Genomica

1. Genomica Andrea G. B. Tettamanzi

2. Genomica e riconoscimento dei geni Problema: come “leggere” il genoma? nucleotidi lettere codoni parole geni paragrafi cromosomi libri genoma enciclopedia

3. 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.

4. Struttura di un gene nei procarioti operatore promotore terminatore Traduzione (mRNA -> Proteina) Open Readin Frame (ORF) Trascrizione (DNA -> mRNA) 1

5. Promotori e operatori (E. coli)

6. 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

7. 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

8. 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

9. Il genoma degli eucarioti • Eccezionalmente più complesso • Organismi multicellulari, differenziazione cellulare • Enormi quantità di DNA “spazzatura”

10. 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%!

11. 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

12. 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)

13. 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

14. 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

15. 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

16. Analisi dell’espressione genica • DNA Microarray Technology