Gene function

1. Capitolo 4
La funzione del gene
Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A
http://www.guidobarbujani.it/index.php/1-genetica

2. Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A
• Se i geni stanno sul DNA, qual è la loro relazione con le
proteine?
• In che modo i geni controllano le vie biochimiche?
• Che rapporto c’è fra geni e malattie?
• Tutto il DNA è costituito da geni? E, se non lo è, cosa fa
il resto?
Domande 4

3. Fare le
proteine non è
uno scherzo

4. Nelle proteine si
trovano 20
amminoacidi
diversi

5. Le proteine hanno:
1. Una struttura primaria, data dalla successione degli
amminoacidi nel peptide
2. Una struttura secondaria, cioè un andamento regolare
in alcuni tratti, dovuto al ripetersi periodico di
amminoacidi con caratteristiche costanti. Es.: α-elica,
foglietto β
3. Una struttura terziaria, tridimensionale, dovuta alle
interazioni fra amminoacidi, e fra amminoacidi e
ambiente
4. (non sempre) una struttura quaternaria, quando diversi
peptidi si uniscono a formare una proteina complessa,
multimerica
Che rapporti fra proteine e geni?

6. Analisi biochimica delle malattie
metaboliche: alcaptonuria
Fenotipo: urina scura

7. Figura 4.2
Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A
Ciclo vitale del fungo
Neurospora crassa

8. 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
Individui prototrofi e auxotrofi (o mutanti nutrizionali)

9. Isolamento di
mutanti
nutrizionali

10. Esperimenti di Beadle e Tatum
Mutanti di Neurospora auxotrofi per l’arginina, o arg-
Ceppi 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

11. 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 arg-2 arg-3
enzima 1 enzima 2 enzima 3
precursore 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

12. Figura 4.4
Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A
Ceppi Terreno
minimo
+
acetilomoserina
+ cistationina + omocisteina + metionina
selvatico + + + + +
met-5 - + + + +
met-3 - - + + +
met-2 - - - + +
met-8 - - - - +
Crescita di ceppi selvatici e mutanti auxotrofi per metionina

13. 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.

14. 1. Si isola un tratto di DNA;
2. Lo si replica in 4 esperimenti
paralleli, ognuno dei quali si basa
su una mistura di nucleotidi
normali + un nucleotide
modificato all’estremità 3’ che
arresta la reazione.
Sequenza nucleotidica: determinabile con il
metodo di Sanger
Frederick Sanger

15. Sequenza nucleotidica: determinabile con il
metodo di Sanger

16. Charles Yanofsky

18. Yanofsky: Colinearità
gene TrpA di Escherichia coli
GLU TYR LEU THR
MET TYR LEU THR
GLU CYS LEU THR
GLU TYR ARG THR
GLU TYR LEU ILE
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
1
2
3
4
wt

19. Yanofsky: Colinearità
gene TrpA di Escherichia coli
GLU TYR LEU THR
MET TYR LEU THR
GLU CYS LEU THR
GLU TYR ARG THR
GLU TYR LEU ILE
1
2
3
4
wt
Corrispondenza fra le posizioni di mutazione nucleotidica
e sostituzione amminoacidica
CCT ATG GAA TGT
CTT ACG GCA TAT

20. Yanofsky: Colinearità
gene TrpA di Escherichia coli
GLU TYR LEU THR
MET TYR LEU THR
GLU CYS LEU THR
GLU TYR ARG THR
GLU TYR LEU ILE
1
2
3
4
wt
Corrispondenza fra le posizioni di mutazione nucleotidica
e sostituzione amminoacidica
CCT ATG GAA TGT
CTT ACG GCA TAT

21. 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.omim.org

23. Figura 4.5
Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A
Malattie genetiche 1: sindrome
di Tay-Sachs

24. Figura 4.6
Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A

25. Figura 4.7
Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A
Malattie genetiche 2: Variabilità delle
emoglobine umane

26. Figura 4.9
Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A

27. Figura 4.8
Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A

28. Figura 4.10
Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A

29. Figura 4.11
Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A

30. VARIANTE POSIZIONE aa SOSTITUZIONE
NUCLEOTIDICA
SOSTITUZIONE
AMMINOACIDICA
Porto Alegre 9 TCT > TGT Ser > Cys
Nagasaki 17 AAG > GAG Lys > Glu
Nikosia 17 AAG > CAG Lys > Gln
Taipei 22 GAA > GGA Glu > Gly
Genova 28 CTG > CCG Leu > Pro
Athens 40 AGG > AAG Arg > Lys
Gavello 47 GAT > GGT Asp > Gly
Ferrara 57 AAC > AAA o AAG Asn > Lys
Calabria 64 GGC > GAC Gly > Asp
Cairo 65 AAG > CAG Lys > Gln
Sicilia 65 AAG > AAT o AAA Lys > Asn
Sydney 67 GTG > GCG Val > Ala
Tampa 79 GAC > TAC Asp > Tyr
Malmö 97 CAC > CAG o CAA His > Gln
Beth Israel 102 AAC > AGC Asn > Ser
Beirut 126 GTG > GCG Val > Ala
Crete 129 GCC > CCC Ala > Pro
Cochin 146 CAC > CGC His > Arg

31. Malattie genetiche 3: fibrosi cistica
Frequenza in Europa: 1/2000 nati

32. Figura 4.12
Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A
Regolatore del trasporto transmembrana, CFTR

33. Malattie genetiche 4: Intolleranza al lattosio
(from Jobling et al, 2004)

34. FOETUS
Low expression
INFANT
High expression
ADULT
High expression
“lactase persistence”
ADULT
Low expression
“lactase non-persistence”
Diagrammatic representation of the level of lactose expression
at different stages of development and in lactase persistent and
non-persistent adults

36. •Carenza di lattasi (LPH): un allele recessivo causa
l’impossibilità di digerire il lattosio
•Ipotesi: persistenza della lattasi frutto di selezione
positiva legata al consumo di prodotti caseari
Frequenza dell’allele per la persistenza della lattasi

37. Lactase non-persistent allele l
High transcription
Unknown DNA
binding protein
Meccanismo
Troelsen, 2005
lactmcm6
+
T
Low transcription
lactmcm6
C
Lactase persistent allele L

38. Figura 4.13
Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A
Diagnosi prenatale:
amniocentesi

39. Figura 4.14
Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A
Diagnosi prenatale: analisi dei villi coriali

40. 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

41. Non tutto il DNA fa proteine
E il resto?
1.DNA ripetuto in varie regioni del genoma: 1.1. SINEs
(Short Interspersed sequences), 1.2. LINEs (Long
Interspersed sequences)
2.DNA ripetuto in tandem
--GTTCCACACACACACACACACACACACACACATTA—
DNA spazzatura (junk DNA)?

42. DNA fingerprinting
Alec Jeffreys et al.: Hypervariable minisatellite
regions in human DNA, Nature, 314:67-73, 1985.

43. DNA fingerprinting: un caso di paternità

44. Cosa fa il DNA non codificante?
• Niente, ma male non fa
• Funzioni non chiarite nell’espressione
dei geni
• Mantiene il volume cellulare
• Fa male, ma la domanda è mal posta.

45. Enattah et al. Nature Genetics 30:233-237 (2002)
Lattosio glucosio + galattosio
LPH
Analisi del gene LCT (2q21) : nessuna variabilità associata all’intolleranza

46. 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
•Varie regioni del DNA non codificante contengono
comunque informazione importante per studi di
identificazione personale (impronta digitale genetica)