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2. GENOMA, VIRUS (PROCARIOTI, EUCARIOTI)
Genoma
Lâinsieme dei geni tipici alla specie dĂ origine al genoma. Definizione: è lâinsieme di tutti i geni che contengono le informazioni che permettono che lâindividuo si sviluppi nella sua totalitĂ . Eâ il patrimonio genetico complessivo di una cellula o di un organismo; comprende lâinsieme di tutti i geni e anche di sequenze non codificanti. I geni sono costituiti da filamenti di DNA. La lunghezza delle molecole di DNA si esprime in paia di basi.
Per gli eucarioti, i conti sulle dimensioni del genoma si fanno considerando le cellule aploidi di ogni organismo e il contenuto totale di DNA in ogni genoma aploide è chiamato valore C. Nellâescherichia coli, un batterio, ci sono circa 4.500 geni, mentre nella cellula umana ce ne sono circa 25.000. La cellula umana contiene 5 volte in piĂš di geni, rispetto allâEscherichia coli, cosa normalissima, per il semplice fatto che questo batterio richiede molte meno informazioni rispetto allâuomo.
Ma se considerassimo il valore C delle cellule aploidi umane, questo viene ad essere circa 1000 volte superiore rispetto al valore C dellâEscherichia coli. Questo non ha lo stesso rapporto del genoma tra lâEscherichia coli e il genoma umano, che è 5 volte maggiore. In questo caso invece il rapporto è 1000 volte superiore. Questo fatto non coincide, quindi si parla di un enigma del valore C.
Considerando il genoma dei virus (considerati esseri viventi solo quando entrano a far parte di una cellula ospite, perchè ne utilizzano il materiale della cellula ospite per riprodursi), che è semplicissimo, dato da frammenti di DNA o da filamenti semplici di RNA, si nota quanto sia diverso dai cromosomi umani, molto piÚ complessi.
Gli studi sul genoma servono a comprendere i meccanismi di espressione dei geni e la loro regolazione. Un gene si dice âespressoâ quando esso è effettivamente utilizzato nella cellula, ad esempio quando vengono codificate delle proteine, cioè quando viene letto. Il gene del virus è formato da pochissime sequenze di DNA, e si esprime quando entrando nella cellula dellâospite diventa parte integrante dellâospite stesso, e il DNA dellâospite diventerĂ piĂš ricco di informazioni (poichè conterrĂ anche quelle del DNA del virus). Nelle cellule umane il processo è piĂš complesso: esistono delle cellule in corrispondenza delle quali subentra una certa differenziazione, poichè devono codificare proteine diverse. Le cellule muscolari per esempio codificano lâactina e la miosina, mentre quelle epatiche codificheranno altri tipi di proteine. Ci saranno dei geni che verranno espressi e altri no. Tutte le cellule contengono gli stessi geni, ma a seconda delle cellule che consideriamo, sono alcuni tipi di geni vengono espressi. Si può dire che lâespressione dei geni non è uguale in tutte le cellule, anche se il genoma li contiene tutti.
A questa espressione dei geni subentra il concetto di genoma dinamico. Il genoma non è immobile e immutabile nello stesso modo in tutte le cellule, ma sarĂ dinamico, varia a seconda delle situazioni. Questo si nota nel caso dei virus con il virus dellâinfluenza, che muta in continuazione, e per questo è difficilmente curabile, dato che muta troppo velocemente, senza che si riesca a creare una cura in tempo. La variabilità è fondamentale perchè è la base su cui lavora la selezione naturale.
Il genoma dellâessere umano invece è molto piĂš complesso, e muta molto piĂš lentamente. La ricombinazione del genoma umano avviene ad esempio durante il crossing over, che consiste in scambi di tratti di cromatidi tra cromosomi omologhi. Questa ricombinazione è però molto limitata, e non porta ad ampie trasformazioni, perchè vengono scambiati solo quei cromatidi che
contengono la stessa sequenza di basi. Ad esempio cambia il colore degli occhi in un umano, ma non le informazioni che determinano lâocchio. Nel caso avvenisse una vera e propria mutazione, questa spesso è letale. Talvolta invece la selezione naturale agisce in favore della mutazione, detta mutazione positiva. In caso contrario, la selezione naturale agisce per eliminare quei geni che provocano la mutazione, detta mutazione negativa.
Virus
Un virus è considerato âuna brutta notizia avvolta in un involucro proteicoâ (definizione di Peter Medawar). Ha una forma semplice, data da filamenti di RNA (filamenti singoli) o di DNA (filamenti doppi), avvolti in un involucro proteico prodotto dal virus stesso. Questo involucro viene prodotto utilizzando il materiale metabolico presente nella cellula ospite.
Queste forme virali non solo colpiscono le specie animali, ma anche quelle vegetali; ricordiamo infatti la vicenda dello studio del mosaico del tabacco, che ha contribuito allo studio dei virus. Il virus del mosaico del tabacco aveva contagiato la pianta da tabacco, provocando vastissime devastazioni nelle piantagioni. Mayer, uno scienziato, aveva iniziato a studiare questa forma virale, prendendo le foglie di piante malate, riducendole in poltiglia e mettendole a contatto con forme sane. Accadeva che anche le forme sane contraevano la malattia. Da qui si ipotizzò che esistesse un veleno, che prende il nome appunto di virus (=veleno), che venisse trasmesso anche alle piante sane. I virus hanno proprietà molto diverse dai batteri, in quanto le forme batteriche, se ridotte in poltiglia, possono essere facilmente filtrate e dissodate, mentre questo non succede nel caso delle foglie di tabacco, che nonostante siano filtrate trasmettono comunque la malattia. Nel 1903 Pierre Roux arrivò a stabilire le caratteristiche dei virus, distinguendoli dai abtteri: filtrabili, invisibili (di piccolissime dimensioni, circa 20 nanometri, piÚ piccoli dei ribosomi, e visibili attaraverso il microscopio elettronico, e non quello ottico), e non coltivabili (a differenza dei batteri, che sono in grado di duplicarsi da soli).
Successivamente è stata data una definizione piÚ completa: i virus sono endoparassiti obbligati, cioè non sono costituiti da cellule e non hanno un proprio metabolismo, ma devono infettare una cellula ospite per potersi riprodurre. Quando diventa parassita di una cellula ospite, ne utilizza il suo materiale. Per questo, i virus isolati non sono considerati esseri viventi, per il semplice fatto che non sono in grado di riprodursi.
I virus hanno un rivestimento esterno, il capside, il quale talvolta è ricoperto a sua volta da un involucro lipoproteico. Allâinterno quale sono contenute le informazioni, costituite da piccole eliche di DNA, che contengono un numero di geni molto limitato, dai 4 ai 20. Questo perchè i virus sono strutture semplicissime, e hanno bisogno solo delle informazioni necessarie alla creazione di un involucro lipoproteico. Questo involucro contiene delle proteine complesse importanti, che permettono al virus di riconoscere la cellula ospite che deve attaccare. I virus attaccano solo quelle cellule nella cui membrana si trovano proteine riconoscibili dalle proteine presenti sullâinvolucro virale. Ad esempio, il virus del raffreddore attacca solo le cellule della parte iniziale della mucosa nasale, e non quelle della mucosa boccale. I virus possono avere anche forme piĂš complesse: per cui abbiamo anche capsidi costituiti da una testa e una coda. Il capside è costituito da proteine, in corrispondenza delle quali ci sono delle proteine specifiche per il tipo di cellula che devono infettare. Non tutti i virus demoliscono le cellule che infettano. Esistono in alcuni casi due alternative: Ciclo litico: un ciclo di riproduzione che dĂ origina alla lisi (rottura) della cellula ospite. Il fago entra nella cellula batterica e in poco tempo porta la cellula ad esplodere e liberare i nuovi virus appena prodotti.
- La trasduzione: a. Generalizzata: si forma un batteriofago âdifettosoâ che al posto del proprio gene impacchetta nel capside un pezzetto casuale di cromosoma batterico. Quando questo virus infetta un altro batterio, inietta nella cellula un DNA che può ricombinarsi con il cromosoma batterico e modificarlo. b. Specializzata: si forma un fago anomalo, ma questa volta un virus, che si trovava nella condizione di profago, compie un errore e porta con sè anche un tratto del DNA batterico (il DNA del fago si ricombina con quello della cellula ospite).
- La coniugazione: è una forma di ricombinazione sessuale senza riproduzione. La cellula capace di coniugare è chiamata F+, possiede delle estroflessioni citoplasmatiche chiamate pili, e allâinterno, oltre al DNA circolare, possiede un plasmite F che contiene le informazioni per formare i pili. La cellula ricevente è chiamata F- e non possiede queste estroflessioni. Quando la cellula donatrice F+, mediante i pili, si attacca a quella ricevente F- mediante un ponte citoplasmatico il plasmide della cellula F+ passa alla cellula F-, che diventa cosĂŹ una cellula F+. In alcuni casi, il plasmide della cellula F+ si può integrare con il DNA della cellula, e la cellula donatrice F+ diventa una cellula con un DNA ricombinato detta cellula Hfr. Quando questa cellula Hfr si coniuga con una cellula F- potrĂ trasferire non solo il plasmide ma tutto il cromosoma batterico.
Espressione genica: gli operoni, geni costitutivi e mutazioni LâEscherichia coli, quando si trova nellâintestino di un individuo ricco di lattosio, un disaccaride che viene scisso in glucosio e galattosio, non può utilizzare il lattosio cosĂŹ comâè, ma deve produrre un enzima, la beta-galattosidasi, che digerisce il lattosio in glucosio in galattosio, e permette che questi monomeri siano usati a scopo energetico.
Alcune sostanze, come ad esempio la beta-galattosidasi, vengono prodotte solo se necessarie, per cui i geni dellâEscherichia coli si attivano solo in queste determinate necessitĂ . In assenza di lattosio, questi geni producono pochissima beta-galattosidasi, ma nel momento in cui viene ingerito del lattosio, la produzione aumenta notevolmente. Quindi nellâEscherichia coli il gene che produce la beta-galattosidasi è definito inducibile al lattosio mentre altri geni, detti costitutivi sono sempre attivi per produrre proteine.
Due biologi, Jacòb e Monòd, analizzarono il funzionamento dei geni inducibili. Notarono che nellâEscherichia
coli, con la presenza del gene I e O mutato, si produceva beta-galattosidasi anche quando non era necessario. Se coniugato con un batterio âsanoâ gli scienziati ottenevano un batterio che presentava contemporaneamente i geni normali e quelli mutati. Dividendo il batterio in cellule aploidi, i diploidi parziali I producevano lâenzima ove necessario, quelli O sempre.
Per spiegare ciò, identificarono il gene I come repressore mentre quello O, che non codificava alcuna proteina, operatore. Il gene O è un regolatore che regola lâespressione degli altri geni (i geni per produrre proteine sono invece strutturali). I geni I ed O sono entrambi coinvolti nellâespressione del gene LacZ, altri due geni strutturali soni LacY e LacA.
Situazione senza mutazioni In presenza di lattosio i geni LacZ, LacY e LacA, preceduti dal medesimo operatore e promotore, grazie al repressore che si stacca poichè legato ad una molecola di lattosio che funge da induttore, sono trascritti dalla cellula in un unico mRNA. Essi producono poi le giuste proteine. In assenza di lattosio, il repressore impedisce la trascrizione dei geni Lac, legandosi in corrispondenza dellâoperatore e impedendo alla rna-polimerasi di procedere nella normale trascrizione. Lâoperone Lac è inducibile (acceso quando serve). Altri operoni possono essere reprimibili (spenti quando serve).
Situazione mutante I Da solo, il mutante I produce un repressore difettoso incapace di fermare la polimerasi. Nellâaploide che presenta il gene mutato e il gene normale, il difettoso è rimpiazzato da quello funzionante. Il gene mutante è recessivo.
Situazione mutante O Da solo, il repressore non riconosce lâoperatore e non si lega alla sequenza variata. Nellâaploide, a nulla serve il gene normale, perchè non produce nulla che può intervenire.
EUCARIOTI
Struttura del genoma
Il genoma degli eucarioti, a differenza di quello dei procarioti, che sono strutture semplicissime, contiene una quantitĂ di informazioni immensa. Se un procariote ha circa 4000 geni, un eucariote ne ha piĂš di 25.000. I cromosomi di una cellula eucariote sono fortemente aggrovigliati tra loro. Per fare un paragone, la densitĂ del DNA allâinterno della cellula è pari a quella di un filo di nylon lungo 20km concentrato in una pallina da tennis.
- in direzione opposta, a 3â, si unisce una sequenza di un centinaio di nucleotidi contenenti adenina che danno stabilitĂ al mRNA, perchè altrimenti le estremitĂ verrebbero âmangiucchiateâ da enzimi cellulari.
- alla maturazione si aggiunge il processo di splicing (o montaggio), ed è una specie di ripulitura, come quando un regista elimina dal suo film le sequenze che non sono necessarie.
- alla fine del processo si ottiene un mRNA maturo, pronto per essere trasportato nel citoplasma e tradotto in proteina.
Le cellule eucarioti devono andare incontro anche ad un processo di diversificazione. Durante lo sviluppo, le cellule si trasformano tramite unâattivazione controllata di specifici geni. Si formeranno cosĂŹ cellule che andranno a comporre tessuti diversi (fegato, cervello, stomaco,..)
Gli scienziati hanno osservato il DNA della drosophila melanogaster, il moscerino della frutta, essere semplicissimo e costituito da pochissimi geni. Hanno notato che i nuclei delle cellule delle ghiandole salivari presentavano parti dilatate, come se fossero bolle, dette puff cromosomici, e che sono le parti che vengono trascritte e dove il DNA è intenstamente utilizzato, e parti piĂš addensate, chiamate corpi di Barr, piĂš scuri e compatti, dove il DNA non è utilizzato. Per spiegare ciò, gli scienziati hanno indagato sul processo di trascrizione. Affinchè possa avvenire la trascrizione, un RNA polimerasi deve entrare in contatto con un promotore sul DNA. Questa unione è data da proteine specifiche dette fattori di trascrizione. In aggiunta, altre proteine, chiamate attivatori e che modificano la struttura del DNA, si uniscono in zone specifiche dette âenhancerâ (intensificatori). I legami attivatori-enhancer comportano una deformazione del DNA e favoriscono lâaccesso del gene. Si crea cosĂŹ unâansa a forcina che determina i cosiddetti puff, che a loro volta determinano lâespressione e la regolazione genica.
Dopo la trascrizione, lâespressione dei geni prevede ulteriori trasformazioni e infine eventuali modifiche del polipeptide.
