Welcome in

Genomics1

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Welcome in “omics”

“omics” observation of large

data sets which can be made with high

throughput procedures

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“omics”genomics

proteomicstranscriptomics

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diagnosticomics

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Central Dogma of Molecular BiologyDNA -------------> RNA ------------> PROTEIN

Illustration provided by the National Human Genome Research Institute

The central dogma of molecular biology is based on the principle that the flow of genetic information travels from DNA to RNA and finally to the translation of PROTEINS.   DNA can self replicate in the nucleus of a cell by using one strand of the double helix as a template (this is true for eukaryotes, some organisms such as bacteria have no nucleus and as a result their DNA replicates in the cytoplasm of the single-celled organism).  The DNA also codes for mRNA (messenger RNA) in a process called transcription.  The structure of RNA is similar to that of DNA except that RNA exists as a single stranded unit with Uracil replacing the DNA counterpart Thymine.  The mRNA is then transported out of the nucleus and into the cytoplasm of eukaryotes were proteins are formed through a process called translation.  A series of 3 nucleotides, or codon, is responsible for coding one amino acid.  The amino acids are carried to the site of translation by transfer RNA (tRNA) Long chains of these 20 different amino acids form proteins.

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nel DNA B

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purina

purina

pirimidina

pirimidina

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purina

purina

pirimidina

pirimidina

T A

GC

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3.4 Å

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3.4 Å x 2.9 Gb = 0.986 m 12

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Caratteristiche delle principali forme di DNA

A-DNA B-DNA Z-DNA

Senso dell'elica destrorso destrorso sinistrorso

Unità ripetuta 1 bp 1 bp 2 bp

Rotazione/bp 33.6° 35.9° 60°/2bp

bp medie/giro 10.7 10.0 12

Inclinazione delle bp rispetto all'asse

+19° -1.2° -9°

Passo/bp lungo l'asse

2.3 Å 3.32 Å 3.8 Å

Passo/giro d'elica

24.6 Å 33.2 Å 45.6 Å

Propeller twist medio

+18° +16° 0°

Diametro 25.5 Å 23.7 Å 18.4 Å

ll DNA esiste in diversi tipi di conformazioni. Esse sono denominate A-DNA, B-DNA, C-DNA, D-DNA, E-DNA, H-DNA, L-DNA, P-DNA e Z-DNA. In ogni caso, solo le conformazioni A-DNA, B-DNA e Z-DNA sono state osservate nei sistemi biologici naturali. La conformazione del DNA può dipendere dalla sequenza, dal superavvolgimento, dalla presenza di modificazioni chimiche delle basi o dalle condizioni del solvente, come la concentrazione di ioni metallici. Di tali conformazioni, la conformazione B è la più frequente nelle condizioni standard delle cellule. Le due conformazioni alternative sono differenti dal punto di vista della geometria e delle dimensioni.La forma A è un'ampia spirale destrorsa (il solco minore è largo ma poco profondo, quello maggiore è più stretto e profondo), con un passo di 2,9 nm (circa 11bp) ed un diametro di 2,5 nm. Tale conformazione è presente in condizioni non fisiologiche, quando il DNA viene disidratato. In condizioni fisiologiche, questa conformazione caratterizza gli eteroduplex di DNA e RNA e i complessi formati dalle associazioni DNA-proteina.[51][52]

La conformazione Z è tipica invece delle sequenze che presentano modificazioni chimiche come la metilazione, e dei tratti di DNA ricchi di basi C e G. Essa assume un andamento sinistrorso, opposto rispetto alla conformazione B.[53] Ha un passo di 4,6 nm ed un diametro di 1,8 nm, il solco maggiore più superficiale e quello minore più stretto; deve il suo nome all'andamento a zig-zag che la caratterizza. Queste strutture inusuali possono essere riconosciute da specifiche Z-DNA-binding proteins, con conseguenze notevoli nella regolazione della trascrizione.

A B Z

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Interazione tra acidi nucleici e proteine

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Interazione tra acidi nucleici e proteine

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Dito a zinco

Interazione tra acidi nucleici e proteine

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Fermatura lampo a leucina

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Organizzazione del DNA all’interno della cellula

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Chromatin is the DNA-protein complex that constitutes chromosomes. The major protein component of chromatin is the nucleosome octamer.

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Acetilazione degli istoni = scompattamento

Deacetilazione degli istoni = compattamento

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Avvolgimenti e super-avvolgimenti del DNA delle cellule procariotiche

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In terms of the "3 kingdoms of Life", it looks as though the DNA in Eubacteria is negatively supercoiled, the DNA in Archaebacteria is positively supercoiled, and the DNA in eukaryotes is, on average, wrapped around proteins and not very supercoiled at all, except for small regions around actively transcribed gene

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Cromosoma di Escherichia coli

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Human Chromosomes This shows the 23 paired chromosomes of a human male. These little bundles of data carry all the genetic information needed to make a complete guy. This is how chromosomes look when they're not replicating -- so the DNA is tightly coiled. 38

An

alisi

gen

om

ich

e

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http://www.genomesonline.org/gold_statistics.htm

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http://www.genomesonline.org/gold_statistics.htm

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Aeropyrum pernix Agrobacterium tumefaciens Anabaena Anopheles gambiae Apis mellifera Aquifex aeolicus Arabidopsis thaliana Archaeoglobus fulgidus Ashbya gossypii Bacillus anthracis Bacillus cereus Bacillus halodurans Bacillus licheniformis Bacillus subtilis Bacteroides fragilis Bacteroides thetaiotaomicron Bartonella henselae Bartonella quintana Bdellovibrio bacteriovorus Bifidobacterium longum Blochmannia floridanus Bordetella bronchiseptica Bordetella parapertussis Bordetella pertussis Borrelia burgdorferi Bradyrhizobium japonicum Brucella melitensis Brucella suis Buchnera aphidicola Burkholderia mallei Burkholderia pseudomallei Caenorhabditis briggsae Caenorhabditis elegans Campylobacter jejuni Candida glabrata Canis familiaris Caulobacter crescentus Chlamydia muridarum Chlamydia trachomatis Chlamydophila caviae Chlamydophila pneumoniae Chlorobium tepidum Chromobacterium violaceum Ciona intestinalis Clostridium acetobutylicum Clostridium perfringens Clostridium tetani Corynebacterium diphtheriae Corynebacterium efficiens Coxiella burnetii Cryptosporidium hominis Cryptosporidium parvum Cyanidioschyzon merolae Debaryomyces hansenii Deinococcus radiodurans Desulfotalea psychrophila Desulfovibrio vulgaris Drosophila melanogaster Encephalitozoon cuniculi Enterococcus faecalis Erwinia carotovora

Escherichia coli Fusobacterium nucleatum Gallus gallus Geobacter sulfurreducens Gloeobacter violaceus Guillardia theta Haemophilus ducreyi Haemophilus influenzae Halobacterium Helicobacter hepaticus Helicobacter pylori Homo sapiens Kluyveromyces waltii Lactobacillus johnsonii Lactobacillus plantarum Legionella pneumophila Leifsonia xyli Lactococcus lactis Leptospira interrogans Listeria innocua Listeria monocytogenes Magnaporthe grisea Mannheimia succiniciproducens Mesoplasma florum Mesorhizobium loti Methanobacterium thermoautotrophicum Methanococcoides burtonii Methanococcus jannaschii Methanococcus maripaludis Methanogenium frigidum Methanopyrus kandleri Methanosarcina acetivorans Methanosarcina mazei Methylococcus capsulatus Mus musculus Mycobacterium bovis Mycobacterium leprae Mycobacterium paratuberculosis Mycobacterium tuberculosis Mycoplasma gallisepticum Mycoplasma genitalium Mycoplasma mycoides Mycoplasma penetrans Mycoplasma pneumoniae Mycoplasma pulmonis Mycoplasma mobile Nanoarchaeum equitans Neisseria meningitidis Neurospora crassa Nitrosomonas europaea Nocardia farcinica Oceanobacillus iheyensis Onions yellows phytoplasma Oryza sativa Pan troglodytes Pasteurella multocida Phanerochaete chrysosporium Photorhabdus luminescens Picrophilus torridus

Plasmodium falciparum Plasmodium yoelii yoelii Populus trichocarpa Porphyromonas gingivalis Prochlorococcus marinus Propionibacterium acnes Protochlamydia amoebophila Pseudomonas aeruginosa Pseudomonas putida Pseudomonas syringae Pyrobaculum aerophilum Pyrococcus abyssi Pyrococcus furiosus Pyrococcus horikoshii Pyrolobus fumarii Ralstonia solanacearum Rattus norvegicus Rhodopirellula baltica Rhodopseudomonas palustris Rickettsia conorii Rickettsia typhi Rickettsia prowazekii Rickettsia sibirica Saccharomyces cerevisiae Saccharopolyspora erythraea Salmonella enterica Salmonella typhimurium Schizosaccharomyces pombe Shewanella oneidensis Shigella flexneria Sinorhizobium meliloti Staphylococcus aureus Staphylococcus epidermidis Streptococcus agalactiae Streptococcus mutans Streptococcus pneumoniae Streptococcus pyogenes Streptococcus thermophilus Streptomyces avermitilis Streptomyces coelicolor Sulfolobus solfataricus Sulfolobus tokodaii Synechococcus Synechocystis Takifugu rubripes Tetraodon nigroviridis Thalassiosira pseudonana Thermoanaerobacter tengcongensis Thermoplasma acidophilum Thermoplasma volcanium Thermosynechococcus elongatus Thermotagoa maritima Thermus thermophilus Treponema denticola Treponema pallidum Tropheryma whipplei Ureaplasma urealyticum Vibrio cholerae

Ad oggi conosciamo il genoma completo di quasi 2000 specie del regno animale e vegetale

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nucleotidi

Il codice a barre della natura

Che c’è? Non hai mai visto un codice a barre?

Il DNA barcoding è una metodica molecolare sviluppata per l'identificazione di identità biologiche, che si basa sull'analisi della variabilità di un marcatore molecolare. Nel mondo animale, i cosiddetti metazoi, il marcatore principalmente utilizzato è un frammento del gene mitocondriale, codificante la subunità I della citocromo ossidasi, coxI.

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The UK MRC funds the Fugu Genomics Group at the HGMP-RC, as part of its commitment to comparative mapping and sequencing of vertebrate genomes. The group, headed by Greg Elgar, is involved in a number of projects geared towards understanding sequence data generated by the human genome project. Fugu rubripes (the Japanese puffer fish) is particularly suited to this kind of analysis because whilst its 400Mb genome is eight times smaller than human's, it has a similar repertoire of genes. These genome characteristics along with the large evolutionary distance between bony fish and mammals make Fugu a useful tool for studying gene evolution. See Elgar et al., 1999 for further details. Please use the links in the navigation bars at the bottom of this webpage to access areas of the website.

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Adenina (A) Citosina (C)Guanina (G)Timina (T)

frammento di DNA

--ATGCGTACTGGTACTAAATGCGTACTGG----TAGCCATGACCATGATTTAGCCATGACC--

le 4 basi componenti la doppia elica del DNA

Genoma umano: 3 miliardi di coppie di basi in 46

cromosomiGenoma umano:

2 metri di DNA suddiviso in 46 cromosomi

contenuti in ciascuno dei nostri 50.000 miliardi di

cellule

Genoma suino: 2,7 miliardi di coppie di basi in 38

cromosomi49

The only cells which lack DNA are the mature red blood cells (erythrocytes). This is because they lack a nucleus, which is where the DNA is found in other cells. Red blood cells also lack mitochondria which themselves have DNA. Therefore they not only lack nuclear DNA, but mitochondrial DNA as well. 

--ATGCGTACTGGTACTAAATGCGTACTGG----TAGCCATGACCATGATTTAGCCATGACC--

Mappatura del genoma umano(6 aprile 2000) = decodifica della

sequenza dei 3 miliardi di coppie di basi ed individuazione dei geni

gene = istruzione per costruire le molecole della vita (le

proteine) Genoma umano: 3 miliardi di

coppie di basi in 46 cromosomi

Genoma suino: 2,7 miliardi di coppie di basi in 38

cromosomi

1,2 miliardi di coppie di basi

fritillaria130 miliardi di paia di basi in 36 cromosomi50

--ATGCGTACTGGTACTAAATGCGTACTGG----TAGCCATGACCATGATTTAGCCATGACC--

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--ATGCGTACTGGTACTAAATGCGTACTGG----TAGCCATGACCATGATTTAGCCATGACC--

mappatura dei

microsatelliti microsatelliti: sequenze ripetute da 10 a 100 volte di DNA (privo di geni) costituite da unità di ripetizione molto corte (1-5 bp)

CAGT

2 bp ripetute 8 volte

I microsatelliti sono utilizzabili come marcatori molecolari 52

--ATGCGTACTGGTACTAAATGCGTACTGG----TAGCCATGACCATGATTTAGCCATGACC--

mappatura dei

microsatelliti

http://www.koshland-science-museum.org/exhibitdna/crim02.jsp

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--ATGCGTACTGGTACTAAATGCGTACTGG----TAGCCATGACCATGATTTAGCCATGACC--

mappatura dei

microsatelliti

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Biotecnologie - Ingegneria molecolare a DNA

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