RNA regolatori e controllo post-trascrizionale dell espressione genica!! 27 Aprile 2016! Corso di Genetica Molecolare

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1 RNA regolatori e controllo post-trascrizionale dell espressione genica!! 27 Aprile 2016! Corso di Genetica Molecolare Cecilia Mannironi Is.tuto di Biologia e Patologia Molecolari CNR cecilia.mannironi@uniroma1.it

2 Human Genome Project (HGP) Progetto di sequenziamento delle regioni eucromatiche del genoma. Le regioni eterocromatiche, presenti nei centromeri e telomeri, non sono state sequenziate nell HGP. Sequenziamento parallelo dei genomi di vari organismi modello come Caenorhabditis elegans, Drosophila melanogaster e Arabidopsis. Febbraio 2011

3 Human Gene Count: More Than a Chicken, Less Than a Grape Pertea M, Salzberg SL Between a chicken and a grape: es.ma.ng the number of human genes. Genome Biol 11:206.

4 La stima del numero dei geni umani si è ridotta progressivamente con lo sviluppo di nuove tecnologie per il sequenziamento del DNA

5 MOLECULAR BIOLOGY AND EVOLUTION: Can Genes Explain Biological Complexity? Szathmary et al. Science 18 May 2001: Vol no. 5520, pp ! Il n dei geni codificanti per proteine presenti nel genoma di un organismo non è una misura della sua complessita biologica. Infatti sono i geni in Caenorhabditis Elegans, in Drosophila Melanogaster, in Arabidopsis, nel topo, nell uomo!

6 I COMPONENTI DEL GENOMA UMANO retrotransposons Sono sequenze uniche: geni che codificano per proteine ( 1-2 % del genoma) introni geni che non codificano per proteine (geni per RNA non codificanti) eterocromatina Sono sequenze ripetute ( >50% del genoma): altamente ripetute (DNA satellite, micro e minisatelliti) moderatamente ripetute (trna, rrna) trasposoni e retrotrasposoni. Il del genoma dei mammiferi è trascritto

7 Marzo 2015 Total No of Genes: Protein- coding genes: Total No of Transcripts: Protein- coding transcripts: Total No of Genes: Protein- coding genes: Total No of Transcripts: Protein- coding transcripts: 50162

8 non coding RNAs Gli RNA non codificanti (non coding RNAs, ncrnas) sono trascritti che non contengono open reading frames (ORF) o che hanno accumulato mutazione che li rendono inattivi (pseudogeni). Appartengono ai ncrna diverse classi di RNA: RNA molto abbondanti e con funzioni note ( trna, rrna, snorna, snrna); RNA meno abbondanti e con funzioni meno note, microrna, sirna, exrna, pirna e lncrna (long ncrna), che includono importanti regolatori quali Xist e HOTAIR. La maggior parte dei ncrna espressi in una cellula deve essere ancora caratterizzato da punto di vista funzionale. Mentre la funzione di un mrna e delle sue isoforme è (teoricamente) ovvia, lo stesso non puo dirsi dei ncrna.

9 ncrna pirna: PIWI interac.ng RNAs;.RNA:transcrip.on ini.a.on RNAs; XIST: X inac.va.on specific transcript;tsix: il suo trascriyo an.senso; HOTAIR: homeobox (HOX) transcript an.sense RNA, ecc ecc Esteller, M., Non- coding RNAs in human disease. Nature Publishing Group, 12(12), pp

10 ! ncrna ed evoluzione del SNC Il grande numero di ncrna espressi nei mammiferi sembra essere correlato con lo sviluppo evolutivo.! Scien&sts Iden&fy Gene Difference Between Humans and Chimps Si ipotizza che i ncrna abbiamo un ruolo chiave nella rapida evoluzione del SNC umano. In uno studio del 2006 sono state identificate e analizzate le human accelerated regions (HARs), regioni del genoma che mostrano un accumulo di mutazioni significativamente accellerato nel periodo evolutivo che corrisponde all evoluzione del nostro antenato dallo scimpanze. Molte di queste HAR trovate sono associate con geni coinvolti nella regolazione della trascrizione e dello sviluppo del sistema nervoso. HAR1, l elemento variato piu significativamente, è parte di un gene codificante per ncrna, localizzato sul cromosoma 21 ed espresso durante lo sviluppo corticale dell uomo. Pon.ng CP, Lunter G. Evolu.onary biology: human brain gene wins genome race. Nature Sep 14;443(7108):

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12 I mirna sono piccoli RNA silenziatori I mirna sono ncrna, lunghi nt, a singolo filamento. Ad oggi nell uomo sono stati identificati 1881 mirna diversi ( che si pensa regolino l espressione di 2/3 dei geni cellulari. 5 I mirna interagiscono con un mrna bersaglio (target) mediante appaiamento imperfetto. L espressione dell mrna target è inibita.

13 Un mrna puo essere riconosciuto da piu mirna Predicted mirna target sites within the human EDN1 3 UTR (NM_001955) were determined using microrna.org Esistono algoritmi che sulla base della complementarieta di sequenza, conservazione evolutiva, posizione sulla 3 UTR, permettono di predire per un dato mirna gli mrna potenziali target. Ad es microrna.org, targetscan, Pictar, Diana, ecc ecc Bartel, David P. "MicroRNAs: genomics, biogenesis, mechanism, and func.on. Cell (2004):

14 Un mirna puo controllare l espressione di centinaia di mrna target

15 Ipotetici meccanismi di repressione genica post-trascrizionali mediati dai mirna presente in complessi mirnp Krol et al. The widespread regulation of microrna biogenesis, function and decay. Nature Reviews Genetics (2010) vol. 11 (9) pp

16 BIOGENESI dei mirna sirna-risc mirisc mirisc: mirna-induced Silencing Complex

17 Silenziamento genico mediato dai mirna

18 I mirna e sirna (small interfering RNA) u.lizzano lo stesso macchinario per il silenziamento genico Il segnale dei sirna è amplificato da una RNA polimerasi RNA dipendente (piante, vermi e S.Pombe)

19 I geni dei microrna Geni mirna : Unita geniche indipendenti con un proprio promotore, codificano per un singolo pri-mirna o piu pri-mirna in cluster (bi-poli cistronici) Intragenici, situati all interno delle sequenze introniche di un altro gene (Mirtron), con cui condividono il promotore

20 I pri-mirna hanno una struttura comune

21 La scoperta dei microrna I mirna rappresentano la punta di un iceberg del mondo dei ncrna e ad oggi sono i ncrna meglio caratterizzati V. Ambros T.Tuschl

22 Lin-4 è il primo mirna identificato Ambros 1993 Cell, Vol. 75, , December 3, 1993, Copyright 1993 by Cell Press The C. elegans Heterochronic Gene lin-4 Encodes Small RNAs with Antisense Complementarity to lin-14 Rosalind C. Lee,* Rhonda L. Feinbaum,* and Victor Ambros Harvard University Lavoro citato 8774 volte!! Caenorhabditis elegans!!! re 8. lin-4 Transcripts and Complementarity between lin-4 LIN-14 è un gene eterocronico, che controlla quando ed in che successione devono avvenire eventi particolari nel differenziamento della larva (developmental timing).! Lin-4 è essenziale per un normale controllo temporale dello sviluppo larvale di C.elegans.! La sua espressione è inversamente proporzionale all espressione della proteina di LIN-14

23 1998: Fire and Mello identificano l RNA interference in Caenorhabditis elegans Potent and specific genetic interference by double-stranded RNA in Caenorhabditis elegans Andrew Fire*, SiQun Xu*, Mary K. Montgomery*, Steven A. Kostas*, Samuel E. Driver & Craig C. Mello * Carnegie Institution of Washington, Department of Embryology, a c b d 2001: il lab di T.Tuschl identifica in diversi organismi (uomo, topo, Drosofila) diversi mirna simili in struttura e funzione al lin-4 di C. elegans

24 Esiste una correlazione diretta tra il numero dei mirna espressi da una data specie e la sua complessita morfologica Kosik. MicroRNAs tell an evo devo story. Nature Rev Neurosc (2009)10: pp. 1-6

25 Calin and Croce Nature Reviews Cancer 6, (November 2006) doi: /nrc1997 mirna e Tumori Alterazioni nell espressione di specifici mirna sono responsabili dell inizio e della progressione di numerosi tumori umani. mir- 15 e mir- 16 sono onco- mirna; mir sono soppressori tumorali Delezione osservata nella leucemia linfociti cronica umana (CLL) Figure 3 Chromosomal alterations at microrna loci. The main chromosomal Amplificazione osservata nei linfomi umani, ad es B-cell diffuse large cell lymphomas (DLBLs)

26 I mirna neuronali circa il 70% dei mirna è espresso nel cervello e molti mirna sono specifici dei neuroni nel sistema nervoso (SN) i livelli di espressione dei mirna è maggiore che in altri tessuti i mirna sono coinvolti nello sviluppo del SN e nella morfogenesi dei neuroni (nella crescita dei neuriti e nella formazione delle spine dendritiche) i mirna contribuisono al controllo delle funzioni sinaptiche e della plasticita nell adulto la loro de-regolazione è stata osservata in quasi tutte le malattie neurologiche studiate i mirna sono considerati potenziali biomarker e target terapeutici nei disturbi neurologici

27 ! mirna alle sinapsi SchraY, Gerhard. "micrornas at the synapse." Nature Reviews Neuroscience (2009):

28 Funzioni biologiche dei lncrna A. sequestrare fattori di trascrizione; B. competere e sequestrare come spugne i microrna; C. possono essere componenti di complessi RNA-Proteine (RNP); D. reclutare rimodellatori e modificatori della cromatina, come nel caso di Xist; E. modulare lo splicing; F. inibire la traduzione bloccando l mrna; G. portare l mrna verso la degradazione.

29 Tes. Biologia Molecolare, Amaldi et al Biologia Molecolare del gene, Watson et al Reviews Bartel, David P. "MicroRNAs: genomics, biogenesis, mechanism, and func.on. Cell (2004): Calin and Croce Nature Reviews Cancer 6, (November 2006) doi: / nrc1997 SchraY, Gerhard. "micrornas at the synapse." Nature Reviews Neuroscience (2009):