Gli organismi eucariotici presentano una varietà di forme molto superiore a quella dei procarioti (i regni degli eucarioti sono quattro: protisti, funghi, piante e animali). Gli studi sul genoma sono stati effettuati in molti organismi partendo dalle forme unicellulari (più semplici da studiare) e arrivando alle forme pluricellulari più complesse. Con il sequenziamento e lo studio dell’espressione dei genomi, e con l’annotazione della funzione delle proteine codificate in tutti i casi studiati, sono emerse molte differenze tra il genoma procariotico e quello eucariotico (▶tabella 1):

In termini di contenuto aploide di DNA, il genoma degli eucarioti è più grande di quello dei procarioti.

Questo non deve sorprendere; quasi tutti gli organismi eucariotici, infatti, sono pluricellulari, contengono cellule specializzate per forma e funzioni e svolgono molteplici attività che richiedono un gran numero di proteine, tutte codificate dal DNA. Inoltre gli organismi pluricellulari devono possedere anche i geni per le proteine che servono a tenere unite le cellule in tessuti, i geni per il differenziamento cellulare e i geni per la comunicazione intercellulare.

Per questo, mentre il DNA di un virus in media contiene circa 10000 coppie di basi (bp) e il DNA di E. coli 4,6 milioni di bp, gli esseri umani possiedono un numero di geni e di sequenze regolatrici ben maggiore: in ogni cellula somatica (cioè diploide) del corpo umano sono stipati circa 6 miliardi di bp (pari a circa 2 m di DNA).

Tuttavia, la quantità di DNA di un organismo non è sempre proporzionale alla sua complessità: per esempio, il giglio (che, rispetto all’uomo, fabbrica un numero di proteine decisamente inferiore) possiede un DNA 18 volte più grande del nostro.

Il genoma degli eucarioti presenta telomeri alle estremità di ciascun cromosoma lineare.

Come abbiamo visto queste sequenze evitano i danni causati dalla perdita di nucleotidi che, a ogni duplicazione, si verifica all’estremità della molecola di DNA.

Nel genoma degli eucarioti sono presenti molte sequenze ripetitive.

Con il termine sequenze ripetitive si intende sequenze presenti in più di una copia; la maggior parte di tali sequenze non viene tradotta in proteine. Ciò significa che il genoma eucariotico contiene sia sequenze codificanti sia sequenze non codificanti, cioè che non vengono trascritte in mRNA. Non è quindi possibile stabilire il numero dei geni in base alle dimensioni del genoma.

Negli eucarioti molti geni che vengono tradotti in proteine sono interrotti.

I geni interrotti contengono sequenze codificanti alternate a sequenze non codificanti; un gene interrotto è sempre più lungo dell’mRNA che produce.

Negli eucarioti la trascrizione e la traduzione avvengono in ambienti separati.

La sintesi dell’mRNA avviene nel nucleo, la sintesi proteica ha luogo nel citoplasma. Inoltre l’mRNA, prima di uscire dal nucleo, subisce un processo chiamato «maturazione», assente nei procarioti. Questa separazione spaziale consente che prima dell’inizio della traduzione vi siano molte occasioni di regolazione: durante la sintesi del trascritto primario (pre-mRNA), durante la sua trasformazione in mRNA maturo e infine durante il suo trasferimento nel citoplasma per la traduzione (▶figura 1).

I genomi eucariotici possiedono più sequenze regolatrici (e più proteine regolatrici che vi si legano) rispetto ai genomi procariotici.

L’enorme complessità degli eucarioti richiede un elevato livello di regolazione, che si manifesta nei numerosi meccanismi di controllo legati all’espressione del genoma eucariotico.

I genomi degli organismi eucariotici analizzati finora si sono rivelati pieni di sequenze di DNA ripetitive, che non codificano polipeptidi. Possiamo riconoscere tre diverse tipologie di sequenze ripetitive:

1. Le sequenze altamente ripetitive non vengono trascritte in mRNA maturo; il loro ruolo non è ancora stato chiarito. Comprendono due tipi di sequenze: i minisatelliti e i microsatelliti. I minisatelliti corrispondono a 10-40 coppie di basi che si ripetono fino a diverse migliaia di volte. Dal momento che durante la duplicazione di tali sequenze la DNA polimerasi tende a fare errori, il numero di copie presenti varia da individuo a individuo. Per esempio, in un particolare locus una persona può avere 300 minisatelliti, mentre un’altra ne ha 500. Queste variazioni forniscono una serie di marcatori genetici di tipo molecolare, utilizzabili per identificare individui diversi. I microsatelliti sono invece sequenze estremamente brevi (1-3 bp), che si trovano in piccoli gruppi di 15-100 copie disseminati in tutto il genoma.
2. Le sequenze moderatamente ripetitive sono veri e propri geni, stabilmente integrati nel genoma, che codificano i tRNA e gli rRNA utilizzati nella sintesi proteica.
3. I trasposoni, che abbiamo già incontrato nel genoma dei procarioti, sono sequenze moderatamente ripetitive che costituiscono oltre il 40% del genoma umano; esistono diversi tipi di trasposoni. I trasposoni a DNA si spostano in nuove sedi del genoma, senza duplicarsi, con un meccanismo di tipo «taglia e incolla» (▶figura 2). I retrotrasposoni invece si muovono nel genoma con una modalità particolare: eseguono una copia di sé stessi in RNA, che fa da stampo per la sintesi di nuovo DNA; tale DNA poi si inserisce in un altro punto del genoma. Grazie a questo meccanismo «copia e incolla», la sequenza originaria rimane dov’è, mentre la copia si inserisce in una nuova sede. Alcuni trasposoni a RNA vengono trascritti e non tradotti, mentre altri vengono tradotti in proteine.