Controllo trascrizionale Organismi unicellulari Duplicazione cellulare Risposta agli

Controllo trascrizionale

Organismi unicellulari • Duplicazione cellulare • Risposta agli stimoli dell’ambiente esterno

Organismi pluricellulari • Duplicazione cellulare • Sviluppo e differenziamento di tipi cellulari specializzati • Risposta agli stimoli dell’ambiente esterno • Coordinamento tra le funzioni dei diversi tipi cellulari

Virus • Duplicazione del proprio genoma sfruttando a proprio vantaggio i meccanismi molecolari delle cellule e degli organismi ospiti

Le cellule rispondono in modo complesso a stimoli complessi Unicellulari Assenza di glucosio Presenza di lattosio Induzione dei geni responsabili dell’utilizzazione del lattosio Pluricellulari

La maggior parte delle risposte cellulari richiede l’attivazione e/o la repressione coordinata di molti geni

In tutti gli organismi viventi le informazioni contenute nel genoma non si esprimono contemporaneamente, e sono finemente regolate. • Geni ad espressione costitutiva (housekeeping) • Geni ad espressione condizionale (inducibili, reprimibili) • Geni specializzati (tessuto specifici, che a loro volta possono essere costitutivi o condizionali)

Differenziamento cellulare

Differenziamento cellulare

La produzione di tipi celulari specializzati in genere non dipende da riarrangiamenti del DNA

Genoma Insieme delle informazioni genetiche caratterizzano un organismo. Trascrittoma Insieme degli RNA messaggeri prodotti da una determinata popolazione cellulare. Per ogni tipo cellulare diverso sono espressi all’incirca 10000 geni diversi. Proteoma Insieme delle proteine prodotte da una determinata popolazione cellulare.

Livelli di controllo dell’espressione genica

Il controllo della trascrizione è basato sul riconoscimento di corte sequenze di DNA da parte di diverse classi di proteine

Il controllo della trascrizione è basato sul riconoscimento di corte sequenze di DNA da parte di diverse classi di proteine

Come funziona la trascrizione ? I promotori e le RNA polimerasi sono asimmetrici 5’ 3’ TTACGTAACGTCAGAACGTATAAACCGGAACGTAGGGGTCGCGCGTT AATGCATTGCAGTCTTGCATATTTGGCCTTGCATCCCCAGCGCGCAA 3’ 5’ Promotore

Come funziona la trascrizione ? I promotori e le RNA polimerasi sono asimmetrici 5’ 3’ TTACGTAACGTCAGAACGTATAAACCGGAACGTAGGGGTCGCGCGTT AATGCATTGCAGTCTTGCATATTTGGCCTTGCATCCCCAGCGCGCAA 3’ 5’ Promotore

Come funziona la trascrizione ? I promotori e le RNA polimerasi sono asimmetrici m. RNA 3’ 5’ CCGGAACGUAGGG 5’ 3’ TTACGTAACGTCAGAACGTATAAACCGGAACGTAGGGGTCGCGCGTT AATGCATTGCAGTCTTGCATATTTGGCCTTGCATCCCCAGCGCGCAA 3’ 5’ Promotore

Cosa succede se inverto il promotore ? Promotore 5’ 3’ TTACGTAACGTCAGAACGTTTATACCGGAACGTAGGGGTCGCGCGTT AATGCATTGCAGTCTTGCAAATATGGCCTTGCATCCCCAGCGCGCAA 3’ 5’

Cosa succede se inverto il promotore ? Promotore 5’ 3’ TTACGTAACGTCAGAACGTTTATACCGGAACGTAGGGGTCGCGCGTT AATGCATTGCAGTCTTGCAAATATGGCCTTGCATCCCCAGCGCGCAA 3’ 5’

Cosa succede se inverto il promotore ? Promotore 5’ 3’ TTACGTAACGTCAGAACGTTTATACCGGAACGTAGGGGTCGCGCGTT AATGCATTGCAGTCTTGCAAATATGGCCTTGCATCCCCAGCGCGCAA 3’ 5’ AGUCUUGC 3’ m. RNA 5’

Come funziona la trascrizione ?

Strategie di controllo dell’espressione genica nei batteri • Genoma estremamente compatto • Le RNA polimerasi possono riconoscere il promotore in assenza di altre proteine • Organizzazione dei geni in operoni • Regioni di controllo molto piccole (in genere <200 bp)

Controllo negativo: l’operon del triptofano

Controllo negativo: l’operon del triptofano

Integrazione di due informazioni: l’operon del lattosio

Circuiti genetici complessi nei procarioti: il fago lambda

Il ciclo vitale del fago lambda

Lisogenia

Un interruttore complesso La proteina c. I agisce sia da repressore (sui geni responsabili della crescita litica) sia da attivatore (della propria trascrizione)

Il controllo della espressione genica negli eucarioti è molto più sofisticato che nei procarioti • Compartimentalizzazione di trascrizione e traduzione • Genomi poco compatti, con grande quantità di DNA non codificante • Sequenze geniche suddivise in esoni ed introni • Regioni di controllo dei geni molto grandi (anche > 50000 bp) • RNA polimerasi incapaci di iniziare la trascrizione senza altri fattori • RNA messaggeri codificanti per singole proteine, no operoni

Il DNA eucariotico è organizzato sotto forma di cromatina

Regolazione a distanza

Struttura di un tipico promotore eucariotico

Il controllo della trascrizione avviene a numerosi livelli: • Pre-attivazione (Induzione di uno stato trascrizionalmente competente) § Fattori di trascrizione legati a specifici promotori/enhancers § Co-attivatori (acetilasi degli istoni, attivita’ che rimodellano la cromatina) § Fattori “generali” di trascrizione (GTFs) e RNA polimerasi • Inizio/re-inizio della trascrizione • Elongazione del trascritto • Terminazione del trascritto

Diversamente dai procarioti, la trascrizione dei geni eucarioti e’ controllata da numerosi elementi TBP TFIIs Pol. II hinery . mac r t l a s a B TATA ~ -200 ~ -50 PROSSIMALE ENHANCER (~ 100 bp) CORE PROMOTORE § La funzione principale dei fattori di trascrizione e’ di facilitare l’assemblaggio del macchinario basale di trascrizione sul promotore essenziale (core). § Questo avviene - tramite reclutamento di GTF - tramite reclutamento di HAT oppure di attivita’ che rimodellano la cromatina - tramite attivita’ acetilasiche intrinsiche

Il promotore essenziale (core promoter) • Determina il sito di inizio della trascrizione e dirige il legame dell’ RNA Pol II • I promotori essenziali più frequenti per l’RNA Pol II sono: – TATA box: la sua sequenza e’ altamente conservata (TATAAA); si trova prevalentemente in geni che vengono trascritti rapidamente, ed e’ localizzata ~25 -30 bp a monte del sito di inizio della trascrizione. èla TATA box dirige l’inizio della trascrizione a siti ben definiti – Isole Cp. G: proprio di molti geni “house-keeping”. La trascrizione comincia a siti multipli disseminati in una regione di circa 20 -200 -bp.

L’inizio della trascrizione da parte dell’RNA Pol II richiede multipli fattori • Fattori di trascrizione generali (GTF) insieme con l’RNA Pol II formano l’apparato trascrizionale basale, che lega il promotore essenziale ed è sufficiente alla trascrizione in vitro – TBP (che con i fattori associati a TBP (TAF) forma -> TFIID) – TFIIA, TFIIB, TFIIF, TFIIE, TFIIH • Fattori di trascrizione specifici, anche richiesti per la trascrizione attivata: servono per reclutare e assemblare l’apparato trascrizionale – Si legano a elementi di riconoscimento sul promotore e sull’enhancer – Multipli fattori di trascrizione sono normalmente coinvolti nell’attivazione di un gene

Inizio della trascrizione negli eucarioti: modello sequenziale TBP + TAFs=TFIID

Inizio della trascrizione negli eucarioti: reclutamento dell’oloenzima TBP + TAFs=TFIID

Meccanismi di attivazione TBP + TAFs=TFIID

Meccanismi di attivazione: rimodellamento locale della cromatina TBP + TAFs=TFIID

Importanza delle modificazioni post-traduzionali degli istoni: acetilazione-deacetilazione TBP + TAFs=TFIID

Coattivatori, corepressori • Richiesti per la funzione dei fattori di trascrizione specifici • NON richiesti per la trascrizione basale (ma la stimolano ~10 x) • NON legano specificamente il DNA

Sinergia e cooperazione tra molecole di fattori trascrizionali: concetto di enhanceosoma Sinergia TBP + TAFs=TFIID Cooperazione Enhanceosoma

Sequenza di eventi nell’attivazione trascrizionale di un gene

Repressori trascrizionali eucariotici

Repressori trascrizionali eucariotici

Strategie di controllo trascrizionale: orologi molecolari

Recettori nucleari per gli ormoni

Strategie di controllo trascrizionale: espressione coordinata indotta da cortisolo • Stesso recettore, effetti diversi dipendenti dalla combinazione di fattori presenti • Alcuni geni vengono attivati, ma altri sono repressi. • Nel fegato aumenta l’espressione dei geni implicati nella gluconeogenesi • Nel muscolo diminuisce la captazione degli aminoacidi e stimola la proteolisi

Alcuni geni regolano complessi programmi di differenziamento cellulare I fattori trascrizionali della famiglia di Myo. D possono converire in cellule muscolari i mioblasti, ma non altri tipi cellulari

Alcuni geni regolano complessi programmi di sviluppo

Controllo combinatorio durante lo sviluppo

Modularità degli elementi di controllo trascrizionale

Modularità degli elementi di controllo trascrizionale

Modularità degli elementi di controllo trascrizionale

Come si può limitare l’azione degli elementi di controllo: isolatori cromatinici

Il controllo delle beta globine umane

Controllo epigenetico e memoria cellulare

Modificazioni epigenetiche del DNA: metilazione Distinzione tra metilazione ‘de novo’ e metilazione di mantenimento

Il dinucleotide Cp. G è poco rappresentato nel DNA dei vertebrati perché soggetto a mutazione secondaria a metilazione Distinzione tra metilazione ‘de novo’ e metilazione di mantenimento

Isole Cp. G nei geni

La metilazione durante lo sviluppo

La metilazione di solito si associa con repressione dell’espressione genica: meccanismo

Fenomeno dell’esclusione allelica: anche se di ogni gene sono presenti due copie, in alcuni casi solo una di queste si esprime • Può essere dipendente dall’origine parentale dell’allele, e in questo caso si parla di imprinting • Può essere indipendente dall’origine parentale (ad es. inattivazione del cromosoma X) • In entrambi i casi può essere tessuto-specifico

Esempi di imprinting: H 19 e IGF 2 H 19: allele paterno represso e fortemente metilato. IGF 2: allele materno represso.

Esempi di imprinting: Delezioni della regione 15 q 11 -q 13 in eterozigosi Sindrome di Prader-Willi • Ritardo mentale • Ipotonia • Obesità • Ipogonadismo

Esempi di imprinting: Delezioni della regione 15 q 11 -q 13 in eterozigosi Sindrome di Angelman • Ritardo mentale • Difficoltà di eloquio • Ritardo di crescita • Iperattività • Ilarità inappropriata