Considerando la definizione di introni indicare il rapporto corretto in ogni gene tra il numero degli esoni e degli introni: a) Esoni= introni +1 b)

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3 Considerando la definizione di introni indicare il rapporto corretto in ogni gene tra il numero degli esoni e degli introni: a) Esoni= introni +1 b) Esoni=introni c) Esoni= introni 1 d) Esoni= 2 volte gli introni

4 Descrivete le possibili conseguenze nella traduzione del seguente mrna mutato rispetto a quello nativo 5 UUCCCAAUCACAUAAGUAGCC 3 RNA mutato 5 UUCCCAAUCACAUACGUAGCC 3 RNA nativo (codoni di stop UAG, UAA, UGA)

5 La polimerasi I è la polimerasi che trascrive: 1. Tutti gli RNA in procarioti 2. trna e 5S ribosomiali in eucarioti 3. Gli snrna e si trova nel nucleolo 4. Gli rrna e si trova nel nucleolo 5. Gli hnrna in eucarioti

6 RNA-POLIMERASI I Si trova nel nucleolo 1) Trascrive un filamento precursore 45S da cui vengono poi ritagliati i tre rrna: 28S, 18S, 5,8S. 2) Il DNA contenente i geni per gli rrna si trova nel nucleolo. 3) La trascrizione avviene nel nucleolo 4) Le proteine ribosomiali vengono prodotte nel citoplasma e successivamente rientrano nel nucleo e quindi nel nucleolo dove si assemblano con i rispettivi rrna per dare le due subunità ribosomiali. 1) La polimerasi I ha bisogno di 2 fattori trascrizionali generali (B ed S) per poter iniziare la trascrizione che si legano al promotore (da -100/-50 a +20). RNA-POLIMERASI III Si trova nel nucleo. 1) Trascrive i diversi trna e l' rrna 5S (unico ribosomiale non prodotto nel nucleolo dove poi migrerà). 2) La polimerasi III ha bisogno di fattori di trascrizione generali per iniziare (A,B,C per rrna 5S e B,C per i trna). 3) Le zone regolatrici di attacco dei fattori trascrizionali e RNA-polimerasi non sono a monte del trascritto ma a valle: Promotori Interni.

7 RNA-POLIMERASI II Si trova nel nucleo. 1) Trascrive RNA primari (hnrna) che successivamente verranno modificati (maturazione) per dare mrna funzionanti. 2) Per iniziare ha bisogno di fattori trascrizionali generali (D, B, F, E, H). 3) Tali fattori si legano ad una sequenza del promotore detta TATA BOX (- 40). Esistono anche a monte della TATA BOX sequenze ricche di CG e CAAT BOX.

8 Biologia 3/118 Le proteine si distinguono in SEMPLICI e CONIUGATE. Le proteine semplici sono formate solo da catene polipeptidiche, le coniugate presentano oltre alle catene polipeptidiche gruppi di natura non proteica (es. zuccheri, lipidi etc ). FUNZIONI DELLE PROTEINE Le proteine hanno le più svariate funzioni e la maggior parte di esse ha funzione enzimatica. ENZIMI Sono catalizzatori biologici di tutte le reazioni chimiche che avvengono negli esseri viventi. Sono in grado di accelerare reazioni che senza l'enzima avverrebbero a temperature, a ph e tempi incompatibili con la vita (es. 50 C, ph 9, formazione di una molecola ogni ora ). Gli enzimi sono estremamente specifici in quanto di solito ciascuno di essi catalizza un solo tipo di reazione. Esempio aminoacil-sintetasi permette di legare un determinato L-aminoacido al suo specifico trna.

9 PROTEINE STRUTTURALI Proteine della membrana cellulare, proteine del citoscheletro (es. actina), proteine della matrice extracellulare. PROTEINE DI TRASPORTO Es. emoglobina che trasporta ossigeno e anidride carbonica. PROTEINE CONTRATTILI Proteine che permettono il movimento muscolare. PROTEINE DI DIFESA Es. anticorpi che riconoscono e inattivano sostanze estranee dell'organismo (antigeni). FATTORI DI CRESCITA E ORMONI Regolano la crescita, il metabolismo e il differenziamento cellulare. PROTEINE DI LEGAME O RECETTORI Legano ormoni o fattori di crescita (interazione funzionale biologica). Biologia 3/119 TOSSINE Proteine tossiche che derivano dai processi di degradazione cellulare e che vengono eliminate nel sangue e nelle urine.

10 Corso integrato di Biologia e Genetica -Biologia- Biologia generale: Composizione chimica e struttura del DNA Replicazione del DNA: meccanismi molecolari Meccanismi di riparo del DNA Trascrizione degli RNA: meccanismi molecolari RNA messaggero e sua maturazione in eucarioti RNA ribosomale e ribosomi Struttura molecolare dei geni per le proteine Caratteristiche generali del codice genetico Traduzione: meccanismi molecolari Proteine: caratteristiche chimico-fisiche e struttura Facoltà di Medicina 2005/2006

11 Biologia Cellulare: Ciclo cellulare in eucarioti Proliferazione cellulare e meccanismi di controllo (fattori di crescita, recettori, oncogeni e oncosoppressori) Sviluppo e differenziamento in eucarioti pluricellulari e relativi meccanismi (geni omeotici) Analogie e differenze tra virus, procarioti ed eucarioti Facoltà di Medicina 2005/2006

12 Biologia 4/120 DIVISIONE CELLULARE Ogni cellula si riproduce portando avanti una sequenza ordinata di eventi in cui essa raddoppia i suoi componenti e poi si divide in due. Organismi unicellulari: (es. batteri ) ogni divisione cellulare produce un intero organismo nuovo. Organismi pluricellulari: la divisone cellulare riguarda sia le cellule somatiche che gametiche. Per le cellule somatiche la divisione cellulare prende il nome di mitosi, avviene durante lo sviluppo e il differenziamento dell'organismo e per alcuni tipi cellulari anche durante tutta la vita. Per le cellule gametiche (cellula uovo e spermatozoo) la divisione cellulare prende il nome di meiosi.

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14 Biologia 4/122 Cellula Procariotica La divisione cellulare è rapida e semplice. I batteri non hanno un nucleo e contengono un solo cromosoma di DNA circolare attaccato alla membrana plasmatica dove resta mentre si duplica. I due cromosomi si separano durante la crescita della cellula. Quando essa ha raggiunto dimensioni pressochè doppie, si divide per scissione semplice (scissione binaria).

15 TUTTE LE CELLULE SI RIPRODUCONO RIPRODUZIONE CELLULARE UNICELLULARI: Serve unicamente ad aumentare la numerosità degli individui, ossia come modalità di riproduzione dell organismo PLURICELLULARI: Svolge un ruolo importante nell accrescimento e nella rigenerazione.

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18 LA DIVISIONE CELLULARE COMPORTA LA DUPLICAZIONE DEL MATERIALE GENETICO CHE VIENE TRASMESSO ALLE CELLULE FIGLIE IN UGUAL QUANTITA

19 I PROCARIOTI HANNO UN UNICO CROMOSOMA CIRCOLARE

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21 Cellula Eucariotica Per gli eucarioti la divisione cellulare è assai più complessa: - il DNA è complessato con proteine e si organizza prima della divisione in strutture dette cromosomi - il citoplasma contiene un ampio corredo di organelli da distribuire equamente tra le cellule figlie La divisione cellulare (mitosi o meiosi) ha luogo quindi mediante una successione continua di eventi coordinati e sincroni che vengono chiamati ciclo cellulare. Biologia 4/123

22 NEL CICLO VITALE DI UNA CELLULA SI ALTERNA UN PERIODO NEL QUALE LA CELLULA NON SI DIVIDE (INTERFASE) ED UN PERIODO NEL QUALE LA CELLULA SI DIVIDE

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24 LA DUPLICAZIONE DI UNA CELLULA EUCARIOTICA CONTEMPLA LE SEGUENTI FASI: - LA REPLICAZIONE (= DUPLICAZIONE) DEL MATERIALE GENETICO ALL INTERNO DEL NUCLEO - IL TRASFERIMENTO E LA SEGREGAZIONE DEL MATERIALE GENETICO ALL INTERNO DEI DUE NUCLEI FIGLI (= MITOSI) - LA DIVISIONE DEL CITOPLASMA (= CITODIERESI)

25 PER TRASMETTERE AD OGNI CELLULA FIGLIA LA STESSA QUANTITA DI INFORMAZIONE GENETICA, NUOVO DNA DEVE ESSERE SINTETIZZATO LA REPLICAZIONE DEL DNA AVVIENE DURANTE L INTERFASE. E DEFINITA FASE S (SINTESI) IL PERIODO DELL INTERFASE DURANTE IL QUALE SI HA LA REPLICAZIONE DEL DNA. VIENE DEFINITA FASE G1 (DALL INGLESE GAP = INTERVALLO) IL PERIODO DEL CICLO CELLULARE CHE PRECEDE LA FASE S VIENE DEFINITA FASE G2 IL PERIODO DEL CICLO CELLULARE CHE SEGUE LA FASE S

26 DURANTE LA FASE G1 VENGONO SINTETIZZATI GLI ENZIMI NECESSARI ALLA REPLICAZIONE DEL DNA LA FASE G1 DETERMINA LA DURATA DEL CICLO CELLULARE CELLULE CHE NON SI DIVIDONO RIMANGONO FERME IN G1 DURANTE LA FASE G2 VIENE SINTETIZZATO IL MATERIALE NECESSARIO ALLA SUCCESSIVA DIVISIONE MITOTICA UNA CELLULA CHE ENTRA IN G2 E DESTINATA A DIVIDERSI

27 Biologia 4/125 CICLO CELLULARE MITOTICO Il ciclo cellulare prevede che le cellule generate da una mitosi inizino e completino il loro ciclo cellulare con la successiva mitosi. Il ciclo cellulare si divide in due periodi: l'interfase e la fase M. L'interfase rappresenta l'intervallo tra una fase M e la successiva e occupa una ampia parte del ciclo vitale. L'interfase viene suddivisa in tre stadi G1, S, G2. La fase M include la mitosi (divisione del materiale nucleare) e la citochinesi (divisione della cellula).

28 Biologia 4/126 Le cellule in base alla loro capacità di dividersi si suddividono in tre categorie: - cellule in continua divisione cellulare: cellule che rimangono in ciclo (es. epidermide) - cellule stabili: cellule che dopo la differenziazione escono dal ciclo ed entrano in una fase quiesciente detta GO dalla quale possono ritornare in ciclo se opportunamente stimolate (es. epatociti) - cellule perenni: cellule che dopo la differenziazione escono definitivamente dal ciclo entrando in una fase detta GZ (es. neuroni). (Esiste una correlazione negativa tra duplicazione e specializzazione ovvero in generale, più una cellula è specializzata meno andrà incontro a divisione).

29 Interfase La cellula entra dapprima in fase G1 (0-20 h). Durante la fase G1 la cellula raddoppia il suo volume, svolge le funzioni a lei deputate e nella tarda fase G1 replica i geni responsabili della duplicazione del DNA. Biologia 4/127 Fase S (6-8 h): durante la fase S la cellula duplica fedelmente il DNA e duplica i centrioli. Dopo la fase S la cellula entra nell'interfase G2 (3-4 h). Durante la G2 viene reclutata tubulina per il fuso, si sintetizzano e si attivano i fattori proteici necessari per la mitosi. Il DNA si condensa e si iniziano ad evidenziare i cromosomi. Fase M Tale fase dura 0,5-1h, dopo di che le due cellule che derivano dall'evento di divisione entrano nello stadio G1 dell'interfase successiva.

30 Biologia 4/128 Tutto il ciclo dura al massimo 30 h. La durata del ciclo dipende dal tipo di cellule e dalle funzioni che questa cellula deve svolgere. Le fasi S, G2,M, hanno tempi più costanti, differenti per diversi tipi cellulari; la fase G1 è la più variabile e dipende da condizionamenti esterni e in particolare da stimoli necessari per il proseguimento in fase

31 REGOLAZIONE DEL CICLO CELLULARE Biologia 4/129 Per il ciclo cellulare vale il concetto dell'unidirezionalità e dell'irreversibilità. Gli eventi del ciclo cellulare devono avvenire in una certa sequenza che va mantenuta, anche se una delle fasi si protrae più del previsto. Esistono pertanto dei freni molecolari capaci di arrestare il ciclo a vari posti di blocco, detti punti di controllo, che evitano il passaggio alla fase successiva se la precedente deve ancora concludersi. In G1 c'è un primo punto di controllo precoce che tiene conto della massa cellulare (dimensioni sotto la soglia critica), del rapporto ottimale N/C e delle condizioni del DNA. Tale punto di controllo arresta il sistema e non permette alla cellula di proseguire in G1 se non si verificano le precedenti condizioni o se il DNA è danneggiato.

32 Biologia 4/130 Superato il primo punto di controllo la cellula deve essere stimolata da fattori proteici esogeni e deve trovare condizioni ambientali opportune per progredire nel ciclo. Gli stimoli sono rappresentati in primo luogo da: fattori di crescita di competenza (PDGF, FGF..) che agiscono nella prima parte di G1(azione irreversibile) fattori di crescita di progressione (EGF, insulina ) che agiscono solo se preceduti da fattori di competenza. In culture cellulari è stato dimostrato che le cellule smettono di dividersi se manca loro lo spazio (inibizione da contatto); in questo caso diminuisce la sintesi proteica e la cellula smette di proliferare. Il ritmo della sintesi proteica è determinato anche da importanti trasformazioni del citoscheletro.

33 Un secondo punto di controllo è presente nella fase tardiva di G1, punto di restrizione (R), superato il quale la cellula è in grado di passare alla fase S. Biologia 4/131 Il punto R: è un punto di controllo superato il quale la cellula contrae l'impegno di andare verso la divisione e completerà il suo ciclo con i suoi specifici tempi, non più determinata dalle condizioni esterne. Un ultimo punto di controllo si ha nella parte finale di G2, dove la cellula si può fermare prima di entrare in mitosi. Questo controllo consente alla cellula di verificare se la replicazione è completa, il DNA è integro e le dimensioni cellulari superano la soglia critica.

34 2 punto di controllo G 0 = fase di non proliferazione o di differenziazione M G 2 G 1 S 1 punto di controllo = Punto di restrizione

35 Meccanismi molecolari di controllo Biologia 4/132 Il ritmo della divisione cellulare è controllato da meccanismi molecolari ancora non del tutto conosciuti che permettono ad una cellula di dividersi solo se sono necessarie altre cellule. Il sistema di controllo molecolare consiste principalmente in una serie di complessi proteici, ciascuno composto da una subunità regolatrice detta ciclina e una subunità catalitica detta protein chinasi ciclina-dipendente (cdk). Le cdk si legano ad una specifica ciclina formando un eterodimero (ciclina-cdk) in grado di fosforilare proteine bersaglio. Nelle cellule proliferanti le cdk persistono in tutte le fasi, tuttavia vengono attivate dalle cicline solo in momenti ben definiti del ciclo per essere disattivate rapidamente subito dopo per la degradazione della corrispondente ciclina. L'attivazione e la disattivazione di questi complessi regolano le transizioni G1 S, S G2, G2 M.

36 CDK = Kinasi Dipendente da Ciclina + Ciclina inattiva CDK inattiva Composto attivato Proteina substrato fosforilazione P P Proteina substrato Esempi di proteine substrato : lamine nella membrana nucleare, proteine istoniche, proteina Rb P P P Ciclina legata dalla ubiquitina e degradata nel proteasoma a livello del citoplama CDK inattiva

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38 Biologia 4/134 Tra i vari complessi che regolano i vari passaggi tra gli stadi del ciclo ricordiamo: - il complesso ciclina-cdk di fase S che induce la cellula ad entrare in fase S - MPF complesso ciclina-cdk mitotico che induce la cellula ad entrare in mitosi.

39 G 1 Ciclina D Cdk 4,6 Ciclina E Cdk 2 Rb E2F Proteina del retinoblastoma Fattore di trascrizione P P Rb P E2F P Ciclina A S Cdk 2 DNA DNA Viene indotta l espressione di geni i cui prodotti sono indispensabili per il passaggio alle fasi successive del ciclo cellulare Cicline A, B Cdc2=Cdk1 Ciclina B Cdc2=Cdk1 G 2 M

40 Ciclina D + Cdk 4,6 Rb E2F DNA Proteina del retinoblastoma non fosforilata Fattore di trascrizione che rimane legato a RB p15 p16 p18 p19 p27 p57 Viene impedita la trascrizione dei geni necessari per il passaggio alle fasi successive del ciclo cellulare che quindi subisce un blocco. p21 + Ciclina E + Cdk 2 Stimolo stressogeno, danno al DNA etc. p53

41 Biologia 4/135 Fattori Che Modificano Il Ciclo Cellulare Il ciclo cellulare è regolato da stimoli provenienti da fattori proteici esogeni. Tra questi ricordiamo gli ORMONI capaci di agire per via endocrina e i FATTORI DI CRESCITA capaci di agire per via endocrina, paracrina e/o autocrina (vedi fattori di competenza e progressione). Tutti i fattori che arrivano ad una cellula possono agire perché la cellula (cellula bersaglio) possiede RECETTORI specifici per determinati fattori. Es. Le cellule nervose presentano un recettore specifico per il fattore di crescita del nervo NGF capace di promuove la crescita degli assoni.

42 Tutti i recettori una volta legato il rispettivo ligando innescano una risposta cellulare che consiste nell'attivazione di protein Kinasi capaci di trasferire un gruppo P da ATP a proteine bersaglio che a loro volta si fosforilano. Biologia 4/136 RECETTORI 1) Glicoproteine di membrana che riconoscono ligandi (es. fattori di crescita: primi messaggeri). Posseggono un sito di riconoscimento extracellulare per il ligando e un sito intracellulare per la risposta cellulare.

43 Molecola stimolatrice Recettore di membrana Transduzione del segnale (ad es. attraverso il sistema delle MAPKinasi) NUCLEO Espressione dei geni per Cicline, CDK, fattori di trascrizione, enzimi per la sintesi di DNA etc.. Preparazione per la divisione cellulare

44 Biologia 4/137 Si distinguono tre tipi di recettori: A) recettori che possiedono attività chinasica B) recettori che attivano la via dell'amp ciclico C) recettori che attivano la via dell'inositolo e del diacilglicerolo

45 Biologia 4/138 2) recettori che si trovano all'interno della cellula che riconoscono ligandi di natura idrofobica (Vit.A,D, ormoni steroidei, tiroidei). Esplicano la loro attività direttamente nel nucleo. Posseggono: - un dominio per il ligando (es. ormone) - un dominio per il DNA (es. sequenza di riconoscimento sul DNA) - un dominio per un fattore proteico che lega il DNA (fattori di trascrizione specifici).

46 Apoptosi (morte cellulare programmata) Biologia 4/139 Il numero delle cellule di un determinato tessuto è regolato dalla proliferazione, dal differenziamento, dall'arresto della crescita e dalla morte cellulare. Infatti le cellule normalmente dopo circa generazioni perdono la capacità replicativa e vanno incontro alla morte cellulare programmata detta apoptosi. L'apoptosi è caratterizzata da frammentazione del nucleo e rottura del DNA in piccoli frammenti. Alla fine del processo il citoplasma con alcuni frammenti del nucleo inclusi forma i corpi apoptotici.

47 Biologia 4/140 Sono stati individuati alcuni geni che producono proteine che regolano il processo di apoptosi. Tali geni che promuovono l'arresto della crescita cellulare sono detti geni oncosoppressori (es. p53). Il processo apoptotico viene eseguito tra minuti mentre la decisione per la cellula di entrare in apoptosi può durare da pochi minuti ad alcune ore. L'apoptosi non deve essere confusa con la necrosi che è una morte non programmata ma accidentale. Quest'ultima provoca danneggiamento del tessuto ed è caratterizzata dalla dissoluzione di tutti gli organelli primi fra tutti i mitocondri.

48 Famiglie di geni i cui prodotti sono implicati nel controllo del ciclo cellulare PROTO-ONCOGENI: stimolano la proliferazione i loro prodotti possono essere: Fattori di crescita, Recettori di membrana, Molecole transduttrici del segnale, Fattori di trascrizione nucleari Nelle neoplasie essi sono alterati ONCOGENI. E sufficiente che l oncogene sia presente in 1 solo dei 2 alleli perché si evidenzi il fenotipo alterato (= eccesso di proliferazione cellulare). ONCOSOPPRESSORI: frenano la proliferazione i loro prodotti possono essere: proteine che bloccano i fattori di trascrizione (es. Rb), proteine che inibiscono l attività dei sistemi ciclina+cdk (es. p16), proteine (es. p53) che inibiscono la progressione del ciclo cellulare in modo indiretto (es. tramite induzione di inibitori delle CDK [p21/waf]). L assenza del controllo negativo sulla proliferazione si manifesta fenotipicamente solo quando l oncosoppressore è deleto o mutato in entrambi gli alleli. E quello che si verifica in molte neoplasie ( = eccesso di proliferazione cellulare per mancanza dell azione frenante dell oncosoppressore).

49 Biologia 4/141 In quale fase del ciclo cellulare agiscono i fattori di crescita di competenza: A) fase G1 precoce B) Fase G2 precoce C) Fase S D) Fase M

50 Biologia 4/142 Cosa sono i fattori di crescita: a) Sostanze vitaminiche b) Proteine necessarie per la proliferazione cellulare c) Fattori necessari all accrescimento della catena polipeptidica d) Condizioni ambientali che favoriscono la crescita di una popolazione e) Fattori necessari alla maturazione di una molecola di mrna

51 Biologia 4/143 Che cosa si intense per fase Gz? a) La fase del ciclo in cui si ritrovano cellule che hanno perso ogni capacità di ritornare in ciclo b) La fase del ciclo che precede le fasi G1 e G2 c) La fase in cui si ritrovano alcune cellule che possono ritornare in ciclo dopo opportuna stimolazione d) La fase del ciclo che precede la mitosi