Lezione 11 - PowerPoint

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Lezione 11 - PowerPoint Powered By Docstoc
					STRUTTURA ED EVOLUZIONE DEL
      GENOMA UMANO
• IL GENOMA UMANO e’ composto da 25
  differenti molecole di DNA:

24 differenti molecole di DNA nucleare (GENOMA
  NUCLEARE), 3200 Mb (3x109 bp);

1 singolo tipo di DNA mitocondriale (GENOMA
  MITOCONDRIALE), 16,6 kb (1,66x104 bp).
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         I geni mitocondriali

• 37 geni totali

• 24 geni per RNA: 22 tRNA e 2 rRNA

• 13 geni per proteine. (subunita’ dei complessi
  respiratori mitocondriali)
   Il codice genetico mitocondriale

• E’ diverso da quello “universale”
• 60 codoni codificanti e 4 codoni di STOP.
• Le componenti proteiche dell’apparato di
  sintesi proteica sono codificate dal genoma
  nucleare.
• 22 tRNA sono in grado di riconoscere i 60
  codoni codificanti grazie alla tolleranza per
  differenti    basi     in    terza    posizione
  (8x4)+(14x2).
Il codice genetico mitocondriale è simile a quello nucleare


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       Genoma nucleare

• 24 differenti molecole di dsDNA
  corrispondenti ai 24 cromosomi

• Le dimensioni dei singoli cromosomi
  variano notevolmente, come la loro
  composizione in GC
             I geni umani
• Stimati in un numero tra 30 000 e 35 000.
• Non sono distribuiti sui cromosomi in maniera
  uniforme.
• La grande maggioranza dei geni umani
  codifica proteine, mentre una frazione tra il 5
  e il 10% di essi specifica molecole di RNA non-
  tradotte.
• Dalla sequenza del genoma si identificano
  circa 11 000 geni con certezza. Gli altri geni
  sono     stati   predetti   mediante     analisi
  informatica della sequenza, e sono, quindi,
  solo putativi.
         I geni degli RNA

• Circa 3000 nel genoma nucleare
  (~10%)
• Principalmente coinvolti nei processi di
  traduzione (rRNA e tRNA)
• Altre classi di RNA con ruoli regolatori
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        Molti geni di rRNA e
       tRNA sono organizzati
         in clusters ripetuti
            in tandem
           Codon usage

• Non c’è un rapporto 1:1 tra codoni
  presenti nei mRNA e anticodoni nei
  tRNA che li riconoscono
• Ogni specie ha un set di anticodoni
  diverso
• Ogni specie usa preferenzialmente
  alcuni codoni sinonimi rispetto ad altri
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        snRNA e snoRNA

• Codificati da famiglie geniche in genere
  disperse

• snRNA partecipano allo splicing

• snoRNA guidano le modifiche post-
  trascrizionali di rRNA e altri RNA stabili
15q11-q13

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I geni che codificano proteine

• Dimensioni molto variabili

• Diversa organizzazione esoni-introni

• Differenze nel contenuto di DNA ripetitivo
  (introni e sequenze fiancheggianti)

• Distribuzione variabile sui vari cromosomi
Geni sovrapposti
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Geni compresi in altri geni
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           Famiglie geniche
• Famiglie geniche classiche (istoni, globine)

• Geni codificanti prodotti con domini altamente
  conservati (Homeobox, Paired box, Forkhead,
  ecc.)

• Geni codificanti proteine contenenti corti
  motivi conservati, correlati ad una comune
  funzione (DEAD box, WD domain, ecc.).

• Superfamiglie     (immunoglobuline,      globine
  recettori G protein coupled, ecc.) .
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    DEAD (Asp-Glu-Ala-Asp)

    WD (Trp-Asp)
Superfamiglia delle Ig

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         Famiglie geniche

                     Gruppo singolo    (alfa-globine, geni GH)
• Raggruppate
                     Gruppi multipli   (geni HOX, istoni)




• Disperse   (geni PAX, NF1)
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                Pseudogeni

• Copie difettive dell’intera sequenza di un gene
  funzionale (o della sua porzione codificante), o copie
  troncate, mancanti di porzioni al 5’, al 3’, o frammenti
  interni.
Pseudogeni non-processati
• Contengono tutte le regioni funzionali del gene
• Presentano codoni di stop inappropriati
• Originati per duplicazione genica o crossingover ineguale



Pseudogeni processati
• Contengono solo le sequenze esoniche e una sequenza oligo
  dA/dT
• Copiati dall’mRNA in cDNA e reintegrati nel genoma
• Se sono espressi sono detti retrogeni
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 DNA ripetitivo non-codificante
         clusterizzato

Spesso si trova in blocchi di ripetizioni in
  tandem, e puo’ essere classificato in:
• DNA satellite, soprattutto centromerico
• DNA minisatellite, generalmente situato ai
  telomeri
• DNA microsatellite, disperso in tutti i
  cromosomi, anche nelle regioni codificanti
            DNA satellite

• Zone molto estese di DNA ripetuto in tandem
  non trascritto
• L’unità di ripetizione va da poche bp a
  centinaia di bp
• Costituisce la maggior parte di eterocromatina
  del genoma
  (alphoid DNA) è un satellite localizzato al
  centromero di tutti i cromosomi
               Satellite 

• Consiste di ripetizioni in tandem di un’unità di
  171 bp
• Costituisce la gran parte dell’eterocromatina
  centromerica di tutti i cromosomi
• Elevata divergenza di sequenza tra cromosomi
  diversi
• Clonato in cellule umane genera nuovi
  centromeri
Organizzazione del Dna satellite ai centromeri

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         DNA minisatellite

• Zone moderatamente estese di DNA ripetuto
  in tandem, normalmente non trascritto
• L’unità di ripetizione va da poche bp a qualche
  decina di bp
• È localizzato presso i telomeri di tutti i
  cromosomi
• DNA      minisatellite  ipervariabile:  famiglia
  altamente polimorfica (vicino ai telomeri, altre
  zone del genoma)
• Hotspot per ricombinazione omologa
• Utilizzato per DNA fingerprinting
       DNA microsatellite

• Piccoli gruppi di ripetizioni di una sequenza
  semplice (fino a 10 bp)
• È sparso in tutto il genoma
• Si origina per “replication slippage”
• Può generare hotspots mutazionali
       DNA ripetitivo non-
     codificante intersperso
• Il DNA ripetitivo derivato da trasposoni rappresenta il
  45% circa del genoma umano
• I trasposoni sono sequenze di DNA mobile
• Solo pochi di essi traspongono attivamente
• Autonomi o non-autonomi
• Retrotrasposoni
• Trasposoni DNA
          Retrotrasposoni

• Trasposoni retrovirus-like
• Hanno tipiche regioni LTR ripetute in tandem
  alle estremità
• Autonomi e non-autonomi
• Trasposizione molto rara negli ultimi milioni di
  anni
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   Trasposoni DNA fossili

• Hanno sequenze terminali    ripetute
  invertite
• Codificano una trasposasi
• Non sono più attivi
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               Trasposoni LINE

• Long Interspersed Nuclear Elements
• Sono i trasposoni più attivi e sono molto antichi
• Codificano tutti i prodotti necessari alla trasposizione
• 3 famiglie (L1, L2, L3) comprendenti il 20% del genoma
  umano
• L1 è la famiglia predominante (17%) ed è l’unica che
  traspone attivamente (circa 6.1 kb)
• L1 è responsabile di quasi tutta la retrotrascrizione che
  avviene nel genoma
• Localizzati in regioni AT-rich
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            Trasposoni SINE

• Short Interspersed Nuclear Elements
• Sono lunghi 100-400bp e hanno colonizzato il
  genoma umano con successo
• Non codificano proteine
• Condividono le sequenze terminali con le LINE
• Traspongono parassitando il macchinario delle
  LINE
• Si sono originati per copia di geni ad RNA
• La più abbondante è la famiglia Alu
• Localizzati in regioni GC-rich
DNA ripetitivo nel locus di Retinoblastoma

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   Le sequenze ripetute hanno un
       potenziale patogenetico


• Le sequenze ripetute sono soggette a CNV e
  scambi non reciproci di sequenze

• Sia la riduzione che l’amplificazione del numero
  di ripetizioni possono essere patogeniche
  (poliglutamine, siti fragili ecc)
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  Le sequenze ripetute hanno un
      potenziale patogenetico


• Le sequenze clusterizzate possono generare
  amplificazioni/delezioni localizzate

• Le ripetizioni intersperse possono generare
  larghe delezioni/amplificazioni
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Il DNA non codificante umano
A cosa serve tutto questo DNA
      “non codificante”?
         Che relazione c’è tra informazione genomica,
          contenuto di DNA e complessità biologica?




                               Complessità metabolica


Complessità biologica


                                Complessità dello sviluppo
                                 (numero di cellule e di tipi cellulari,
                                  grado di organizzazione cellulare)
Non c’è correlazione tra complessità degli organismi
e:

• contenuto di DNA genomico
 (the C-value paradox)

• numero di geni codificanti proteine
 (the G-value paradox)
Vogel C, Chothia C (2006) PLoS Comput Biol 2(5): e48
Esiste invece una forte correlazione tra la
complessità biologica e la frazione di DNA
non codificante proteine sul totale del
genoma (nc/tg)
Taft RJ, Pheasant M, Mattick JS, Bioessays 28:288-299, 2007
Il DNA non codificante è quindi quella
parte di genoma che maggiormente
varia al variare della complessità



INTRONI                     REGIONI
  UTRs                   INTERGENICHE
Gli introni sono ancora considerati privi di
informazione genetica essenziale anche se:

•sono trascritti

•includono una quantità significativa di
sequenze conservate

•ospitano tutti i snoRNA noti e una larga
parte dei miRNA
Taft RJ, Pheasant M, Mattick JS, Bioessays 28:288-299, 2007
Nel genoma umano:

34 Mb di sequenze codificanti

32 Mb di UTRs
Le regioni intergeniche possono regolare
la funzione del genoma in cis (promotori,
enhancers, insulators, ecc) o in trans,
attraverso RNA non codificanti di varie
classi
Circa il 60-70% del genoma umano è trascritto in
RNA che non ha funzioni di mRNA, rRNA, tRNA o
snRNA/snoRNA

Nuove classi di ncRNA:

•Large (mRNA-like)
                                      QuickTime™ and a
                                        decompressor

•Small (miRNA, piRNA)
                                are neede d to see this picture.
Dinger ME, Mercer TR and Mattick JS, J Mol Endocrinol 2008: 40, 151-159
  miRNAs are 21-24 nt RNAs acting as
negative regulators of a large fraction of
  protein-encoding genes expression
     Dicer è essenziale per lo sviluppo del topo




Figure 2. Characterization of Dicer1 mutant embryos.
(a) Typical E7.5 mutant (-/-) and wild-type (+/+) embryos are shown for morphological
      comparison.
(b) Mutant (-/-) and wild-type (+/+) embryos were stained by in situ hybridization with a
      probe for T (brachyury), a primitive streak marker.
(c)   Mutant (-/-) and wild-type (+/+) embryos were stained with a probe for Oct4, a
      marker for stem cell populations in the early embryo.
Esiste una porzione di miR intronici che non
richiedono il microprocessor complex per la
maturazione, ma i meccanismi di splicing
               Mirtrons




                QuickTime™ e un
                decompressore
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         decompressor
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Chan SP and Slack FJ, Dev Cell 2007
Ruolo dei miRNA nel cancro
 I profili di espressione dei miRNA sono
alterati nelle cellule neoplastiche rispetto
    alle corrispondenti cellule normali




                             Calin and Croce, Nature Rev Cancer 2006
  Le miRNA signatures consentono
un’accurata classificazione dei tumori


        •   tipo cellulare
        •   diagnosi
        •   staging
        •   prognosi
        •   risposta alle terapie


                                    Lu et al. Nature 2005
                QuickTime™ e un
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