Espressione della informazione genetica

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1 Espressione della informazione genetica L informazione genetica, contenuta nel, ha lo scopo di: 1) mantenere lo stato vitale (strutture e funzioni) 2) realizzare l adattamento (risposta ad un cambiamento) 3) determinare il differenziamento (specializzazione di strutture e funzioni per es. a livello cellulare) L informazione genetica ereditata determina il manifestarsi di specifici caratteri inducendo la sintesi di specifiche proteine: le proteine sono l anello di congiunzione tra informazione e la realizzazione/effettuazione di strutture ed attività. Prof.ssa Flavia Frabetti ESPRESSIONE DELLA INFORMAZIONE BIOLOGICA dal progetto Cosa studiamo? Dove è scritta l informazione genica: Cromatina / cromosomi Nucleo eucariotico Come è organizzata l informazione genica: Genoma Geni - come concetto - struttura del gene eucariota tipo proteina alla costruzione Come si esprime l informazione genica: Trascrizione e Traduzione Codice genetico Meccanismi di CONTROLLO della espressione genica

2 Dove è scritta la informazione? nucleo cromosoma telomero Come è organizzata l informazione? centromero telomero proteine acide istoni Una enorme quantità di informazione dentro ad ogni singola cellula: il GENOMA Aprendo ogni libro si trovano brani così scritti:..atccgagctttacgtacggttaccggatcgagcatact Genoma Anche la definizione di genoma è complessa! Il genoma è: il complesso dell'informazione genetica di una cellula Organizzazione generale del genoma umano la massa totale del cellulare il patrimonio ereditario dell'organismo a cui appartiene Il genoma umano è distribuito in cromosomi: 22 tipi di AUTOSOMI 2 tipi di ETEROCROMOSOMA (X e/o Y) Corredo aploide bp ovvero 3,2 Gbp Contenenti, si stima, circa geni

3 Come una sorta di matriosca il genoma si organizza nei cromosomi, che contengono i geni che altro non sono che tratti di genomico: 27% genico 73% extragenico Ma cosa sono i geni? Gene - come concetto GENE E UN CONCETTO, NON UN OGGETTO FISICO IL GENE È UNA REGIONE DI TRASCRITTA Una regione di che contiene ISTRUZIONI per SINTESI DI UNA PROTEINA, di un RNA, o IGNOTA I geni sono le unità responsabili delle caratteristiche ereditarie. Un carattere è in generale un aspetto dell'oggetto che osserviamo. Il gene è una delle tante istruzioni contenute in ogni cellula FUNZIONI DEI GENI METABOLISMO INFORMAZIONE GENETICA STRUTTURA SEGNALI FUNZIONI TESSUTO-SPECIFICHE TTAGCACTACCGTATTTGCGCATTACCAGATTAGAGAA ATGCTAGTCGATCTATCGATCGGCTATTCGCAAAGCTG CGCGACTGCGATGCGCTAGCATGCGATTCGCGATCGCC GAGCGCTCGCGAGCGCGCTAGCGGAATACTATATAGC GCGGATCAGTCTAGATCTATGAGATCGATAGCGATCTA GAGATAGGATCGAGATCGAGGCGAGATCATATGAGCG CGGCTATTTAGGCTTAGAGGATTCGGAGATTCGGAGCT TAGGATTACAGAGAGCTTCTTAGGCGCTCCCGGTATCG CTCCCATCCCATATTAAAATCTATCGATCGAGCTCTCCA ATGCGATCGATAGGACTAGTAGCTAGCTAGCTGAGCA TGATAGGCTCGATGAGCATGAGATGCATGTACGACTG CATAGGCATGACTGATCGACTGCATCATGACGCATGAC TGCATGCATGACTGCATATGACGGACTCGCATTAGCAC TACCGTATTTGCGCATTACCAGATTAGAGAAATGCTAG TCGATCTATCGATCGGCTATTCGCAAAGCTGCGCGACT GCGATGCGCTAGCATGCGATTCGCGATCGCCGAGCGC TCGCGAGCGCGCTAGCGGAATACTATATAGCGCGGAT CAGTCTAGATCTATGAGATCGATAGCGATCTAGAGATA GGATCGAGATCGAGGCGAGATCATATGAGCGCGGCTA TTTAGGCTTAGAGGATTCGGAGATTCGGAGCTTAGGAT TACAGAGAGCTTCTTAGGCGCTCCCGGTATCGCTCCCA TCCCATATTAAAATCTATCGATCGAGCTCTCCAATGCG ATCGATAGGACTAGTAGCTAGCTAGCTGAGCATGATA GGCTCGATGAGCATGAGATGCATGTACGACTGCATAG GCATGACTGATCGACTGCATCATGACGCATGACTGCAT GCATGACTGCATATGACGGACTCGCATTAGCACTACCG TATTTGCGCATTACCAGATTAGAGAAATGCTAGTCGAT CTATCGATCGGCTATTCGCAAAGC GENI PER RNA NON TRADOTTI (trna, rrna, RNA per splicing, piccoli RNA non-codificanti)

4 Il ge Trascritto Primario o pre- PROMOTORE TATA E 1 E 2 E 3 Esone 1 Esone 2 Esone 3 AUG UGA

5 Gene: Cosa fa accendere il gene? A sfumare l oggetto gene e renderlo più un CONCETTO sta la parte regolatrice del gene GENE SEQUENZE REGOLATRICI SEQUENZE TRASCRIVIBILI PROMOTORE INTENSIFICATORI SILENZIATORI PROMOTORE Sequenza nel tra i 40 e 200 nucleotidi, con affinità più o meno elevata per la RNA X polimerasi, di solito posta a monte del gene. Hanno: siti di riconoscimento (es. TATA box) sito di legame stabile sito di inizio della trascrizione siti di regolazione (simili a intensificatori e/o silenziatori) Gene - funzionalità di un gene eucariota: terminologia GENE: TRASCRITTO ATTIVO ESPRESSO ON ACCESO NON TRASCRITTO SILENTE NON ESPRESSO OFF SPENTO Come si esprime l informazione? I meccanismi di Trascrizione e Traduzione Cosa è il Codice genetico I principali meccanismi di CONTROLLO della espressione genica replicazione o duplicazione RNA proteine trascrizione della informazione traduzione della informazione Criteri: tempestività economia ovvero sintetizzare le proteine giuste al momento giusto e nella giusta quantità 1. Trascrizione MEMBRANA NUCLEARE Pre- Sintesi delle proteine NUCLEO trna rrna 2. Traduzione CITOPLASMA

6 Trascrizione: il processo biochimico nel quale l informazione genetica contenuta nel viene trascritta cioè copiata in una sequenza di RNA in base al principio della complementarietà delle basi è un processo controllato, regolato poiché le necessità sono: 1- riconoscimento del gene da esprimere 2- individuazione di inizio e termine del gene specifico 3- trascrizione nella giusta quantità del gene 4- alto grado di fedeltà, cioè accuratezza La trascrizione genera diversi tipi di RNA: rrna o RNA ribosomiale sintesi delle proteine, funzione strutturale e catalitica trna o RNA transfer o RNA di trasporto adattatore nella traduzione delle sequenze di nucleotidi in aa ovvero trasporta gli aa per la sintesi (traduttore) o RNA messaggero trasferimento informazione da a citoplasma HnRNA o RNA eterogeneo nucleare o pre-rna immaturo degli eucarioti snrna o piccoli RNA nucleari cooperano alla regolazione genica aa legato al trna gene proteina in crescita ribosomi Il processo è realizzato da enzimi chiamati RNA polimerasi -dipendenti TRASCRIZIONE filamento SENSO l enzima si lega ad una sequenza sul detta promotore Negli eucarioti: RNA polimerasi I rrna filamento ANTI SENSO - STAMPO RNA polimerasi II RNA polimerasi III Trascritto primario e trna e altri piccoli RNA dei ribosomi e coinvolti nella maturazione dell RNA POLIMERASI

7 basi Complementarietà delle basi filamento non-senso serve da stampo filamento senso Entrambi i due filamenti del possono costituire stampo per la sintesi dell RNA!, in funzione del gene, saranno sempre letti in direzione -, poiché la crescita del filamento di RNA di neosintesi è in direzione - Meccanismo della trascrizione: sintesi di RNA sulla base di uno stampo di 1 nucleotide Enzima: RNA polimerasi Trascrizione: lo stampo di è letto da a, l RNA è sintetizzato da a 2 nucleotide Uscita del pirofosfato Formazione legame fosfodiesterico 1 nucleotide Definizioni Codice = sistema di segnali, o segni, o simboli, che, per convenzione, è destinato a rappresentare una informazione tra la fonte dei segnali e il punto di destinazione. Es. comunicare in codice/ c. linguistico, formato da suoni/ c.grafico, c.fiscale, c. a barre, c.morse, ecc. Codice genetico è un codice a triplette di nucleotidi, detti codoni codice genetico anni 60 Codice genetico sequenza di codoni contenenti le informazioni genetiche del gene e determinanti la sequenza degli aa che origina la proteina in base alla lettura dei codoni stessi I codoni specificano per gli aa. In totale 4 3 =64 codoni.

8 Caratteristiche del codice genetico il codice è ridondante il codice non è ambiguo il codice non ha punteggiatura ovvero interruzioni il codice è letto senza sovrapposizioni per interpretarlo è fondamentale la cornice o quadro di lettura (reading frame) il codice è universale (ad eccezione di quello dei mitocondri) Cornice di lettura ACCAAACCG UGGUUUGGC Trp Phe Gly proteina Nella traduzione l informazione genetica contenuta nella sequenza di codoni lungo l viene decodificata o tradotta in una sequenza di aa costituenti la proteina, uniti in una sequenza precisa determinata dalla sequenza dei codoni Protagonisti principali di questo processo: porta nel citoplasma il messaggio genetico sotto forma di una specifica sequenza di codoni trna ribosomi facilitano l appaiamento specifico tra gli anticodoni del trna e i codoni dell sono gli interpreti del linguaggio Ribosomi (60% rrna+proteine) trna subunità minore subunità minore sito di attacco per gli aa (sempre CCA) subunità maggiore subunità maggiore 1. Hanno un sito di legame per l. 2. Un sito P (peptidil-trna) che ospita il trna che porta la catena aminoacidica in allungamento. 3. Un sito A (aminoacil-trna) che ospita il trna a cui è legato il successivo aa da aggiungere. legami H tra basi complementari anticodone

9 Inizio sintesi proteica Met Met Ser Riconoscimento codone-anticodone aminoacido AUG Allungamento sintesi proteica ANTICODONE Met-Ser Pro Met-Ser-Pro-Thr U G A trna = adattatore Terminazione sintesi proteica NH 3 COO - CODONE tripletta di nucleotidi codificante per 1 aa Met-Ser-Pro-Thr STOP! UGA Destino proteico: l può essere tradotto da ribosomi liberi o ribosomi legati al RER m.p. vescicole secretorie lisosomi Controllo o regolazione della espressione genica negli EUCARIOTI Scopo: differenziamento cellulare, ovvero espressione coordinata nel tempo di geni diversi in cellule diverse. Geni costitutivi cioè trascritti e tradotti in tutte le cellule Geni specifici attivati selettivamente da meccanismi di regolazione genica nucleo mitocondri cloroplasti citoplasma L espressione genica è modulabile anche da segnali esterni che possono accendere o spegnere geni specifici.

10 Livelli di controllo sulla espressione genica 1.pre-trascrizionale o cromatinico gene scelto trascritto primario di RNA (HnRNA) proteina proteina attiva o inattiva 2. trascrizionale 3. post-trascrizionale 4. traduzionale 5. post-traduzionale controllo sull attività della proteina nel nucleo Livello di controllo pre-trascrizionale o cromatinico (sul ) eucromatina/eterocromatina modificazioni strutturali della cromatina: modulazione della espressione genica attraverso un rimodellamento della cromatina nel nucleo Trascritto primario o pre- o HnRNA Gene: Cosa fa accendere il gene? Livello di controllo trascrizionale (da a pre m-rna): il controllo si esercita sulla attività della RNA polimerasi. - sul suo riconoscimento ed aggancio al promotore - sulla sua efficienza nel trascrivere GENE SEQUENZE TRASCRIVIBILI SEQUENZE REGOLATRICI PROMOTORE INTENSIFICATORI SILENZIATORI regolazione su quale gene trascrivere e su quanto pre-rna produrre

11 I fattori di trascrizione sono proteine nucleari il cui ruolo è modulare la trascrizione, attivandola o spegnendola Intensità di trascrizione: fi - un gene può espr

12 Eventi post-trascrizionali: dal pre- all Da pre- a maturo!!! 1- aggiunta del CAP o cappuccio in (una 7metil-guanosina): preserva il trascritto dalla degradazione ed è segnale di aggancio per il ribosoma PROMOTORE TATA E 1 I 1 E 2 I 2 E 3 2- poli-adenilazione in OH aggiunta di una coda di polia ( ): aiuta il passaggo al citoplasma, influenza la stabilità dell Trascritto Primario o pre- Esone 1 Esone 2 Esone 3 AUG UGA 3- splicing processo di taglia e cuci per eliminare gli introni CAP AUG UGA aaaaaaaaa Più in dettaglio: Splicing per rimuovere gli introni dall HnRNA o pre- Splicing alternativo (maturo) nel citoplasma proteina proteina attiva può produrre forme diverse di e dunque di una proteina dallo stesso gene Livello di controllo traduzionale (da m-rna a proteina): Operato da fattori proteici che possono influire sull inizio della traduzione e quindi modularla. Livello di controllo post-traduzionale (sulla proteina): - controllo sulla modificazione delle proteine sintetizzate - controllo del trasporto

13 Livello di controllo post-traduzionale (sulla proteina): modificazione delle proteine sintetizzate che risultano essenziali perché la proteina possa funzionare Immagine mentale della attivazione dei geni lungo il : I geni lungo il sono come luci di Natale lungo la matassa dei fili: si accendono e si spengono ad intermittenza e con una intensità che va da MASSIMA luminosità a MINIMA luminosità e può essere modulata cioè regolata