Dal Fenotipo normale al Fenotipo patologico€¦ · DNA PACKAGING Chromatin structure is hyerarchic NUCLEOSOME Heterochromatin (more compact organization) Euchromatin (less compact

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


Determinazione

dell’espressione di

1800 geni differenti

in vari tipi di cancro (RNA-tecnica microarray)


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


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


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


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


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)



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

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