. Egli scoprì che ad ogni mutazionecorrispondeva un polipeptide difettivo, e che c’era unacorrelazione diretta tra posizione della mutazione nelDNA e posizione dell’aminoacido sbagliato nellaproteina. Riuscì anche ad ottenere un ricombinante

selvatico tra due mutazionidello stesso aminoacido(Gly47Arg e Gly47Glu),dimostrando che ogni codone(Crick e Brenner) è compostoalmeno da due reconi (Benzer).

Quindi l’unità di ricombinazione è più piccola dell’unità di traduzione!

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“Car

loBo”Eccezioni

Il concetto un gene Ÿ una catena polipeptidica è di importanza capitaleper la relazione tra gene e funzione. Tuttavia in alcuni casi ci sono delleambiguità. Ad esempio in Neurospora ci sono due regioni adiacenti nellocus adenina-3, dette ad-3A e ad-3B.

ß Tutti i mutanti ad-3A complementano con tutti i mutanti ad-3B;

ß i mutanti ad-3A mappano a lato dei mutanti ad-3B e viceversa;

ß i mutanti ad-3A hanno una funzione diversa dai mutanti ad-3B;

ß nessun mutante ad-3A complementa con altri mutanti ad-3A;

ß alcuni (non tutti) mutanti ad-3B complementano con alcuni altrimutanti ad-3B!

È possibile che ad-3B siano in realtà due cistroni?

La mappa di complementazione è una mappa “funzionale”, non fisica. Tuttavia èda notare che l’ordine di complementazione corrisponde generalmente all’ordinesulla mappa di ricombinazione. Inoltre i dati ci dicono che stiamo vedendo uncistrone solo (confrontare 1 e 3, e poi questi due con 4). La “frequente”reversione ci assicura che non sono delezioni.Possibili interpretazioni: (a) proteine a domini separati; (b) strutturequaternarie in grado di compensare le funzioni dei componenti.

I dati e la loro interpretazione

3

1

4

2

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“Car

loBo”1 2 3 4

- + - -+ - + -- + - +- - + -

1

2

3

4+ = complementazione; - = non complementazione

Mappa di complementazione: la noncomplementazione è nelle zone disovrapposizione delle barre.

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“Car

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Il dogmacentrale

dellabiologia

molecolareRappresenta il flusso

delle informazioni nellecellule dei viventi.

Dal DNA alleproteine:

procarioti edeucarioti

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“Car

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La RNApolimerasi

È la responsabile dellasintesi dell’RNA

messaggero (mRNA)

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“Car

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Il ribosoma

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“Car

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È composto di proteine ed RNA ribosomale(rRNA) la cui sintesi avviene nel nucleolo.

Il tRNA (o RNA di trasferimento)

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“Car

loBo”Legge il codice sul mRNA e lo traduce

in sequenze polipeptidiche.

L’inizio della sintesi proteica

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“Car

loBo”

L’elongazione del polipeptide

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“Car

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“Car

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Elongazione etermine delpolipeptide

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“Car

loBo”Il polisoma

Molti ribosomi traducono contemporaneamente ciascun mRNA,amplificandone gli effetti. Si parla di polisoma o poliribosoma.

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“Car

loBo”

Dettaglio del legame peptidico

Nel ribosoma viene catalizzata lacondensazione degli aminoacidifacendo reagire il gruppo aminicodel primo con il gruppocarbossilico del secondo. Il primoaminoacido della proteina (lametionina) è all’N terminale,l’ultimo al C terminale.

Organizzazione 3D delle proteine

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“Car

loBo”

Differenza tra eucarioti eprocarioti

Nei procariotinon c’è

separazionespaziale e/otemporale tratrascrizione etraduzione!

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