Regolazione dell espressione genica EUCARIOTI
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
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
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 12000 4 48000 Intermedio 300 500 150000 Scarso 15 11000 165000 Le funzioni housekeeping in una cellula di mammifero sono ~10.000
Livelli di regolazione della espressione genica negli eucarioti
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
Il primo livello di regolazione riguarda lo stato di condensazione della cromatina nel nucleo
Eucromatina e eterocromatina all interno del nucleo.
Cromosomi politenici delle ghiandole salivari di Drosophila
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
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
In che cosa consistono, a livello molecolare, le modificazioni dello stato di condensazione della cromatina associate alla attivazione trascrizionale?
L attivazione trascrizionale di un gene è accompagnata a decondensazione locale della cromatina
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)
Le regioni trascrivibili della cromatina sono sensibili alla digestione con DNAasi I (1)
Le regioni trascrivibili della cromatina sono sensibili alla digestione con DNAasi I (2)
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
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.
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.
I geni trascrizionalmente attivi hanno promotori ipometilati
Sintesi di differenti catene globiniche a determinati stadi di sviluppo embrionale, fetale e post-natale
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
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
Il controllo trascrizionale è molto importante
Come viene regolata la trascrizione? Sequenze di regolazione sul DNA e proteine di regolazione che si legano a queste sequenze
Le differenti coppie di basi possono essere riconosciute senza aprire la doppia elica H-bond acceptor H-bond donor
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
Il motivo strutturale helix-turn-helix (1)
Il motivo strutturale helix-turn-helix (2)
Il motivo strutturale a dita di zinco (1)
Il motivo strutturale a dita di zinco (2)
Motivo strutturale a cerniera di leucine (1) NH2 NH2 Domini che legano il DNA (regioni basiche) Domini a cerniera di leucine COOH COOH
Il motivo strutturale a cerniera di leucina (2)
Come funzionano i fattori trascrizionali? L inizio della trascrizione negli eucarioti
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
I GTF si assemblano su tutti i promotori
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
Le sequenze di regolazione a cui si legano i fattori trascrizionali sono: Promotori Intensificatori (Enhancer) Silenziatori
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
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
Le sequenze regolatrici possono trovarsi anche molto distanti dal punto di inzio della trascrizione promotore
Fattori di attivazione TRASCRIZIONE Fattori silenziatori
I silenziatori sono proteine repressori della trascrizione
Controllo Combinatorio della trascrizione
Chi regola i regolatori??
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
L attivazione della trascrizione è risultato dell integrazione di molteplici segnali proteine molteplici provenienti regolatrici siti il da complessi di posizionate su di regolazione
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
Il controllo post-trascrizionale trascrizionale: splicing alternativo stabilità del mrna
Nell uomo, il numero di geni è molto inferiore all atteso atteso Il genoma umano contiene 30.000-40.000 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 50.000-60.000 membri
Splicing differenziale o alternativo
Splicing differenziale o alternativo (1): fibronectina nei fibroblasti e negli epatociti
Poliadenilazione e splicing alternativi (2): anticorpi di membrana e di secrezione nei linfociti
Poliadenilazione e splicing alternativi (3): formazione di prodotti tessuto-specifici del gene umano della calcitonina CALC
Controllo positivo e negativo dello splicing
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
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
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
Regolazione dell espressione genica a livello della traduzione
Regolazione della concentrazione di ferro nel citosol
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
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
Livelli di regolazione della espressione genica negli eucarioti