RNA non codificanti ed RNA regolatori

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1 RNA non codificanti ed RNA regolatori

2 RNA non codificanti ed RNA regolatori Piccoli RNA non codificanti RNA regolatore microrna RNAi e sirna

3 Piccoli RNA non codificanti Gli RNA non codificanti (ncrna) giocano un ruolo fondamentale nei sistemi biologici complessi, pur non codificando alcuna proteina. Tra i ncrna maggiormente caratterizzati troviamo - trna (RNA transfer) e - rrna (RNA ribosomiali). Recenti studi hanno però rivelato diverse altre classi di ncrna, aventi funzioni catalitiche e strutturali.

4 Piccoli RNA non codificanti Piccoli RNA citoplasmatici (scrna): Questi RNA sono componenti essenziali di complessi riboproteici (RNP) come la particella SRP (particella di riconoscimento del segnale), all interno dei quali svolgono il ruolo di guida e riconoscimento di sequenze nucleotidiche target attraverso il meccanismo di complementarità delle basi. Inserire fig 5.70 de leo et al. Edises pag 283

5

6 snorna (Piccoli RNA nucleolari): sono implicati nel processamento e nella maturazione degli RNA ribosomali e di altri tipi di RNA, aumentandone l attività. mirna (microrna) (21-22 nucleotidi) e sirna: sono piccoli RNA in grado di regolare l espressione genica a livello post-trascrizionale, silenziando specifiche molecole di mrna. pirna: sono coinvolti nel silenziamento trascrizionale dei retrotrasposoni nelle cellule germinali. snrna (piccoli RNA nucleari): coinvolti nel meccanismo di splicing.

7 Regolazione genica post-trascrizionale L espressione genica può essere regolata a livello posttrascrizionale. Non è detto che tutto l mrna che viene trascritto a partire da un certo gene venga utilizzato per sintetizzare la relativa proteina. Trascrizione Traduzione

8 RNA regolatore La regolazione post-trascrizionale dell espressione genica avviene per mezzo di molecole di RNA regolatore. L RNA regolatore è una molecola di RNA in grado di legarsi ad una molecola di mrna impedendone la traduzione. L RNA regolatore riconosce il suo bersaglio in base al principio di appaiamento complementare delle basi. Gli RNA regolatori sono solitamente piccole molecole di RNA con una certa struttura secondaria, ma con una regione a singolo filamento complementare ad una regione a singolo filamento dell mrna bersaglio. Nella regolazione basata su small RNA è importante anche la struttura secondaria della molecola di RNA target.

9 RNA regolatore e inibizione della traduzione L appaiamento di una molecola di RNA regolatore ad una regione a singolo filamento di mrna può provocare: L inibizione della traduzione senza distruzione della molecola di mrna La degradazione della molecola di mrna In entrambi i casi si ha il silenziamento del gene, il cui effetto è la mancata produzione della proteina corrispondente. Perché un RNA regolatore possa legarsi ad una molecola di mrna bersaglio: La regione di legame sul bersaglio deve essere accessibile, ovvero meno stabile (deve contenere una regione, anche piccola, a singolo filamento). Il legame con l RNA regolatore deve essere energeticamente favorevole. Accessibile Non accessibile

10 RNA antisenso Un gene antisenso codifica per un RNA la cui sequenza è complementare a quella di un RNA bersaglio: Target RNA 5 -AGGACTACCGACTAGCATA-3 3 -TCCTGATGGCTGATCGTAT-5 Antisense RNA A volte il gene antisenso si trova sul filamento opposto a quello del gene bersaglio, pertanto i due RNA saranno perfettamente complementari. Altre volte gli RNA antisenso vengono trascritti da altre regioni del genoma, per cui si potrebbe avere una parziale complementarità delle loro basi.

11 I microrna I microrna (mirna) sono piccole molecole di RNA in grado di regolare negativamente l espressione di geni target a livello post-trascrizionale. Sono dei piccoli RNA antisenso che mostrano complementarità parziale (quasi sempre) o totale (più raramente) delle loro basi rispetto a quelle dei loro mrna bersaglio. I mirna sono in grado di impedire la traduzione dei loro target preservandone la stabilità o provocandone la distruzione. Un mirna può avere più target ed uno stesso mrna può essere target di diversi mirna.

12 Biogenesi dei mirna I trascritti primari dei geni mirna sono chiamati pri-mirna. I pri-mirna vengono tagliati da un enzima chiamato Drosha in molecole più piccole, a doppio filamento, chiamate pre-mirna. I pre-mirna vengono esportati nel citoplasma e tagliati in RNA doppio filamento più piccoli da un altro enzima chiamato Dicer. Uno dei due filamenti contiene il mirna maturo, lungo solitamente tra i 19 e i 25 nucleotidi, che viene incorporato in un complesso proteico chiamato RISC.

13 mirna I mirna nei RISC sono in grado di legarsi a siti specifici di mrna provocandone il silenziamento: L appaiamento della sequenza del mirna con il suo sito bersaglio non è perfetto, ma può contenere bulge e loop. Dalle coppie mirna/target individuate sperimentalmente emergono alcune regolarità nelle modalità di appaiamento.

14 Osservazioni sulle modalità di appaiamento La regione iniziale (5 ) del mirna è chiamata seed e sembra essere la regione più importante nel silenziamento. E lunga solitamente tra i 7 e i 10 nucleotidi, ma esistono casi di seed più corti o più lunghi. Tale regione è solitamente appaiata in modo perfettamente complementare al suo target: Il primo nucleotide del mirna non è determinante e può non essere appaiato.

15 Osservazioni sulle modalità di appaiamento La regione a valle del seed contiene solitamente un bulge o un loop: La regione 3 del mirna mostra solitamente una complementarità imperfetta al suo target. Le coppie G:U nella regione del seed sembrano essere sfavorevoli al silenziamento, sebbene siano ammesse, mentre sono abbastanza comuni nella regione 3. Infine, le regioni di legame dei mirna si trovano nella regione 3 UTR degli mrna bersaglio.

16 Funzioni dei mirna I mirna svolgono un ruolo centrale nel controllo di numerosi processi fisiologici: Sviluppo Differenziamento cellulare Apoptosi Aberrazioni nella loro espressione (mancanza, sotto o sovra espressione) sono correlate a diversi tipi di patologie: Cancro Malattie neurodegenerative Malattie cardiache Si tratta dunque di molecole molto importanti, il cui studio è fondamentale nella comprensione dei processi biologici, dei fenotipi patologici e, di conseguenza, nel design di terapie innovative.

17 mirbase mirbase è la banca dati ufficiale dei mirna: Contiene le sequenze dei mirna maturi e degli stem-loop precursori, oltre a riferimenti bibliografici ed informazione sui target.

18 mirbase Cliccando su Browse si può sfogliare l intero database organizzato per specie:

19 mirbase Per ogni mirna sono riportati: Lo stem-loop ed il mirna maturo

20 Un problema bioinformatico: la ricerca di target per i mirna Sebbene si conoscano già quasi 500 mirna nell uomo (e molti altri in altre specie), solo per il 10% di essi è stato individuato almeno un target. Problema: Dato un mirna, determinare i suoi possibili mrna target Esistono numerosi tool su web che offrono servizi di predizione di target per mirna: TargetScan PicTar miranda Molti di essi offrono dei database di predizioni già effettuate da consultare.

21 I sirna I sirna sono piccole molecole di RNA simili ai mirna. Non sono codificati da sequenze genomiche ma derivano da altre molecole di RNA più grandi, spesso di origine esogena (es. virus). Come i mirna vengono tagliati dal Dicer ed incorporati nel RISC. Si appaiano con complementarità totale a siti specifici sui loro target (in CDS o UTR) provocandone la degradazione.

22 sirna ed RNA Interference I sirna sono le principali molecole utilizzate nell RNA Interference (RNAi) artificiale. I sirna vengono disegnati ad hoc sulla base del sito di legame scelto sul trascritto da silenziare ed hanno generalmente complementarità totale al loro target. Le molecole di sirna vengono solitamente introdotte nelle cellule mediante vettori virali, virus ingegnerizzati che trasportano l informazione per la codifica dei sirna nel loro genoma. Un uso tipico dell RNAi è il knock-out artificiale dei geni, ovvero il silenziamento dell espressione di uno più geni per studiarne gli effetti e le conseguenze e di conseguenza le funzioni svolte.

23 RNA interference Premio Nobel 2006 per la Medicina Craig Mello ed Andrew Fire

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