Oltre il DNA: alla scoperta dei m eccanismi molecolari che regolano lo svilup po e la fisiologia della cellula

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1 Oltre il DNA: alla scoperta dei m eccanismi molecolari che regolano lo svilup po e la fisiologia della cellula Prof. Paolo Macchi, PhD Lab of Molecular and Cellular Neurobiology - CIBIO Univ. Trento macchi@science.unitn.it

2 DNA, RNA e mirna revolutions Controllo traduzionale Trasporto di RNA Domande, approfondimenti

3 Differenziamento Mantenimento della diversita Alterazioni

4 Gli spazi omici

5 Gli spazi omici metaboloma (piccole molecole) proteoma (proteine) trascrittoma (mrna) genoma (DNA)

6 Nobel prize in Physiology or Medicine, Maurice Wilkins J. Watson & F. Crick Molecular structure of nucleic acids: a structure for deoxyribose nucleic acid. Dogma centrale della Biologia molecolare: DNA mrna (RNA messaggero) Proteina

7 Ribosoma DNA Trascrizione (nucleo) mrna Proteina Traduzione (Citoplasma) Funzione X

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11 Grandezza del genoma in differenti organismi ~ 12*10 6 ~ 2,7*10 9 ~ 180*10 6 ~ 3*10 9 ~ 100*10 6 ~ 120*10 6 ~ 1*10 9

12 ~ 3*10 9 Grandezza α Complessita? Grandezza α Longevita? ~ 140*10 9 ~ 670*10 9 Piramide della complessita? Piramide della longevita? ~ 590*10 3

13 Un paradosso? Il numero dei geni codificanti proteine non può giustificare le differenze evolutive tra gli eucarioti. ~6,5k <30k ~15k ~25k ~20k ~31k >30k

14 Stesso genoma Stesso numero di geni espressi

15 La spiegazione della differenza evolutiva (e differenziativa) sembra legata all espressione dei geni in: Quantità Luogo (cellule, tessuti) Tempi diversi Controllo combinatorio: trascrizionale post-trascrizionale post-traduzionale (fosfo e defosforilazioni, metilazoni, acetilazioni, ubiquitinazioni e sumoilazioni)

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17 1. Splicing 2. Controllo traduzionale

18 The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1993 "for their discoveries of split genes" Richard J. Roberts Phillip Sharp

19 Aumentare la complessità aumentando l uso combinatorio di esoni mediante splicing alternativo Trascritto primario Splicing alternativo Funzione A Funzione B Membrana Rilascio extra-cellulare (gradiente) Ancoraggio membrana (contatto mediata) OUT IN

20 1. Splicing 2. Controllo traduzionale: microrna

21 microrna DNA mrna Proteina +/- Trascrizione (nucleo) Traduzione (Citoplasma)

22 microrna world Craig Mello Andrew Fire Nobel prize in Physiology or Medicine, 2006

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24 Origine e meccanismo di azione RISC: RNA-induced silencing complex

25 302 (1/3) are neurons Accumulation around the ring Simple NS hope to model & understand an entire NS

26 Zebrafish come organismo modello: The vertebrate C. elegans

27 Embrioni trasparenti che si sviluppano in un chorion trasparente sviluppo embrionale estremamente rapido (molti organi si formano in 24 ore) organi composti da un numero relativamente basso di cellule grande numero di progenie: 1 femmina: >200 uova/ sett. tempo generazionale: 2-3 mesi 10 cm Petri dish Nüsslein-Volhard Lab, Max Planck Institute, Tübingen

28 microrna world: non solo C. elegans..

29 Laboratory tool: - Silenziamento specifico - Veloce - Usi terapeutici - Rnd mir

30 1. Splicing 2. Controllo traduzionale: trasporto RNA

31 Esempi di localizzazione di RNA. Oskar mrna in oocita gurken mrna nell oocita (defining the dorsal, anterior and posterior regions of the embryo) bicoid mrna in embrione

32 Esempi di localizzazione di RNA...non solo Drosophila... Actin mrna nei fibroblasti ASH1 mrna in lievito (S. cerevisiae)

33 ...ma anche neuroni RNA che NON localizza nei dendriti RNA che localizza nei dendriti

34 Movimento di RNA nei dendriti neuronali

35 Perche le cellule localizzano RNA? Efficiente: 1 molecola mrna proteine Sicuro: previene l interazione aspecifica di proteine con altre proteine Rapido: Permette di avere dei cambiamenti rapidi locali della concentrazione di una determinata proteina

36 Come fa l RNA a localizzare in maniera specifica in un determinato compartimento cellulare? 1. Sequenze specifiche (codice postale) ATG.STOP 5 non tradotta Regione codificante 3 non tradotta Trasporto Proteina 2. Proteine (proteine che legano RNA, motor proteins)

37 Come la memoria viene immagazzinata a livello cellulare? Quali molecole sono coinvolte in questo processo? Come fa il neurone a creare nuove specifiche sinapsi?

38 Dendrites Cell Body Axon Ramon y Cajal ca. 1890

39 Apprendimento e Memoria Modifiche di specifiche sinapsi Engert and Bonhoeffer, Nature 1999 Formazione di nuove sinapsi in un neurone

40 Apprendimento e Memoria Modifiche di specifiche sinapsi Modificami, Sto imparando! Come il neurone modifica alcune sinapsi ma non altre? Localizzando mrna! Lasciami riposare!

41 Neurone normale Neurone normale?? Assone Dendriti Assone Dendriti?? GFP 3 GFP / sirna

42 SMA: spinal muscular atrophy SCA: spinocerebellar ataxia ALS: amyotrophic lateral sclerosis

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44 Grazie dell attenzione!