Dal Genotipo al Fenotipo

Dal Genotipo al Fenotipo Dal Fenotipo normale al Fenotipo patologico Regolazione dell espressione genica

Figure 7-1 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)

Una cellula differenziata contiene tutte le informazioni genetiche necessarie a dirigere la formazione di un organismo completo

Figure 7-2a Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)

Figure 7-2b Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)

Tipi cellulari diversi sintetizzano serie diverse di proteine Proteine costitutive Geni housekeeping Proteine strutturali dei cromosomi RNA polimerasi Proteine ribosomali Enzimi della glicolisi Proteine del citoscheletro Proteine del differenziamento Geni regolati Emoglobina Insulina Figure 7-2c Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)

Determinazione dell espressione di 1800 geni differenti in vari tipi di cancro (RNA-tecnica microarray) Figure 7-3 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)

Proteine presenti in due differenti umani (elettroforesi bidimensionale di proteine) In rosso sono colorate le proteine comuni in blu quelle specifiche Figure 7-4 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)

Regolazione dell espressione genica Organizzazione della cromatina Punto 1 Inizio della trascrizione

L inizio della trascrizione è controllato mediante: Sequenze di DNA (promotori sequenze di regolazione) (cis acting) Alle quali si legano delle proteine chiamate Fattori di Trascrizione (generali o specifici) (trans acting) transcription factors PROMOTER

Proteine che legano il DNA I Fattori di Trascrizione sono generalmente proteine bi-modulari caratterizzate: 1. da specifici domini che hanno la capacità di legare il DNA 2. da domini in grado di interagire con specifici ligandi che possono attivare o reprimere la trascrizione

Dal Volume: La Cellula, un approccio molecolare

Proteina a dito di zinco

Nonostante siano conosciuti molti dei siti a cui si legano i differenti TF resta ancora tanto da scoprire sulle regioni con funzione di regolazione nel nostro genoma

Differenti tecniche ci permettono di scoprire le proteine regolatrici e la sequenza delle regioni regolatrici a cui sono legate ESEMPI Cromatografia per affinità (identifica le proteine) Footprinting del DNA (identifica le sequenze nucleotidiche)

Conserved non genic sequence Emmanouil et al. (2005) Nature Reviews Genetics

Conserved non genic sequence Emmanouil et al. (2005) Nature Reviews Genetics

Regolazione nei procarioti Il gene dei procarioti è policistronico

Gruppi di geni che codificano per enzimi coinvolti in una stessa via metabolica vengono trascritti contemporaneamente. Questo meccanismo permette di controllare l espressione genica in modo coordinato questi gruppi di geni vengono chiamati operoni

Operone Triptofano Controllo negativo della trascrizione Repressore del Triptofano Figure 7-35 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)

Operone Lattosio Jacob e Monod (1961) L operone Lac codifica per le proteine necessarie per il trasporto del lattosio all interno della cellula e per la sua demolizione 1. Beta-galattosidasi 2. Permeasi 3. Transacetilasi

Il controllo negativo dell operone lac In assenza di lattosio non è necessaria la trascrizione dell operone. Un repressore si lega al promotore ed inibisce il legame DNA-RNA pol. In presenza di lattosio il disaccaride si lega al repressore inattivandolo e la trascrizione può partire. Dal Volume: La Cellula, un approccio molecolare

Il controllo positivo dell operone lac Quando i livelli di glucosio si abbassano è necessaria la degradazione del lattosio. Bassi livelli di glucosio attivano l adenilato ciclasi che converte ATP in camp. Il camp si lega ad una proteina CAP (proteina attivatrice dei cataboliti) che attiva la trascrizione Dal Volume: La Cellula, un approccio molecolare

Eucarioti Presenza di cromatina Fattori Generali di Trascrizione Differente organizzazione genica Differenziamento cellulare

Figure 7-44 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Eucarioti

Differenti Fattori di Trascrizioni Specifici (STF) sono presenti in differenti tipi cellulari. Questi permettono specifici patterns di espressione genica che conferiscono la specificità cellulare. Dei 22.000 geni umani dal 5% al 10% codifica per STF

La trascrizione di singoli geni è accesa o spenta nelle cellule da proteine regolatrici. Gli attivatori e i repressori agiscono con una varietà di meccanismi causando generalmente: La modificazione locale della struttura della cromatina L assemblaggio dei fattori generali di trascrizione al promotore Il reclutamento della RNA polimerasi

DNA PACKAGING Chromatin structure is hyerarchic NUCLEOSOME Heterochromatin (more compact organization) Euchromatin (less compact organization)

2 differenti meccanismi permettono agli eucarioti di controllare l espressione coordinata di geni multipli 1)Diversi TF agiscono sullo stesso gene 2)Lo stesso TF agisce su differenti geni

Figure 7-50a Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)

Complessi proteici differenti si legano a regioni regolatrici di uno stesso gene influenzando l inizio della trascrizione

L espressione di una singola proteina regolatrice può scatenare l espressione di un intera batteria di geni a valle

Complex Mammalian Gene Control Regions One example of a complex mammalian regulatory region is found in the human β-globin gene, which is expressed exclusively in red blood cells and at a specific time in their development

Hb-A (2α - 2β) HbA-2 (2α 2δ) HbF (2α - 2γ) Hb embrionale (2ζ 2ε)

Complex Mammalian Gene Control Regions The human β-globin gene is part of a cluster of globin genes. Moreover, each gene is turned on at a different stage of development. The entire cluster appears to be subject to a shared control region called a locus control region (LCR)

Complex Mammalian Gene Control Regions The LCR appears to act by controlling chromatin condensation, and its importance can be seen in patients with a certain type of thalassemia

MiRNA & SiRNA Small RNAs With a Big Role in Gene Regulation

MicroRNAs (mirnas) are a family of 21 25 25-nucleotide small RNAs that, at least for those few that have characterized targets, negatively regulate gene expression at the post-transcriptional transcriptional level

WHAT IS A microrna? MicroRNAs (mirnas) are endogenous ~22 nt long RNAs that can play important regulatory roles in animals and plants by targeting mrnas for cleavage or translational repression. By this way they can influence the output of many protein-coding genes. [David P. Bartel, Cell, Vol. 116, 281 297, January 23, 2004]

Members of the mirna family were initially discovered as small temporal RNAs (strnas) that regulate developmental transitions in Caenorhabditis elegans

mirnas FEATURES Le sequenze nucleotidiche dei mirna si sono conservate nel corso dell evoluzione I loro geni possono essere localizzati sia in regioni intergeniche che all interno di geni di seconda classe (di solito in introni o in esoni non tradotti; Vengono trascritti (RNA pol II) quindi in modo indipendente o contemporaneamente al gene che li ospita Molte volte troviamo cluster di geni

mirna GENOMICS: INTERGENIC; INTRONIC; EXONIC AND Zhao Y and Srivastava D, 2007

mirnas FEATURES Effettuano un meccanismo di hetero-silencing degradando il messagero target o bloccando la traduzione; Lo stesso mirna può avere come bersaglio differenti mrnas; Differenti mirnas possono avere come bersaglio lo stesso mrna.

FAVOURITE mirna TARGETS Ligands Cell-surface receptors Intracellular central signaling proteins Nuclear proteins Fraction of mirna target 9.1% (3/33) 31.2% (122/391) 18.8% (15/80) 50.0% (19/38) Cui Q. er al, 2006 modified

microrna BIOGENESIS: IT S A LONG WAY! Il processo di maturazione dei mirna è estremamente complesso TRASCRIZIONE Pri-miRNA MATURAZIONE NUCLEARE Pre-miRNA TRASPORTO NEL CITOPLASMA MATURAZIONE CITOPLASMATICA mirna maturo

MAIN FUNCTIONS OF mirnas Cell proliferazion; Cell death; Fat Metabolism In Flies (Brennecke et al., 2003; Xu et al., 2003) Neuronal patterning In Nematodes (Johnston and Hobert, 2003) Modulation of Hematopoietic Lineage differentiation In Mammals (Chen et al., 2004) Control of Leaf and Flower Development In plants (Palatnik et al., 2003)

microrna FUNCTIONS mirnas HAVE IMPORTANT FUNCTIONS INCLUDING CONTROL OF CELL DEATH, CELL PROLIFERATION, AND FAT METABOLISM; NEURONAL PATTERNING; MODULATION OF HEMATOPOIETIC LINEAGE DIFFERENTIATION, AND CONTROL OF LEAF AND FLOWER DEVELOPMENT.

microrna FUNCTIONS: SOME EXAMPLES mir-125b CONTROLS PROLIFERATION OF DIFFERENTIATED CELLS; mir-181 IS INVOLVED IN THE DIFFERENTIATION OF MAMMALIAN HAEMATOPOIETIC CELLS TOWARDS THE B-CELL LINEAGE; mir-375 IS INVOLVED IN MAMMALIAN PANCREATIC ISLET-CELL DEVELOPMENT AND IN THE REGULATION OF INSULIN SECRETION; mir-143 IS INVOLVED IN MAMMALIAN ADIPOCYTE DIFFERENTIATION; mir-1 PARTICIPATES IN MAMMALIAN HEART DEVELOPMENT

micrornas AND CANCER

micrornas CAN FUNCTION AS TS AND OG