Regolazione dell espressione genica EUCARIOTI

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1 Regolazione dell espressione genica EUCARIOTI

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8 Regolazione della espressione genica Molte proteine sono comuni a tutte le cellule RNA polimerasi, proteine ribosomali, enzimi che regolano il metabolismo, proteine del citoscheletro Alcune proteine sono abbondanti solo in cellule specializzate L emoglobina è espressa solamente nei globuli rossi

9 Quanti sono i geni espressi in una cellula? Una cellula esprime 10,000-15,000 15,000 geni dei 30,000 geni di cui dispone

10 Quanti sono i geni espressi in una cellula? Sono espressi tutti allo stesso livello? Popolazioni di molecole di mrna in una tipica cellula di mammifero Classe copie/cell cell di ogni mrna N mrna N totale di molecole di mrna Abbondante Intermedio Scarso Le funzioni housekeeping in una cellula di mammifero sono ~10.000

11 Livelli di regolazione della espressione genica negli eucarioti

12 La regolazione dell espressione espressione genica può avvenire a più livelli: Stato di Condensazione della Cromatina Trascrizione Post-trascrizionetrascrizione Traduzione Post-traduzionaletraduzionale sull attivit attività delle proteine

13 Il primo livello di regolazione riguarda lo stato di condensazione della cromatina nel nucleo

14 Eucromatina e eterocromatina all interno del nucleo.

15 Cromosomi politenici delle ghiandole salivari di Drosophila

16 Puffing cromosomici in ghiandole salivari di Drosofila. Lo svolgimento localizzato della struttura cromosomica indica trascrizione in quella regione Dna è in blu. Rna in violetto

17 A B C D Puffing del crom 3 in ghiandole salivari di Drosofila in stadi diversi del differenziamento 100 hr 115 hr Prepupa 1Prepupa 2

18 In che cosa consistono, a livello molecolare, le modificazioni dello stato di condensazione della cromatina associate alla attivazione trascrizionale?

19 L attivazione trascrizionale di un gene è accompagnata a decondensazione locale della cromatina

20 L attivazione trascrizionale di un gene è accompagnata a decondensazione locale della cromatina La decondensazione locale scopre il DNA. Dissociazione (temporanea) dagli istoni. Accessibilità al macchinario della trascrizione La dimostrazione sperimentale che le regioni trascrivibili della cromatina sono decondensate si ottiene dimostrando che queste regioni sono accessibili a un enzima, i.e. sono sensibili alla digestione con DNAasi I (1)

21 Le regioni trascrivibili della cromatina sono sensibili alla digestione con DNAasi I (1)

22 Le regioni trascrivibili della cromatina sono sensibili alla digestione con DNAasi I (2)

23 L attivazione trascrizionale di un gene si accompagna a decondensazione locale della cromatina La decondensazione locale scopre il DNA. Accessibilità al macchinario della Trascrizione Come viene ottenuta questa decondensazione? Dissociazione (temporanea) dagli istoni

24 Regolazione positiva della trascrizione genica da parte della istone-acetiltransferasi (HAT) che acetila (Ac) gli istoni vicino alla TATA box. Questa modificazione locale degli istoni li dissocia dal DNA, consentendo l accesso della RNApol II che inizia la trascrizione del gene.

25 L attivazione trascrizionale di un gene è accompagnata a decondensazione locale della cromatina Come è ottenuta questa decondensazione? Dissociazione (temporanea) dagli istoni Demetilazione dei promotori.

26 I geni trascrizionalmente attivi hanno promotori ipometilati

27 Sintesi di differenti catene globiniche a determinati stadi di sviluppo embrionale, fetale e post-natale

28 Il livello di metilazione dei promotori correla con l attività dei geni della β-globina durante lo sviluppo gene ε attivo P a 6 settimane P gene γ inattivo P inattivo PP attivo a 12 settimane = promotore ipometilato = promotore metilato

29 La regolazione dell espressione espressione genica può avvenire a più livelli: Stato di Condensazione della Cromatina Trascrizione Post-trascrizionetrascrizione Traduzione Post-traduzionaletraduzionale sull attivit attività delle proteine

30 Il controllo trascrizionale è molto importante

31 Come viene regolata la trascrizione? Sequenze di regolazione sul DNA e proteine di regolazione che si legano a queste sequenze

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33 Le differenti coppie di basi possono essere riconosciute senza aprire la doppia elica H-bond acceptor H-bond donor

34 Esistono molte proteine di regolazione che legano il DNA (fattori trascrizionali) Appartengono a famiglie e presentano MOTIVI STRUTTURALI COMUNI molto conservati HELIX-TURN-HELIX DITA DI ZINCO CERNIERA DI LEUCINE

35 Il motivo strutturale helix-turn-helix (1)

36 Il motivo strutturale helix-turn-helix (2)

37 Il motivo strutturale a dita di zinco (1)

38 Il motivo strutturale a dita di zinco (2)

39 Motivo strutturale a cerniera di leucine (1) NH2 NH2 Domini che legano il DNA (regioni basiche) Domini a cerniera di leucine COOH COOH

40 Il motivo strutturale a cerniera di leucina (2)

41 Come funzionano i fattori trascrizionali? L inizio della trascrizione negli eucarioti

42 L inizio della trascrizione negli eucarioti RNA Pol II deve associarsi con molti fattori trascrizionali generali (GTF) Ogni gene ha diverse sequenze regolatrici Diversi fattori trascrizionali speifici devono essere presenti per accendere completamente un gene Le sequenze regolatrici possono trovarsi anche molto distanti dal punto di inzio della trascrizione

43 I GTF si assemblano su tutti i promotori

44 L inizio della trascrizione negli eucarioti RNA Pol II deve associarsi con molti fattori trascrizionali generali (GTF) Ogni gene ha diverse sequenze regolatrici Diversi fattori trascrizionali speifici devono essere presenti per accendere completamente un gene Le sequenze regolatrici possono trovarsi anche molto distanti dal punto di inzio della trascrizione

45 Le sequenze di regolazione a cui si legano i fattori trascrizionali sono: Promotori Intensificatori (Enhancer) Silenziatori

46 L inizio della trascrizione negli eucarioti RNA Pol II deve associarsi con molti fattori trascrizionali generali (GTF) Ogni gene ha diverse sequenze regolatrici Diversi fattori trascrizionali specifici devono essere presenti per accendere completamente un gene Le sequenze regolatrici possono trovarsi anche molto distanti dal punto di inzio della trascrizione

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48 L inizio della trascrizione negli eucarioti RNA Pol II deve associarsi con molti fattori trascrizionali generali (GTF) Ogni gene ha diverse sequenze regolatrici Diversi fattori trascrizionali speifici devono essere presenti per accendere completamente un gene Le sequenze regolatrici possono trovarsi anche molto distanti dal punto di inzio della trascrizione

49 Le sequenze regolatrici possono trovarsi anche molto distanti dal punto di inzio della trascrizione promotore

50 Fattori di attivazione TRASCRIZIONE Fattori silenziatori

51 I silenziatori sono proteine repressori della trascrizione

52 Controllo Combinatorio della trascrizione

53 Chi regola i regolatori??

54 I vantaggi del Controllo Combinatorio: Negli eucarioti i geni non sono organizzati in operoni Con pochi fattori trascrizionali (alcune( centinaia) ) in combinazioni diverse si può controllare l espressione di tutti i geni Geni che devono essere accesi insieme condividono elementi di regolazione e proteine di regolazione Possibilità di regolazione fine del livello di trascrizione

55 L attivazione della trascrizione è risultato dell integrazione di molteplici segnali proteine molteplici provenienti regolatrici siti il da complessi di posizionate su di regolazione

56 La regolazione dell espressione espressione genica può avvenire a più livelli: Stato di Condensazione della Cromatina Trascrizione Post-trascrizionetrascrizione Traduzione Post-traduzionaletraduzionale sull attivit attività delle proteine

57 Il controllo post-trascrizionale trascrizionale: splicing alternativo stabilità del mrna

58 Nell uomo, il numero di geni è molto inferiore all atteso atteso Il genoma umano contiene geni Il trascrittoma: : ~60% dei geni hanno splicing alternativo Il proteoma: : nel ~70% dei casi, lo splicing genera sequenze aa diverse, quindi il proteoma è costituito da membri

59 Splicing differenziale o alternativo

60 Splicing differenziale o alternativo (1): fibronectina nei fibroblasti e negli epatociti

61 Poliadenilazione e splicing alternativi (2): anticorpi di membrana e di secrezione nei linfociti

62 Poliadenilazione e splicing alternativi (3): formazione di prodotti tessuto-specifici del gene umano della calcitonina CALC

63 Controllo positivo e negativo dello splicing

64 Una sorpresa recente: l editing dell RNA Possibilità di modificare la sequenza nucleotidica di un RNA dopo che è stato trascritto Un ulteriore modo per produrre da un unico gene una varietà di proteine correlate Azione delle deaminasi

65 Un ulteriore livello di regolazione post-trascrizionale: la stabilità del mrna Meccanismi che regolano la degradazione del mrna: Accorciamento o distacco della coda di poli-a Perdita del 3 UTR ad opera di endonucleasi specifiche

66 La regolazione dell espressione espressione genica può avvenire a più livelli: Stato di Condensazione della Cromatina Trascrizione Post-trascrizionetrascrizione Traduzione Post-traduzionaletraduzionale sull attivit attività delle proteine

67 Regolazione dell espressione genica a livello della traduzione

68 Regolazione della concentrazione di ferro nel citosol

69 La regolazione dell espressione espressione genica può avvenire a più livelli: Stato di Condensazione della Cromatina Trascrizione Post-trascrizionetrascrizione Traduzione Post-traduzionaletraduzionale sull attivit attività delle proteine

70 Controllo post-traduzionale traduzionale dell attivit attività delle proteine Modificazioni allosteriche Modificazioni covalenti: Livello di fosforilazione Attivazione con tagli proteolitici della proteina precursore Presenza/assenza inibitore Localizzzazione/Compartimentalizzazione Ubiquitinazione e direzionamento al proteasoma

71 Livelli di regolazione della espressione genica negli eucarioti