un gene – un enzima

Cap. 4 Controllo genetico
delle proteine pp. 94-111
Sintesi 04
•Ogni sequenza di amminoacidi in un peptide è codificata
da una sequenza di nucleotidi in un gene
•Le prime relazioni ipotizzate fra DNA e proteine sono
state: un gene – un enzima e un gene – un polipeptide
•Colinearità: una sequenza di nucleotidi – una sequenza
polipeptidica
•I geni controllano le reazioni metaboliche controllando la
produzione di enzimi; alterazioni della sequenza genica
si riflettono in alterazioni della sequenza proteica
•Nei vertebrati, meno del 10% del genoma codifica per
proteine; il dibattito su ruolo e funzione del restante 90%
è aperto
Fare le
proteine non
è uno
scherzo
Le proteine hanno:
1.
2.
3.
4.
Una struttura primaria, data dalla successione degli
amminoacidi nel peptide
Una struttura secondaria, cioè un andamento
regolare in alcuni tratti, dovuto al ripetersi periodico
di amminoacidi con caratteristiche costanti. Es.: elica, foglietto 
Una struttura terziaria, tridimensionale, dovuta alle
interazioni fra amminoacidi, e fra amminoacidi e
ambiente
(non sempre) una struttura quaternaria, quando
diversi peptidi si uniscono a formare una proteina
complessa, multimerica
Che rapporti fra proteine e geni?
Analisi biochimica delle malattie
metaboliche: alcaptonuria
Fenotipo: urina scura
Neurospora
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
Indvidui prototrofi e auxotrofi (o mutanti nutrizionali)
Isolamento di
mutanti
nutrizionali
Esperimenti di Beadle e Tatum
Mutanti di Neurospora auxotrofi per l’arginina, o argCeppi 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
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
enzima 1
precursore
arg-2
arg-3
enzima 2
enzima 3
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
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.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=OMIM
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.
Yanofsky: Colinearità
gene TrpA di Escherichia coli
wt
TYR
LEU
THR
GLY
1
CYS
LEU
THR
GLY
2
TYR
ARG
THR
GLY
3
TYR
LEU
ILE
GLY
4
TYR
LEU
THR
ARG
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
Yanofsky: Colinearità
gene TrpA di Escherichia coli
wt
TYR
LEU
THR
GLY
1
CYS
LEU
THR
GLY
2
TYR
ARG
THR
GLY
3
TYR
LEU
ILE
GLY
4
TYR
LEU
THR
ARG
ATA
GAC
TAT
GGG
ACA
GCC
TGT
AGG
mut1
mut2
mut3
mut4
Corrispondenza fra le posizioni di mutazione nucleotidica e
sostituzione amminoacidica
Variabilità delle emoglobine umane
Variabilità delle emoglobine umane
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
E il resto?
Regioni non geniche:
--GTTCCACACACACACACACACACACACACACATTA—
DNA spazzatura (junk DNA)?
Cosa fa il DNA non genico?
1. Regola il funzionamento degli altri geni (Zuckerkandl)
2. Niente, ma male non fa: junk DNA (Ohno)
3. Parassita il resto del DNA: selfish DNA (Orgel e Crick;
Dawkins)
4. Fa da scheletro al resto del DNA (Cavalier-Smith)
Cosa fa il DNA non genico?
1. Regola il funzionamento degli altri geni (Zuckerkandl)
2. Niente, ma male non fa: junk DNA (Ohno)
3. Parassita il resto del DNA: selfish DNA (Orgel e Crick;
Dawkins)
4. Fa da scheletro al resto del DNA (Cavalier-Smith)
Qualche dato:
La perdita di ampli tratti di DNA non genico non ha effetti
fenotipici: 1. non valida il generale.
Replicare una grande quantità di DNA è costoso: 2. poco
probabile.
In certi casi, variazioni del volume cromosomico
provocano variazioni del volume del nucleo, ma 4. non
è valida il generale.
Cosa c’è in un cromosoma tipico
35%
LINE: Long Intespersed Elements SINE: Short Intespersed Elements
DNA ripetuto: tandem repeats, Elementi
interdispersi corti (SINE) e lunghi (LINE)
Short tandem repeats, o STR
(microsatellite): 1-6 bp, ripetuti da alcune
volte a decine di volte
Variable-number of tandem repeats, o
VNTR (minisatellite): più lunghi, ripetuti
da alcune volte a decine di volte
100-300 bp
5000-35000 bp
VNTR
DNA fingerprinting
Alec Jeffreys et al.: Hypervariable minisatellite
regions in human DNA, Nature, 314:67-73, 1985.
DNA fingerprinting: un’applicazione
DNA fingerprinting: un’applicazione
DNA fingerprinting
in Yersinia pestis
1.: antiqua
2.: medievalis
3.: orientalis
4., 5. ceppi sconosciuti
DNA fingerprinting: un caso di paternità
DNA
fingerprinting: un
caso di violenza
sessuale
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