Conversione Genica , Funzioni GENI Duplicati, Inizio GENI HOX 19-10 PDF

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Conversione genica :nella figura è mostrata la conversione genica tra porzioni omologhe ma il meccanismo è lo stesso anche quando non sono appaiati correttamente e abbiamo conversione tra porzioni non omologhe. vediamo che c'è uno scambio tra il filamento giallo e quello blu, se i due filamenti non sono complementari; intervengono meccanismi di riparazione del DNA ,per cui il pezzo blu viene sostituito dal complementare giallo. il risultato è che un prodotto rimane uguale ,l'altro avrà una porzione copiata dalla sequenza donatrice. NON c'è stato uno scambio reciproco. abbiamo detto che una famiglia genica è dovuta a crossing over ineguale. Per esempio nella figura21.13 (sotto) abbiamo una famiglia con 3 geni funzionali MHCclasse 1 e 4 pseudogeni :

abbiamo geni a tandem e pseudogeni (ovvero geni non funzionali che hanno origine comune), nei pseudogeni si possono accumulare mutazioni e diventare FONTE DI MATERIALE PER CONVERSIONI GENICHE , queste hanno uguale origine con i geni funzionali quindi possono creare appaiamenti errati,nei quali lo pseudogene viene appaiato in modo sbagliato a un gene funzionale, può esserci conversione e quindi le mutazioni che si erano accumulate nello pseudogene ,le ritroviamo nel gene. Perciò gli pseudogeni sono FONTE DI MATERIALE ALTERNATIVO con mutazioni che nella maggior parte dei casiporteranno a qualcosa di non vitale ,ma in altri casi invece (rari) queste modifiche di ultraconversione genica può portare i geni a svolgere nuove funzioni oppure a svolgere meglio quello che facevano prima. I MECCANISMI CHE ROVOCANO LA DUPLICAZIONE DEI GENI SONO :(vedi figura3 sotto) 1. retrotrasposizione per trascrittasi 2. crossingover ineguale

3. slittamento durante la duplicazione (duplicazione tra seq non omologhe),infatti durante la duplicazione sul filamento nascente può formarsi un ansa (a causa delle seq.ripetute) e si ottiene un blocco in più (un blocco duplicato sul filamento) .

(la figura sopra 12.2)ci mostra che geni diversi condividono gli stessi esoni.la tipologia degli esoni è data dai diversi colori dei rettangolini.(leggi didascalia sotto la figura

quindi da qui possiamo capire che quando viene duplicato un esone NON è detto che questo dopo essere stato duplicato e trasferito da un gene all'altro funzioni correttamente. Perchè dipende tutto da come sono posti gli esoni (vicino a quale tipo di introne si trova).se sono in fase1o2, non si genere un aminoacido, non rimane una giusta cornice di letture. Quindi NON E' DETTO CHE QUANDO L'ESONE VIENE TRASFERITO, SIA RISPETTATA LA GIUSTA CORNICE DI LETTURA.

Qui vediamo che : u gene sei duplica, e ne abbiamo 2 ,uno si modifica lentamente ed è il gene che mantiene la funzione originaria, perchè si evolve lentamente?si evolve lentamente non perchè le mutazioni avvengano con una frequenza più bassa MA PERCHE C'E UNA PRESSIONE SELETTIVA MAGGIORE,ovvero

sono poche le mutazioni che possono essere mantenute ,la maggior parte delle mutazioni portano a cambiamenti della proteina e a proteine non funzionali,perciò vengono perse in quando sono NON VITALI. All'altro gene gli è permesso una variazione più rapida ,perchè c'è l'altro gene che svolge la funzione originale e di conseguenza le mutazioni possono accumularsi; nella maggior parte dei casi queste mutazioni portano a nessuna funzione e diventa uno PSEUDOGENE, raramente assume una nuova funzione correlata all'originale. Qui vediamo che : ogni linea è un individuo. L'individuo cerchiato in rosso ha subito una duplicazione questa duplicazione può essere eliminata oppure può fissarsi nella polazione e quindi sempre più individui hanno quel gene duplicato, e infine nel corso delle generazioni, tutta la popolazione avrà il gene duplicato.

le 2 sono 2 possibili promotori presenti fin dall'origine perchè?perchè il gene svolgeva 2 funzioni fin dall'origine ,quindi a seconda della funzione veniva attivato l'uno o l'altro gene;oppure in un tessuto era più espresso il promotore verde e in un altro era più espresso il promotore rosa. QUINDI: il gene svolgeva o la stesa funzione in ue tessuti diversi oppure aveva 2 funzioni diverse. inoltre possono accadere 4 casi , il NUOVOGENE : 1. viene degradato 2. svolgerà una nuova funzione 3. subfunzionalizzazione, se il gene prima svolgeva 2 funzioni, ora i geni duplicati si suddividono queste funzioni,uno perderà il promotore rosa, l'altro perderà il promotore verde.ciò porta a un VANTAGGIO in quanto il gene può SPECIALIZZARSI, perchè ora ha una sola funzione. 4. entrambi i geni svolgeranno la stessa funzione che corrisponde a quella d'origine,, ma questo avviene raramente perchè? perchè il prodotto genico a volte porta a maggiore produzione di molecole che possono essere innocue o no. se duplichiamo tutto il genoma le conseguenze sono

MENO NEGATIVE perchè i rapporti stechiometrici sono mantenuti, questo è il motivo per cui le malattie dovute a trisomie sono poche,perchè negli altri casi l'embrione non è vitale. esempio:albero evolutivo globine

dalla figura notiamo che dalla globina ancestrale si è originata 550 milioni di anni fa la NEUROGLOBINA (quella più divergente rispetto all'attuale), poi 500milioni di anni fa la CITOGLOBINA e cosi via. Le alfa e le beta globine hanno subito ulteriori duplicazione .Tutti questi geni sono tra loro PARALOGHI.

Questa figura ci fa vedere come si sono evolute le beta globine nei diversi organismi.

Da un gene se ne formano 2 ,nei marsupiali ne sono rimasti due e cosi via...(leggi didascalia)

in questa figura vediamo la posizione degli introni. si nota che in tutte le globine abbiamo due introni nella posizione 30/31 e una nella posizione 105/106. nella neuroglobina ne abbiamo una in più (67/68) (ne ha una in più perchè si è distaccata prima ed come abbiamo detto è quella più divergente rispetto alle attuali ma la più rappresentativa di quella ancestrale.) Dal mantenimento della posizioni degli introni si nota che c'è un ORIGINE IN COMUNE.

Quando si duplica l'intero genoma , tutti i geni sono presenti ,il nostro genoma è il frutto di 2 duplicazioni successiva ma guardandolo ora non sembrerebbe, questo perchè il Dna si duplica e certi geni rimangono altri vanno persi. il numero dei geni è simile a quello originale, saranno pochi i geni nuovi .Inoltre i geni si fondono(come abbiamo visto per il cromosoma 2).

esempio di neofunzionalizzazione. abbiamo il gene 1 avviene un cambiamento climatico (E) e una duplicazione, la diffusione del 2 gene avviene lentamente poi avviene una mutazione al 2 gene che porta quel gene ad assumere una nuova funzione utile per il cambiamento climatico avvenuto, quindi si diffonde velocemente.

esempi di subfunzionalizzazione: B)il gene 1(ha 2 funzioni) , e subisce una mutazione e si duplica, poi entambi i geni subiscono una mutazione e ognuno dei geni avrà una funzione.

C)il gene 1 subisce na mutazione si duplica, poi SOLO il gene due subisce una seconda mutazione ,e ognuno dei geni avrà una funzione.

esempio di dosaggio selettivo:il gene uno a causa di un cambiamento climatico si duplica, entrambi i geni avranno uguale funzione.

RICORDIAMO CHE LE MUTAZIONI POSSONO ESSERE: 1. VANTAGGIOSE 2. NOCIVE 3. NEUTRE

I pallini rappresentano i prodotti genici mentre le linee rappresentano le interazioni tra queste proteine e domini tra loro, quando si duplica il genoma , e interazioni il collegamento diventa ridondante, si creano molti più collegamenti rispetto all'origine, ma dopo un pò queste vengono perse e alla fine se ne mantengono quelli vecchi e alcuni nuovi. si torna ad un numero simile all'originale . questo è un esempio delle vie biosintetiche per alanina e isoleucina fa vedere che l'ultimo enzima, e stato duplicato e quindi si è specializzato. Questo è un altro esempio:Gene per recettore per aldosterone e cortisolo.

in pratica, in questo punto dell'albero vediamo da una parte tetrapod /teleost /e squali ;vediamo che una linea rossa calcato a linea blu, ciò significa che il gene svolgeva 2 funzioni sia come recettore per l'aldosteroe che come recettore per cortisolo. teniamo conto però che l'aldosterone c'è solo nei tetrapodi, quindi in realtà era in grado di svolgere anche in altri organismi questa funzione (di recettore per aldosterone) ma negli altri organismi non serviva). Ad un certo punto si ha una subfunzionalizzazione, il gene si duplica e si specializzano, uno sarò il recettore per cortisolo, l'altro per l'aldosterone.

Questo è un altro esempio, abbiamo 2 lieviti, K.Lactis, e Saccaromices cerevisae.

il K.Lactis rappresenta quela che era la situazione ancestrale anche del saccaromycessolo che nel Lactis è rimasta quella mentre nel saccaromyces si è evoluta. si parla di un gene GAL 1 che serve per il metabolismo del GALATTOSIO. questo gene viene trascritto in MODO COSTITUTIVO, ovvero viene prodotto sempre un pò di prodotto,poi ci sono altre due proteine :GAL 80 e GAL 4, UNO è UN REPRESSORE L'ALTRO è INVECE E UNA PROTEINA CHE SI LEGA AL PROMOTORE PER PROMUOVERE LA TRASCRIZIONE.(GAL80 è IL REPRESSORE). VEDIAMO CHE gAL 4 viene bloccato DA GAL80, ad un certo punto arriva il galattosio(esagoni bianchi), cosa succede? queste proteine che erano state prodotte da gal 1 si legano al galattosio e questo legame permette anche il legame di gal1 con gal 80 , quindi gal80 leg a galattosio e gal1 viene sottratto da gal 4, e a questo punto gal 4 può interagire con il promotore e la polimerasi e può promuovere la trascrizione. Conclusioni:questo gene svolge 2 funzioni, perchè deve produrre GAL 1 che interagisce con galattosio ma nello stesso tempo deve svolgere anche questa funzione di controllo su Gal 80 (il repressore). vediamo cosa è successo nel sacacaromyces, è avvenuta una duplicazione di stesso gene e abbiamo due Geni :Gal 1 E Gal 3 . Gal 1 non funziona non è costitutivo, mentre GAL 3 è COSTITUTIVO e produce GAL 3 , IL RUOLO CHE PRIMA SVOLGEVA gAL 1 è adesso svolto da gAL 3 .arriva il galattosio gal 3 si lega a galattosio e lega gal 80 a questo punto gal 4 è libero ma gal 4 non va a interagire con gal 3 ma interagisce con gal 1 e attivano il gene che trascrive molto. qual'è il vantaggio? gal 3 si è specializzato per produrre poco mentre gal 1 si è specializzat per produrre molto. quindi questa subfunzionalizzazione porta a una specializzazione dei geni che quindi fanno meglio il loro lavoro.

Questa immagine è un esempio di duplicazione dell'intero genoma. vediamo che in b)dopo che il genoma si è duplicato si sono formati il doppio dei trimeri ma i rapporti stechiometrici sono uguali. in c vediamo che si è duplicato solo il gene B, questo ha portato a formazione di due trimeri e altri prodotti (dimeri) mentre in d si è duplicato A, e avremo 4 trimeri e 8 geni A questi geni singoli A potrebbero essere nocivi ma la situazione più nociva e la C perche abbiamo solo 2 prodotti (trimeri)funzionali e molti (dimeri)nocivi. questo perchè i rapporti stechiometrici si sono modificati, e modificarli porta sempre PROBLEMI.

Geni HOX questa è una famiglia genicha che ha avuto molto sucesso, ha subito mutazioni embrionali importanti.Hanno un omeodominio (che lega il DNA) molto CONSERVATO. Sono stati studiati per la prima volta in DROSOPHILA e controlla lo sviluppo dell'asse antero-posteriore. in questi, insetti, ogni pezzo si sviluppa in modo a sè stante (dischi immaginali).l'embrione può essere diviso in diversi segmenti che portano a formazione di :TESTA, TORACE , E ADDOME .

il citoplasma materno ha un gradiente che fa esprimere in modo diverso alcuni geni , come la proteina HUNCHBACK, questa è maggiormente espressa nella parte anteriore e diminuisce gradualmente in quella posteriore, questa proteina controlla i geni GAP, questi a loro volta controllano i geni pair rule, questi i geni segment polarity e omeotici

Studiando la storia evolutiva dei geni omeotici (prima gli studi si basavano solo sulla loro funzione ) si è visto che altri geni come gap svolgono funzioni diversi ma anche questi sono omeotici . I GENI HOX controllano: 1. l'asse antero posteriore 2. sono espressi durante lo sviluppo embrionale 3. sono espressi in ordine in base alla loro posizione,(prima in queli anteriori poi n quelli posteriori)quindi ordine del cluster e uguale all'ordine nei segmenti embrionali. c'è colinearita temporale e spaziale per quando riguarda la loro espressione. Nei Drosofila abbiamo 2 coplessi : ANTENNAPEDIA E BITHORAX (all'inizio era un unico complesso) si è visto che modificando i livelli di espressione dei vari geni si ottenevano organismi strani

COME SI E' EVOLUTA QUESTA FAMIGLIA?

LA LINEA NERA INDICA STESSO CLUSTER. Vediamo :geni viola (anteriori) verdi e gialli (centrali ) e bianchi ( posteriori) ; questo andamento è presente in tutti gli organismi, ciò che cambia è il numero dei geni. ciò è una prova del fatto che il DNA dell'uomo derivi da 2 duplicazioni dell'intero genoma. Perchè si sono mantenuti? perchè erano utili. Negli cnidari, (organismi a simmetria raggiata, e che quindi non hanno asse antero-posteriore) vediamo la presenza dei geni hox anteriori ( solo viola) perchè? cos significa? ciò significa che a differenza di come si pensava, la simmetria raggiata deriva da quella bilaterale. i placozoa (spugne ) hanno geni PARAHOX ma NON hanno geni HOX . Come possiamo spiegarci questa cosa? sono state fatte due ipotesi :

1IPOTESI: La separazione di Hox e Parahox è avvenuta dopo che i Placozoi si sono separati da cnidari e bilateri,quando il gene era ancora uno solo e i placozoi non hanno partecipato alla duplicazione.

2IPOTESI : è avvenuta prima la separazione tra hox e parahox, ma poi gli hox nei placozoa si sono perduti

Quale delle due ipotesi è vera? probabilmente la A ma non si ha la certezza. per quando riguarda l'evoluzione dei geni hox sono state effettuate 3 ipotesi :

1IPOTESI;

1 IPOTESI:

3 IPOTESI:

E AVVENUTA PRIMA L A SEPARAZIONE TRA HOX E PARAOX POI SI SONO DUPLICATI ORIGINANDO I GENI HOX CENTRALI (VERDE E GIALLO)

PRIMA DELLA SEPARAZIONE IN HOX E PARAHOX ERANO GIA' 3, POI SI E DUPLICATO HOX 3 FORMANDO GENE GIALLO

PRIMA DELLA SEPARAZIONE IN HOX E PARAHOX ERANO GIA' 4, POI IL GIALLO IN PARAHOX SI E' PERSO.

PER RISPONDERE BISOGNA RICOSTRUIRE LA STORIA EVOLUTIVA DEL GENE. SI E' VISTO ATTRAVERSO QUESTI STUDI CHE POICHE HOX3 E' UN PARENTE STRETTO DEL SUO PARAHOX (XLOX) è VALIDA L'IPOTESI CENTRALE....