Genomica
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Genomica. Andrea G. B. Tettamanzi. Genomica e riconoscimento dei geni. Problema: come “leggere” il genoma?. nucleotidi. lettere. codoni. parole. geni. paragrafi. cromosomi. libri. genoma. enciclopedia. Il genoma dei procarioti.

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Presentation Transcript


Genomica

Genomica

Andrea G. B. Tettamanzi


Genomica e riconoscimento dei geni

Genomica e riconoscimento dei geni

Problema: come “leggere” il genoma?

nucleotidi

lettere

codoni

parole

geni

paragrafi

cromosomi

libri

genoma

enciclopedia


Il genoma dei procarioti

Il genoma dei procarioti

  • Risposta agli stimoli = alterazione livelli di espressione dei geni

  • Funzioni dei geni nei procarioti:

    • 32 geni o più: capacità di produrre e replicare il DNA

    • 100 – 150 geni: fabbricazione delle proteine “strutturali”

    • 30 geni o più: generazione e immagazzinamento dell’energia

  • Insieme minimo: 256 – 300 geni.


Struttura di un gene nei procarioti

Struttura di un gene nei procarioti

operatore

promotore

terminatore

Traduzione (mRNA -> Proteina)

Open Readin Frame (ORF)

Trascrizione (DNA -> mRNA)

1


Promotori e operatori e coli

Promotori e operatori (E. coli)


Open reading frame orf

Open Reading Frame (ORF)

  • Codone iniziale: AUG (codifica anche la metionina)

  • Tre codoni “terminatori”: UAA, UAG, UGA

  • Probabilità di occorrenza “casuale”: 3/64 = 4,69%

  • ORF = sequenza di codoni non interrotta da terminatori

  • Probabilità che una sequenza di N codoni non contenga terminatori: (61/64)N

  • N = 60  confidenza = 95% che sia un ORF

  • Sequenza di Shine-Delgarno: 5’-AGGAGGU-3’ poco a monte del primo codone


Terminatori di trascrizione intrinseci

U

U

U

U

U

G

U

C

G

U

A

G

G

U

U

U

U

Terminatori di trascrizione “intrinseci”

C

A

A

U

C

A

A

A

C

C

G

U

Regione ricca di CG

nel gambo

Catena di U


Frequenza delle coppie g c

Frequenza delle coppie G/C

  • FG/C + FA/T = 1

  • Nei procarioti, 25% < FG/C < 75%

  • Ciascuna frequenza è caratteristica di una specie

  • Trasferimento orizzontale di geni

  • Distorsioni nell’utilizzo di codoni


Il genoma degli eucarioti

Il genoma degli eucarioti

  • Eccezionalmente più complesso

  • Organismi multicellulari, differenziazione cellulare

  • Enormi quantità di DNA “spazzatura”


Struttura dei geni negli eucarioti

Struttura dei geni negli eucarioti

  • Trovare i geni è più difficile che trovare un ago in un pagliaio

  • Una delle grandi sfide della Bioinformatica

  • I migliori tentativi fino ad ora si basano su

    • Reti neurali (GrailEXP, “http://compbio.ornl.gov/grailexp/”)

    • Programmazione dinamica (GenScan, “http://genes.mit.edu/GENSCAN.html”)

    • Tassi di predizione comunque inferiori al 50%!


Elementi promotori

Elementi promotori

  • Esistono tre RNA polimerasi negli eucarioti: I, II e III

  • Ciascuna riconosce un insieme distinto di promotori:

    • RNA polimerasi I trascrive RNA ribosomici e riconosce promotori semplici tra –45 e +20;

    • RNA polimerasi II trascrive geni che codificano proteine e riconosce promotori molto complessi posti tra –25 e molto più a monte;

    • RNA polimerasi III trascrive tRNA ed altri piccoli RNA e riconosce promotori semplici tra +50 e +100

  • Ogni gene eucariotico ha un suo promotore unico e distinto

  • Promotori riconosciuti da RNA polimerasi II si compongono di promotori basali + altri promotori a monte a cui si legano altre proteine. Stima di circa 5 promotori a monte


Rna polimerasi ii

RNA polimerasi II

  • Non riconosce direttamente i promotori

  • Fattori di trascrizione basali:

    • Proteina TATA-legante (TBP)

    • Almeno 12 fattori associati alla TBP (TAF)

    • Questi catalizzano il legame con l’RNA polimerasi II

  • Promotori contengono una “box” 5’-TATAWAW-3’ (W = A/T) alla posizione –25

  • Sequenza iniziatrice alla posizione +1: 5’-YYCARR-3’(Y = C/T, R = G/A)


Open reading frame orf1

Open reading frame (ORF)

  • DNA -> RNA eterogeneo (hnRNA) -> mRNA

  • Il passaggio hnRNA -> mRNA consiste in:

    • Incappucciamento: alterazioni chimiche all’estremità 5’

    • Splicing (= giuntaggio?): rimozione degli “introni”

    • Poliadenilazione: sostituzione dell’estremità 3’ con un’estensione di circa 250 basi A non presenti nella sequenza del gene

  • Introni/Esoni

  • Esistono almeno 8 tipi diversi di introni

  • Quello associato in modo predominante ai geni che codificano proteine segue la “regola GU-AG” (cioè: introne = GU*AG)

  • Esistono delle regole ben precise che determinano la rimozione precisa degli introni

  • Splicing alternativo


Isole di cpg

Isole di CpG

  • Abbondanza relativa del dinucleotide CG

  • Normalmente questa abbondanza è solo il 20% di quella casuale

  • Picchi di abbondanza lunghi 1-2 kb all’estremità 5’ di molti geni

  • “Isole di CpG”, da –1500 a +500, con abbondanza casuale

  • Spiegazione: processo di metilazione

  • Metilazione fa sì che un dinucleotide CG abbia una grande probabilità di mutarsi nel dinucleotide TG


Isocore

Isocore

  • Regioni in cui l’abbondanza relativa di G/C si mantiene costante

  • Il genoma è un mosaico di varie isocore

  • Il genoma umano ne contiene 5:

    • H3: 54% di G/C

    • H2: 49% di G/C

    • H1: 46% di G/C

    • L2: 42% di G/C

    • L1: 39% di G/C

  • Associate a differenze funzionali:

    • H3: 3 – 5% del genoma umano, 80% dei geni di housekeeping

    • L1 + L2: 66% del genoma umano, 85% dei geni specifici dei tessuti


Analisi dell espressione genica

Analisi dell’espressione genica

  • DNA Microarray Technology


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