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 www.unitn.it/cibio macchi@science.unitn.it
DNA, RNA e mirna revolutions Controllo traduzionale Trasporto di RNA Domande, approfondimenti
Differenziamento Mantenimento della diversita Alterazioni
Gli spazi omici
Gli spazi omici metaboloma (piccole molecole) proteoma (proteine) trascrittoma (mrna) genoma (DNA)
Nobel prize in Physiology or Medicine, 1962 - 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
Ribosoma DNA Trascrizione (nucleo) mrna Proteina Traduzione (Citoplasma) Funzione X
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
~ 3*10 9 Grandezza α Complessita? Grandezza α Longevita? ~ 140*10 9 ~ 670*10 9 Piramide della complessita? Piramide della longevita? ~ 590*10 3
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
Stesso genoma Stesso numero di geni espressi
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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1. Splicing 2. Controllo traduzionale
The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1993 "for their discoveries of split genes" Richard J. Roberts Phillip Sharp
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
1. Splicing 2. Controllo traduzionale: microrna
microrna - - - DNA mrna Proteina +/- Trascrizione (nucleo) Traduzione (Citoplasma)
microrna world Craig Mello Andrew Fire Nobel prize in Physiology or Medicine, 2006
Origine e meccanismo di azione RISC: RNA-induced silencing complex
302 (1/3) are neurons Accumulation around the ring Simple NS hope to model & understand an entire NS
Zebrafish come organismo modello: The vertebrate C. elegans
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
microrna world: non solo C. elegans..
Laboratory tool: - Silenziamento specifico - Veloce - Usi terapeutici - Rnd mir
1. Splicing 2. Controllo traduzionale: trasporto RNA
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
Esempi di localizzazione di RNA...non solo Drosophila... Actin mrna nei fibroblasti ASH1 mrna in lievito (S. cerevisiae)
...ma anche neuroni RNA che NON localizza nei dendriti RNA che localizza nei dendriti
Movimento di RNA nei dendriti neuronali
Perche le cellule localizzano RNA? Efficiente: 1 molecola mrna 10-100 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
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)
Come la memoria viene immagazzinata a livello cellulare? Quali molecole sono coinvolte in questo processo? Come fa il neurone a creare nuove specifiche sinapsi?
Dendrites Cell Body Axon Ramon y Cajal ca. 1890
Apprendimento e Memoria Modifiche di specifiche sinapsi Engert and Bonhoeffer, Nature 1999 Formazione di nuove sinapsi in un neurone
Apprendimento e Memoria Modifiche di specifiche sinapsi Modificami, Sto imparando! Come il neurone modifica alcune sinapsi ma non altre? Localizzando mrna! Lasciami riposare!
Neurone normale Neurone normale?? Assone Dendriti Assone Dendriti?? GFP 3 GFP / sirna
SMA: spinal muscular atrophy SCA: spinocerebellar ataxia ALS: amyotrophic lateral sclerosis
Grazie dell attenzione!