Dal Fenotipo normale al Fenotipo patologico€¦ · DNA PACKAGING Chromatin structure is hyerarchic...
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Regolazione dell’espressione genica
Dal Genotipo al Fenotipo
Dal Fenotipo normale al Fenotipo patologico
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)
Figure 7-2c 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 7-3 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Determinazione
dell’espressione di
1800 geni differenti
in vari tipi di cancro (RNA-tecnica microarray)
Figure 7-4 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
Punto 1
Organizzazione della cromatina
Inizio della trascrizione
Regolazione dell’espressione genica
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
•Cromatografia per affinità (identifica le proteine)
•Footprinting del DNA (identifica le sequenze nucleotidiche)
ESEMPI
Conserved non genic sequence
Emmanouil et al. (2005) Nature Reviews Genetics
Emmanouil et al. (2005) Nature Reviews Genetics
Conserved non genic sequence
Il gene dei procarioti è policistronico
Regolazione nei procarioti
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
Figure 7-35 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Operone Triptofano
Controllo negativo della trascrizione
Repressore del Triptofano
1. Beta-galattosidasi
2. Permeasi
3. Transacetilasi
Operone LattosioJacob 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
Dal Volume: La Cellula, un approccio molecolare
In assenza di lattosionon è necessaria la trascrizione dell’operone.Un repressore si lega al promotore ed inibisce il legame DNA-RNA pol.
In presenza di lattosioil disaccaride si lega al repressore inattivandolo e la trascrizione può partire.
Il controllo negativo dell’operone lac
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
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 ββββ-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)
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
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 & SiRNAMiRNA & SiRNA
Small RNAs With a Big Role in Small RNAs With a Big Role in
Gene RegulationGene Regulation
MicroRNAs (miRNAs) are a family of 21MicroRNAs (miRNAs) are a family of 21––2525--nucleotide nucleotide
small RNAs that, at least for those few that have small RNAs that, at least for those few that have
characterized targets, negatively regulate gene expression characterized targets, negatively regulate gene expression
at the postat the post--transcriptional leveltranscriptional 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 discoveredMembers of the miRNA family were initially discovered
as small temporal RNAs (stRNAs) that regulate as small temporal RNAs (stRNAs) that regulate
developmental transitions in developmental transitions in Caenorhabditis elegansCaenorhabditis elegans
• 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
miRNAs FEATURES
miRNA GENOMICS: INTERGENIC; INTRONIC; EXONIC AND…
Zhao Y and Srivastava D, 2007
• 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.
miRNAs FEATURES
Ligands
Cell-surfacereceptors
Intracellular centralsignaling proteins
Nuclear proteins
Fraction ofmiRNA target
9.1% (3/33)
31.2% (122/391)
18.8% (15/80)
50.0% (19/38)
Cui Q. er al, 2006 modified
FAVOURITE miRNA TARGETS
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 CITOPLASMAMATURAZIONE 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 FlowerDevelopment
In plants(Palatnik et al., 2003)
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
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