L'espressione genica: dal DNA alle proteine

Flashcard di ripasso sul dogma centrale della biologia molecolare, le differenze strutturali tra DNA e RNA, i tipi di RNA e le eccezioni rappresentate dai retrovirus e dai virus a RNA.

Che cosa afferma il dogma centrale della biologia molecolare enunciato da Francis Crick nel 1958?

Afferma che il gene è un tratto di DNA contenente le informazioni per la produzione di una catena polipeptidica, ma la proteina non contiene l'informazione per la produzione di altre proteine, dell'RNA o del DNA.

Quali sono i due processi principali attraverso cui l'informazione passa dal DNA alle proteine?

La trascrizione e la traduzione.

Dove è localizzato il DNA e dove vengono sintetizzate le proteine nella cellula eucariote?

Il DNA è quasi interamente confinato nel nucleo, mentre le proteine sono sintetizzate nel citoplasma (a livello dei ribosomi).

Che cosa spiegava l'«ipotesi del messaggero» formulata dal gruppo di Crick?

Che da un filamento di DNA di un particolare gene si formasse per copia complementare una molecola di RNA messaggero (mRNA), che migra dal nucleo al citoplasma per fungere da stampo per la sintesi delle proteine.

Che cos'è la trascrizione?

Il processo mediante il quale si forma una molecola di RNA a partire da un filamento di DNA per copia complementare.

Che cosa prevedeva l'«ipotesi dell'adattatore» proposta da Crick e quale molecola si è rivelata essere?

Prevedeva l'esistenza di una molecola dotata di due regioni (una di legame specifico per un amminoacido e una di riconoscimento per una sequenza di nucleotidi); tale molecola è l'RNA transfer (tRNA).

Che cos'è la traduzione?

Il processo in cui gli adattatori di tRNA legati agli amminoacidi si allineano lungo la sequenza dell'mRNA per garantire la corretta sequenza nella sintesi di una catena polipeptidica.

Quali sono le tre principali differenze strutturali tra l'RNA e il DNA?

1. L'RNA è generalmente a singolo filamento; 2. Contiene lo zucchero ribosio anziché il desossiribosio; 3. Contiene la base azotata uracile (U) al posto della timina (T).

Come si appaiano le basi azotate quando l'RNA si lega a un filamento singolo di DNA?

Seguono le stesse regole di complementarietà del DNA, con la differenza che l'adenina si appaia con l'uracile anziché con la timina.

In che modo una molecola di RNA a singolo filamento può assumere forme tridimensionali complesse?

Ripiegandosi su se stessa mediante un appaiamento di basi intramolecolare.

Qual è il ruolo e la caratteristica più importante dell'RNA messaggero (mRNA)?

È l'intermediario che trasporta una copia delle informazioni di un tratto di DNA ai ribosomi; la sua caratteristica più importante è la sequenza lineare.

Qual è la funzione dell'RNA transfer (tRNA)?

Agisce da adattatore: trasporta gli amminoacidi ai ribosomi e li colloca nella posizione corretta grazie alla sua precisa e complessa struttura tridimensionale.

Qual è il ruolo dell'RNA ribosomiale (rRNA)?

Entra a far parte della struttura dei ribosomi e permette la realizzazione della sintesi proteica, svolgendo sia un ruolo strutturale che funzionale.

Cosa sono i retrovirus e in che modo convertono il loro genoma nella cellula ospite?

Sono virus a RNA (come l'HIV o virus di rare forme tumorali) che convertono il proprio RNA in DNA mediante l'enzima trascrittasi inversa.

Perché la scoperta dei retrovirus e della trascrizione inversa non smentisce la parte fondamentale del dogma centrale di Crick?

Perché il postulato fondamentale afferma che l'informazione non può mai passare dalle proteine agli acidi nucleici (ovvero dal fenotipo al genotipo), principio che rimane confermato dai fatti.

Quali sono i tre stadi sequenziali in cui si articola la trascrizione?

Inizio, allungamento e terminazione.

Che cos'è il promotore e quali tre indicazioni fornisce all'RNA polimerasi?

È una sequenza di DNA a cui si lega saldamente l'RNA polimerasi; stabilisce da dove iniziare la trascrizione, quale dei due filamenti trascrivere e in quale direzione procedere.

Quali sono le due regioni caratteristiche del promotore nei procarioti?

La sequenza di riconoscimento (a cui si lega l'RNA polimerasi) e la TATA box (ricca di basi AT, in cui il DNA inizia a denaturarsi per esporre lo stampo).

In che modo l'inizio della trascrizione negli eucarioti differisce da quello nei procarioti?

Negli eucarioti l'RNA polimerasi non si lega direttamente da sola al promotore, ma necessita del preventivo legame di specifiche proteine regolatrici chiamate fattori di trascrizione.

In quale direzione l'RNA polimerasi legge il filamento stampo e in quale direzione assembla il nuovo filamento di RNA?

Legge il filamento stampo in direzione $3' \rightarrow 5'$ e sintetizza l'RNA aggiungendo nucleotidi all'estremità $3'$, procedendo quindi in direzione $5' \rightarrow 3'$.

Che cos'è un codone all'interno della sequenza dell'mRNA?

Una tripletta di basi azotate consecutive lungo la catena nucleotidica che specifica un singolo amminoacido oppure un segnale di arresto.

Qual è il codone che avvia la traduzione e quali sono i tre codoni di arresto?

Il codone di inizio è AUG (che codifica la metionina); i codoni di stop sono UAA, UAG e UGA.

Cosa si intende dicendo che il codice genetico è «degenerato» ma «non ambiguo»?

È degenerato (o ridondante) perché più codoni possono codificare lo stesso amminoacido, ma non è ambiguo perché ogni singolo codone specifica uno e un solo amminoacido.

Per quale motivo il codice genetico viene definito «quasi universale»?

Perché un dato codone specifica lo stesso amminoacido nella quasi totalità dei viventi, a eccezione di minime variazioni riscontrate nei mitocondri, nei cloroplasti e in alcuni protisti.

Quale fu il risultato chiave dell'esperimento di Nirenberg e Matthaei condotto con poli-U nel 1961?

Dimostrò che un mRNA sintetico formato solo da uracile produceva un polipeptide composto esclusivamente da fenilalanina, stabilendo così che la tripletta UUU codifica per tale amminoacido.

Neurospora crassa come organismo modello

Muffa ascomicete ideale per la ricerca genetica poiché facile da coltivare e aploide per gran parte del suo ciclo vitale, rendendo immediata l'osservazione dei risultati fenotipici senza complicazioni di dominanza o recessività.

Ipotesi «un gene, un enzima»

Teoria formulata da Beadle e Tatum secondo cui ciascun gene contiene le informazioni necessarie per la sintesi di una specifica proteina catalitica appartenente a una via metabolica.

Ipotesi «un gene, un polipeptide»

Modifica del modello originale che stabilisce che ogni gene codifica per una singola catena polipeptidica specifica, poiché molte proteine non sono enzimi e sono spesso composte da più subunità differenti.

Eccezioni alla corrispondenza gene-polipeptide

Geni che non codificano per catene polipeptidiche, come i geni regolatori che controllano l'espressione di altre sequenze o i geni che codificano per molecole di RNA funzionali (quali tRNA e rRNA).

Tre funzioni fondamentali del tRNA

1. Legare covalentemente a sé un amminoacido specifico; 2. Appaiarsi alla sequenza codificante complementare dell'mRNA; 3. Interagire con i siti funzionali del ribosoma durante la traduzione.

Anticodone

Tripletta di basi azotate situata nella regione mediana del tRNA che garantisce il riconoscimento e l'appaiamento complementare con il codone presente sull'mRNA.

Sito di attacco dell'amminoacido sul tRNA

Regione terminale all'estremità $3'$ costituita dalla sequenza invariata $5'\text{-CCA-}3'$, a cui si ancora covalentemente l'amminoacido corrispondente.

Amminoacil-tRNA-sintetasi

Famiglia di enzimi attivanti ad alta precisione che catalizzano il legame ad alta energia tra ciascun amminoacido e il suo specifico tRNA, fornendo l'energia necessaria al legame peptidico.

Composizione del ribosoma negli eucarioti

Complesso ribonucleoproteico costituito da una subunità maggiore (formata da 3 molecole di rRNA e circa 45 proteine) e una subunità minore (formata da 1 molecola di rRNA e circa 33 proteine).

Sito A (amminoacilico) del ribosoma

Regione della subunità maggiore che accoglie l'amminoacil-tRNA in arrivo, consentendo l'appaiamento specifico tra codone e anticodone.

Sito P (peptidilico) del ribosoma

Regione ribosomiale in cui il tRNA cede il proprio amminoacido alla catena polipeptidica nascente per permettere l'allungamento proteico.

Sito E (exit/uscita) del ribosoma

Regione ribosomiale in cui transita il tRNA scarico, privo dell'amminoacido, prima di distaccarsi per ritornare nel citoplasma.

Componenti del complesso d'inizio della traduzione

La subunità ribosomiale minore, la molecola di mRNA e il tRNA iniziatore carico con metionina, tenuti insieme dai fattori di inizio.

Posizione del primo tRNA al termine della fase di inizio

Il sito P (peptidilico) della subunità maggiore, mentre il sito A si posiziona in corrispondenza del secondo codone dell'mRNA.

Reazioni catalizzate dalla subunità maggiore durante l'allungamento

1. Rottura del legame tra il tRNA nel sito P e il suo amminoacido; 2. Formazione del legame peptidico tra tale amminoacido e quello legato al tRNA nel sito A.

Movimento del ribosoma durante la fase di allungamento

Il tRNA scarico scorre nel sito E e si stacca, mentre il tRNA con la catena nascente slitta nel sito P e il ribosoma avanza di un codone verso l'estremità $3'$.

Eventi che determinano la terminazione della traduzione

Uno dei tre codoni di stop entra nel sito A legando un fattore di rilascio, che idrolizza il legame tra la catena polipeptidica e il tRNA nel sito P, liberando la proteina e separando le subunità ribosomiali.

Destinazione cellulare predefinita (default) per le proteine prive di sequenze segnale

Il citosol.

Meccanismo di indirizzamento delle proteine al reticolo endoplasmatico rugoso (RER)

Una sequenza segnale di circa 20 amminoacidi idrofobici all'estremità N-terminale blocca temporaneamente la traduzione e guida il ribosoma a un recettore sul RER, dove la sintesi riprende riversando il polipeptide nel lume.

Segnale di localizzazione nucleare (NLS)

Sequenza amminoacidica specifica essenziale per permettere l'ingresso e l'importazione selettiva di una proteina nel nucleo cellulare.

Tre tipi principali di modificazioni post-traduzionali

1. Fosforilazione: aggiunta di gruppi fosfato che altera conformazione e attività proteica; 2. Glicosilazione: attacco di catene glucidiche per il riconoscimento e lo smistamento; 3. Taglio proteolitico: scissione della catena per ottenere la forma attiva ripiegata.

Causa genetica della mucolipidosi di tipo 2

Una mutazione impedisce agli enzimi dell'apparato di Golgi di attaccare gli zuccheri segnale necessari per indirizzare le idrolasi ai lisosomi, causando un accumulo mortale di macromolecole non scisse.

Mutazioni somatiche

Alterazioni del DNA che si verificano nelle cellule del corpo; si trasmettono per mitosi alle cellule figlie ma non vengono ereditate dalla prole generata per riproduzione sessuata.

Mutazioni nella linea germinale

Alterazioni genetiche che colpiscono i gameti o le cellule preposte alla loro produzione; con la fecondazione si trasmettono all'intero nuovo organismo e alla sua discendenza.

Mutazione silente

Modificazione della sequenza nucleotidica che non varia la sequenza amminoacidica (spesso per degenerazione del codice genetico) o che ricade in tratti non codificanti, lasciando invariata la funzione della proteina.

Mutazione con perdita di funzione

Danno a carico del DNA che determina la mancata espressione di un gene o la sintesi di una proteina non funzionante; negli organismi diploidi presenta quasi sempre eredità recessiva.

Mutazione con acquisto di funzione

Alterazione genica che produce una proteina dotata di una nuova attività o di una stimolazione anomala; mostra generalmente eredità dominante ed è frequente nello sviluppo dei tumori.

Mutanti condizionali

Organismi in cui il fenotipo anomalo si manifesta soltanto in condizioni ambientali restrittive (come specifiche temperature), mentre in condizioni permissive la proteina mantiene una funzione sufficiente.

Tre categorie di mutazioni su base strutturale

1. Puntiformi: interessano una singola coppia di basi o un solo gene; 2. Cromosomiche: alterazioni dell'orientamento o dell'integrità di un segmento di DNA; 3. Cariotipiche: variazioni nel numero complessivo di cromosomi.

Mutazioni puntiformi

Alterazioni genomiche circoscritte derivanti dall'aggiunta, delezione o sostituzione di una singola base nucleotidica.

Mutazione di senso (missense)

Sostituzione nucleotidica che trasforma una tripletta in modo da codificare un amminoacido diverso nella sequenza polipeptidica nascente.

Base molecolare dell'anemia falciforme

Sostituzione per mutazione di senso dell'acido glutammico con la valina in posizione $6$ della catena della beta-globina, che porta alla formazione di globuli rossi a falce negli omozigoti.

Mutazione non senso (nonsense)

Sostituzione di un nucleotide che trasforma un codone per un amminoacido in un codone di stop (UAA, UAG o UGA), determinando l'arresto prematuro della traduzione e una proteina tronca.

Mutazione per scorrimento della finestra di lettura (frameshift)

Inserimento o rimozione di un numero di nucleotidi non divisibile per $3$, che altera il raggruppamento delle triplette a valle e produce quasi sempre una proteina non funzionale.

Delezione cromosomica

Perdita irreversibile di un segmento di DNA dovuta alla rottura del cromosoma in due punti distinti e al ricongiungimento delle estremità esterne.

Duplicazione cromosomica

Presenza di una porzione ripetuta di cromosoma, che insorge spesso per rottura diseguale e scambio errato di frammenti tra cromosomi omologhi.

Inversione cromosomica

Distacco di un segmento di cromosoma a seguito di due rotture e suo reinserimento nello stesso punto dopo una rotazione di $180^\circ$.

Traslocazione reciproca

Scambio bidirezionale di segmenti di DNA che si verifica tra due cromosomi non omologhi.

Mutazioni cariotipiche

Alterazioni genomiche che si verificano quando un organismo presenta un numero di cromosomi in eccesso o in difetto rispetto al normale assetto della specie.

Euploidia aberrante

Condizione in cui un organismo presenta interi corredi cromosomici in più o in meno rispetto al numero normale.

Aneuploidia

Anomalia genomica in cui una singola porzione del corredo cromosomico, solitamente uno o più cromosomi, risulta in eccesso o in difetto.

Monosomia

Forma di aneuploidia caratterizzata dalla perdita di un singolo cromosoma da una specifica coppia di omologhi.

Trisomia

Forma di aneuploidia consistente nella presenza di un cromosoma soprannumerario in una determinata coppia di omologhi.

Sindrome di Down (trisomia $21$)

Aneuploidia derivante da non-disgiunzione meiotica o da traslocazione (spesso sul cromosoma $14$), associata a bassa statura, problemi cardiaci, respiratori e ritardo dello sviluppo.

Trisomie autosomiche letali nei primi mesi di vita

La sindrome di Patau (trisomia $13$) e la sindrome di Edwards (trisomia $18$).

Sindrome di Turner

Alterazione cromosomica con cariotipo $X0$, che origina femmine che non maturano sessualmente e mostrano spesso malformazioni scheletriche e degli organi interni.

Sindrome di Klinefelter

Aneuploidia causata da non-disgiunzione che porta alla nascita di maschi con cariotipo $XXY$, con anomalie nello sviluppo sessuale durante l'adolescenza ed eventuale ritardo mentale.

Mutazioni spontanee

Cambiamenti del materiale genetico che si verificano senza l'intervento di cause esterne, dovuti a imperfezioni fisiologiche dei dispositivi cellulari.

Mutazioni indotte

Modificazioni della sequenza nucleotidica provocate da fattori esterni alla cellula detti agenti mutageni.

Quattro cause cellulari delle mutazioni spontanee

1. Instabilità chimica e forme tautomeriche rare delle basi; 2. Reazioni chimiche spontanee (deaminazione); 3. Errori di replicazione della DNA polimerasi non corretti; 4. Errori meiotici di non-disgiunzione o rottura cromosomica.

Tautomeria rara delle basi azotate

Forma strutturale transitoria di una base azotata che ne altera i legami a idrogeno (ad esempio la citosina rara che si appaia con l'adenina), determinando mutazioni puntiformi alla duplicazione.

Deaminazione spontanea della citosina

Reazione chimica che converte la citosina in uracile, inducendo la DNA polimerasi a inserire un'adenina al successivo ciclo di duplicazione.

Aflatossina

Mutageno naturale prodotto dalla muffa Aspergillus che, metabolizzato dal reticolo endoplasmatico liscio dei mammiferi, si lega alla guanina inducendo mutazioni geniche.

Meccanismo mutageno dei nitriti

Conservanti alimentari convertiti dal reticolo endoplasmatico liscio in nitrosammine, sostanze chimiche ad alta azione mutagena.

Benzopirene

Idrocarburo cancerogeno e mutageno presente nel catrame, nei fumi esausti, nei cibi cotti alla brace e nel fumo di sigaretta.

Fenilchetonuria (PKU)

Malattia autosomica recessiva dovuta a mutazioni nel gene dell'enzima fenilalanina idrossilasi (PAH), che causa accumulo ematico di fenilalanina e acido fenilpiruvico con conseguente ritardo mentale.

Ipercolesterolemia familiare

Patologia autosomica codominante legata a mutazioni nel gene LDLR per il recettore delle LDL, responsabile di ipercolesterolemia e gravi complicanze cardiovascolari.

Fibrosi cistica

Malattia autosomica recessiva provocata da alterazioni del gene CFTR (canale per il cloro), causa di anomalie a livello respiratorio, digestivo e immunitario.

Distrofia muscolare di Duchenne

Patologia recessiva legata al cromosoma X determinata da mutazioni nel gene DMD per la distrofina, che induce progressiva debolezza muscolare.

Emofilia A

Condizione ereditaria recessiva legata al cromosoma X causata da mutazioni nel gene HEMA per il fattore VIII della coagulazione, comportante gravi emorragie prolungate.

Che cosa sono le mutazioni somatiche?

Sono mutazioni che avvengono nelle cellule del corpo e non vengono trasmesse alla discendenza.

Quali sono le due categorie di geni coinvolte nello sviluppo dei tumori?

Gli oncogeni, che stimolano la divisione cellulare, e i geni oncosoppressori, che la inibiscono.

Che cosa sono gli oncogeni?

Sono geni che, quando attivati in modo anomalo, stimolano eccessivamente la divisione cellulare e possono favorire la formazione di tumori.

Che cosa sono i geni oncosoppressori?

Sono geni che producono proteine capaci di frenare o bloccare la divisione cellulare, impedendo una proliferazione incontrollata.

Perché per sviluppare un tumore sono necessarie più mutazioni genetiche?

Perché devono accumularsi diverse alterazioni genetiche che coinvolgono oncogeni e geni oncosoppressori.

Qual è il primo evento nella formazione del tumore al colon?

La perdita del gene oncosoppressore APC, che porta alla formazione di un piccolo polipo.

Quale gene viene attivato dopo la formazione del polipo?

L'oncogene RAS, che favorisce la crescita del tumore benigno precanceroso.

Quale gene viene perso per favorire la formazione di un adenoma di classe 3?

Il gene oncosoppressore DCC.

Quale gene viene perso prima della formazione del carcinoma?

Il gene oncosoppressore p53.

Quali sono le fasi principali dello sviluppo del tumore al colon?

Perdita del gene APC e formazione di un polipo.

Attivazione dell'oncogene RAS.

Perdita del gene DCC e crescita dell'adenoma.

Perdita del gene p53.

Formazione del carcinoma.

Ulteriori mutazioni e possibile metastasi.

Che cosa sono le malattie multifattoriali?

Sono malattie causate dall'interazione tra più geni e uno o più fattori ambientali.

Quali fattori influenzano l'insorgenza di una malattia multifattoriale?

Il patrimonio genetico (genotipo) e i fattori ambientali, come alimentazione, stile di vita e agenti esterni.

Che cosa sono gli individui wild type?

Sono individui con caratteristiche genetiche considerate normali o tipiche della popolazione.

Che cosa sono gli individui mutanti?

Sono individui che presentano una o più variazioni genetiche rispetto alla forma considerata normale.

Perché la medicina molecolare studia le relazioni tra geni e ambiente?

Per comprendere le cause delle patologie, i meccanismi biologici e il ruolo del genoma umano.