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Giovanni Paolella » 1.Genomi: organizzazione e complessità


Biotecnologie cellulari e molecolari

Genomi: organizzazione e complessità

Prof. Giovanni Paolella

Dott. Leandra Sepe

Genomi: organizzazione e complessità

Argomenti della lezione

  • Genomi sequenziati
  • Genomi in corso di sequenziamento
  • Quanti e quanto grandi sono i genomi
  • Complessità dei genomi
  • Architettura dei genomi eucariotici
  • Evoluzione dei genomi
  • Il fenomeno di trasferimento genico laterale

Genomi sequenziati

Ensembl dà accesso ad una collezione di genomi il cui sequenziamento ha raggiunto un livello adeguato di copertura. I frammenti derivati dal sequenziamento vengono assemblati, annotati e resi disponibili sotto forma di genomi. I genomi completi sono organizzati in cromosomi, quelli incompleti vengono strutturati in scaffolds, cioè contigs di dimensioni piuttosto grandi, ma inferiori a quelle di un cromosoma. Puoi vedere i genomi correntemente annotati sul sito Ensembl, cercando nella pagina principale.

Attività -> Vai al sito Ensembl: quanti genomi sono disponibili oggi? Al momento della preparazione del corso c’erano 21 genomi di mammiferi 9 di altri cordati e 5 di altri eucarioti.

Genomi in corso di sequenziamento

Progetti di sequenziamento

  • I progetti di sequenziamento genomico si sono inizialmente concentrati su genomi piccoli (Haemophilus influenzae, 1.8 milioni di basi) o di particolare interesse scientifico (S. Cerevisiae e C. Elegans sono tra i primi genomi eucarioti sequenziati).
  • I progetti di sequenziamento già conclusi o in corso riguardano sia organismi procarioti che eucarioti. Il numero di genomi sequenziati è rapidamente salito, e oggi è disponibile una collezione di genomi sequenziati al sito Genomesonline.

Article genomes online

Genomi in corso di sequenziamento

Attività

Andando al sito Genomesonline, guarda i genomi sequenziati e valuta il rapporto tra genomi eucariotici e procariotici e la selezione di specie all’interno di gruppi omogenei. Confronta anche la selezione di genomi presenti in ENSEMBL con il totale di quelli sequenziati.

Valuta inoltre il ruolo di:

  • Interesse scientifico per genomi di organismi modello.
  • Aspetti medici, relativi al ruolo in patologia.
  • Uso in ambito agrario e nell’industria agro-alimentare.
  • Implicazioni di natura ecologica e ambientale.

Article genomes online

Quanti e quanto grandi sono i genomi ?

  • Categorie di genomi: lo studio dei genomi richiede la scelta di genomi rappresentativi di categorie specifiche; procarioti, eucarioti semplici, insetti, vertebrati, piante hanno in genere caratteristiche diverse che corrispondono alle modalità con cui l’informazione viene conservata e utilizzata.
  • Dimensione dei genomi: la dimensione dei genomi è grossolanamente proporzionale alla posizione nella scala evolutiva, con genomi via via crescenti dai batteri agli eucarioti superiori. Esistono tuttavia eccezioni.

Dimensione dei genomi

La dimensione di un genoma dipende da:

  • Poliploidia: i genomi eucariotici sono spesso diploidi, tuttavia esistono organismi e cellule aploidi o con grado di ploidia maggiore di due; questo risulta in aumentata ridondanza più che in un aumento dell’informazione. Per favorire il confronto tra specie diverse si usa il C-value che corrisponde alla quantita’ di DNA di un genoma aploide espressa in pg.
  • Frazione di contenuto informazionale: anche in un genoma aploide, oltre alle regioni codificanti per mRNA e per altri tipi di RNA, esistono larghe zone di sequenze ripetute in tandem o comunque a più basso contenuto informativo.

Genome size DB

Attività:

  • Nel sito Genomesize trova il contenuto in DNA per le seguenti specie: uomo, alligatore, riccio di mare, ape. Commenta il risultato.
  • Nel sito trovi anche la possibilità di analizzare gruppi di specie vicine. Prova a vedere i dati su pesci mammiferi, rettili, insetti. Che variabilità hanno all’interno dei gruppi?
  • Nello stesso sito, nel link statistics, trovi un grafico dove sono riportati i genomi di varie specie come range di dimensione. Confronta le dimensioni, quale ti sembra fuori tendenza? Come ti spieghi questa cosa? Risposte su link ….

Complessità dei genomi

Effetto ipercromico

  • La denaturazione del DNA rende le basi più accessibili e provoca un aumento della assorbanza a 260 nm. Questo effetto può essere utilizzato per seguire la denaturazione, valutando la frazione di DNA denaturato come incremento di assorbanza.

% di GC e temperatura di melting

  • Le coppie GC, formando 3 legami idrogeno, conferiscono stabilità alla doppia elica in misura maggiore delle coppie AT. Per questo motivo la temperatura di melting risulta più alta in funzione della quota di GC.
Effetto ipercromico

Effetto ipercromico

Profili di melting per diversi contenuti di GC

Profili di melting per diversi contenuti di GC


Complessità dei genomi

Curve di rinaturazione

  • La rinaturazione può essere seguita allo stesso modo mediante valutazione di assorbanza in funzione del tempo. Poichè la reazione è bimolecolare, bisogna tenere conto anche della concentrazione. Tipicamente i risultati sono rappresentati in funzione di Cot, cioè il prodotto della concentrazione per il tempo.
  • Il Cot 1/2 è definito come il valore di Cot per cui metà del DNA è rinaturato.

Complessità dei genomi

Rinaturazione di DNA genomico umano
Il profilo di rinaturazione di DNA genomico umano non ha un andamento sigmoide semplice come quello descritto in precedenza, indice della presenza di componenti di caratteristiche non omogenee (fig.1).

Combinazione di 2 curve
La concomitante rinaturazione di due DNA di differenti caratteristiche puo’ essere descritta da una curva piu’ complessa, nella quale e’ possibile vedere due fasi successive di rinaturazione, se i rispettivi Cot 1/2 sono sufficientemente lontani (fig.2)

Rinaturazione di DNA genomico umano

Rinaturazione di DNA genomico umano

Curve di denaturazione

Curve di denaturazione


Complessità dei genomi

Rinaturazione di DNA genomico umano

La rinaturazione di un DNA genomico umano puo’ essere approssimata dalla combinazione di tre curve di rinaturazione (figura), corrispondenti a tre componenti, una lenta, una intermedia e una veloce. Le tre curve corrispondono ai profili di rinaturazione rispettivamente del DNA a copia singola, delle sequenze ripetitive di tipo ALU e del DNA satellite. Il DNA genomico e’ naturalmente piu’ complesso a causa dell’esistenza di ulteriori componenti, ma la combinazione descritta rappresenta una approssimazione accettabile della curva determinata sperimentalmente.

Rinaturazione di DNA genomico umano

Rinaturazione di DNA genomico umano


Architettura dei genomi eucariotici

Organizzazione dei genomi – visione di insieme

L’organizzazione dei genomi e’ piuttosto variabile. Nel genoma umano la maggior parte della sequenza (>90%) non e’ codificante, mentre in lievito e in E.Coli il grado di compattazione dei geni e’ piuttosto elevato, con solo il 10% di regioni non corrispondenti a open reading frames (ORF). Negli insetti la situazione e’ intermedia, mentre in piante, come zea mays, e’ molto frequente osservare larghe regioni ripetute con scarso contenuto informativo, con dimensioni totali spesso superiori a quelle dei genomi di vertebrati (vedi sito genomesize )

Anatomia dei genomi

Comparazione di genomi

Architettura dei genomi eucariotici

Organizzazione del genoma umano

Il cariotipo umano è costituito da 46 cromosomi, ciascuno composto di regioni contenenti geni e di elementi strutturali coinvolti nella replicazione e divisione del patrimonio genetico, come telomeri, centromeri, origini di replicazione etc.
I geni sono distribuiti in maniera diffusa, ma talvolta geni relati si ritrovano riuniti in una stessa regione, come le globine.
Vari tipi di sequenze ripetitive sono classificate sulla base della frequenza e della dimensione, oltre che del tipo di ripetizione.

Il genoma umano

DB di sequenze ripetute

Architettura dei genomi eucariotici

Genoma di organelli

Mitocondri e cloroplasti hanno elementi in comune con i genomi procariotici, pur essendo tipicamente molto più piccoli. I geni sono disposti di seguito, con spazi intergenici minimi, talvolta sovrapposti. Il numero totale di geni è comunque ridotto, con molte funzioni anche essenziali trasferite sul genoma cellulare. Mitocondri di specie diverse hanno genomi che variano anche significativamente di dimensioni.

Il database Gobase contiene una raccolta di genomi di organelli.

Genomi di organelli

Architettura dei genomi procariotici

L’organizzazione dei genomi batterici

  • I genomi procariotici sono compatti, di dimensioni variabili da un minimo di 400 kb a circa 10 Mb. Le regioni codificanti sono raggruppate in operon, separate da piccole regioni non codificanti.
  • Tipicamente il genoma è costituito da un unico cromosoma circolare, ma esistono genomi lineari e composti da piè catene di DNA; in alcune specie sono presenti plasmidi extracromosomiali.
  • Complessivamente il DNA non codificante è intorno al 10%, distribuito in un gran numero di regioni spaziatrici.

Anatomia dei genomi procarioti

DB di genomi batterici

Architettura dei genomi procariotici

L’organizzazione del genoma di E. Coli

  • Il genoma di E. Coli K12 è costituito da circa 600 operon, situati su una unica molecola di DNA circolare di 4.64 Mb.
  • I geni sono localizzati a stretto contatto tra loro, lasciando solo piccole aree non codificanti come spaziatori.
  • Una varietà di sequenze ripetute è presente nelle regioni non codificanti, ma anche in quelle codificanti.
  • La struttura del cromosoma di E. Coli mostra ben visibili le caratteristiche indicate.

Evoluzione di genomi

  • Il confronto fra genomi batterici viene tipicamente usato anche per lo studio di rapporti evolutivi e per la definizione di specie.
  • Nei procarioti il flusso di informazione in verticale si associa ad un importante flusso di trasferimento genico orizzontale tra individui della stessa specie o di specie similari, che limita l’affidabilità della comparazione nella definizione degli alberi evolutivi.
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