La regolazione dellespressione genica Copyright 2006 Zanichelli editore

La regolazione dell’espressione genica Copyright © 2006 Zanichelli editore

MUTAZIONI Le mutazioni possono cambiare il significato dei geni • Qualsiasi variazione nella sequenza nucleotidica del DNA rispetto alla sua conformazione originale è detta mutazione. • Le mutazioni sono causate da errori nella duplicazione del DNA, da ricombinazione o da agenti mutageni. DNA di emoglobina normale C T T m. RNA A T G U A C m. RNA G A A Emoglobina normale Glu Copyright © 2006 Zanichelli editore DNA di emoglobina mutante Emoglobina dell’anemia falciforme Val

MUTAZIONI PUNTIFORMI La sostituzione, l’inserzione o la delezione di nucleotidi alterano un gene con varie conseguenze sull’organismo. Gene normale m. RNA Proteina A U G A A G U U U G G C A Met Lys Phe Gly Ala Sostituzione di una base azotata A U G A A G U U U A G C A Met Lys Delezione di una base azotata Phe Ser Ala U Mancante A U G A A G U U G G C A U Met Copyright © 2006 Zanichelli editore Lys Leu Ala His

MUTAZIONI INDOTTE Le mutazioni indotte sono invece prodotte dall'azione di particolari agenti fisici o chimici detti appunto agenti mutageni. Sostituzione delle basi con molecole con struttura analoga a quelle comunemente presenti nel DNA ma che formano appaiamenti diversi e quindi errati. Aggiunta di gruppi sostituenti alle basi azotate: anche in questo caso generando molecole con capacità di appaiamento non corrette. Danneggiamento delle basi: rompendo legami o aggiungendone di nuovi rispetto alla condizione normale Inserzione o delezioni di basi. Copyright © 2006 Zanichelli editore

La genomica Cellula Diversi tessuti umani sono formati da cellule che si comportano in modo diverso Ogni cellula contiene una esatta copia del genoma (che non e’ altro che l’intera sequenza del DNA dell’organismo) All’interno del nucleo della cellula ci sono i cromosomi: 22 paia di autosomi e un paio di cromosomi sessuali XY Nei cromosomi si possono individuare porzioni di DNA codificante chiamati geni Copyright © 2006 Zanichelli editore

La genomica Il Progetto Genoma Umano (Detto anche HUGO, Acronimo di HUman Genome Organization) è un progetto internazionale di ricerca. Lo scopo del progetto è di mappare il genoma umano, ovvero descrivere la struttura, la posizione e la funzione dei circa 30. 000 geni (25. 000 secondo le ultime ricerche) che caratterizzano la specie umana Copyright © 2006 Zanichelli editore

La genomica • Il genoma umano comprende circa 35 000 geni che codificano per varie proteine, nonché per i t. RNA e gli r. RNA. • Oltre a questi geni, come quello della maggior parte degli eucarioti complessi, il genoma umano include un’enorme quantità di DNA non codificante (circa il 97% del totale). Copyright © 2006 Zanichelli editore

Il Genoma umano in numeri • 23 paia di cromosomi; • circa 2 metri di DNA; • 3, 000, 000 di paia di basi azotate; • 20, 000 -50, 000 geni. Copyright © 2006 Zanichelli editore

Il Genoma umano • Nella porzione di DNA non codificante sono comprese le sequenze regolatrici, come i promotori e gli enhancer. • Il restante DNA, che comprende gli introni, e il DNA non codificante localizzato tra i geni, è stato chiamato junk DNA, ossia «DNA spazzatura» . Copyright © 2006 Zanichelli editore

Il Genoma umano Geni contenuti in una cellula umana Geni per sintetizzare RNA Geni per proteine Ogni cellula in un determinato momento esprime solo questo potenziale (˜ 5000 geni) Geni costitutivi o housekeeping metabolismo biosintesi membrana istoni ribosomali Copyright © 2006 Zanichelli editore una piccola parte di Geni tessuto - specifici DIFFERENZIAMENTO CELLULARE

Perché ci sono cellule differenti Se ogni cellula contiene una copia dell’intero genoma ma le cellule sono di diversi tipi (cellule muscolari, cellule cardiache, cellule della pelle, cellule del sangue …) Che cosa le rende differenti ? per comprenderlo si studia l’Espressione genica differenziale cioè quando, dove, e in che quantità ogni gene è espresso. Copyright © 2006 Zanichelli editore

Differenziamento cellulare Il processo di differenziamento dà origine a una grande varietà di cellule specializzate • Durante le ripetute divisioni cellulari che portano uno zigote a diventare un organismo pluricellulare adulto, le singole cellule vanno incontro al differenziamento e diventano cellule specializzate nella struttura e nelle funzioni. Copyright © 2006 Zanichelli editore

Differenziamento cellulare • Differenti tipi di cellule umane producono differenti tipi di proteine a seconda delle combinazioni di geni che sono attivi in ciascuna di esse. • A seconda dei geni attivi, ciascuna cellula assume una specifica struttura e funzione. Cellule muscolari Copyright © 2006 Zanichelli editore Cellule del pancreas Cellule del sangue

Differenziamento cellulare Le cellule differenziate possono conservare tutto il loro potenziale genetico Le cellule differenziate esprimono solo una piccola percentuale dei loro geni. Radice di una pianta di carota Singola cellula Cellule radicali coltivate in una soluzione nutritiva Copyright © 2006 Zanichelli editore Le cellule Germoglio Pianta adulta si dividono nel terreno di coltura

Struttura dei cromosomi e espressione dei geni Spiralizzazione del DNA in un cromosoma eucariotico: Doppia elica di DNA (2 nm di diametro) Istoni Linker TEM «Perle di una collana» Nucleosoma (10 nm di diametro) TEM Fibra elicoidale compatta Superavvolgimento (30 nm di diametro) (300 nm di diametro) Copyright © 2006 Zanichelli editore Cromosoma in metafase 700 nm

Struttura dei cromosomi e espressione dei geni • Questa fibra elicoidale compatta si avvolge e ripiega ulteriormente. • Presumibilmente, la spiralizzazione del DNA impedisce l’espressione dei geni in quanto non consente all’enzima RNA-polimerasi (e ad altre proteine che contribuiscono alla trascrizione) di prendere contatto con il DNA. Copyright © 2006 Zanichelli editore

Struttura dei cromosomi e espressione dei geni Copyright © 2006 Zanichelli editore

Nucleosoma Un nucleosoma è formato da un filamento di DNA avvolto attorno a un nucleo proteico centrale costituito da otto istoni. L’avvolgimento del DNA intorno agli istoni consente l’impacchettamento di 176 cm di DNA in un nucleo del diametro di pochi µm Copyright © 2006 Zanichelli editore

Istoni Gli istoni sono proteine cariche positivamente. Essi interagiscono con il DNA, che è carico negativamente per l'abbondanza di gruppi fosfato. Ciascun istone presenta una lunga coda che si estende fuori dal nucleosoma, queste code possono subire numerose modificazioni che influiscono sulla struttura della cromatina, ad esempio facilitando la trascrizione di un gene oppure contribuendo alla sua inibizione Copyright © 2006 Zanichelli editore

Cromatina La cromatina è formata da DNA, avvolto su gruppi di istoni (proteine basiche), formando un nucleosoma, e da proteine non-istoniche (proteine neutre o acide); essa è poi ripiegata in vario modo eucromatina: meno condensata e corrisponde a zone in cui vi è un'intensa attività di trascrizione per la sintesi proteica eterocromatina: più condensata, non sembra presentare attività di trascrizione. Copyright © 2006 Zanichelli editore

Telomeri Il telomero è la regione terminale del cromosoma, da cui deriva il nome stesso, composta di DNA altamente ripetuto, che non codifica per alcun prodotto proteico. Ha un ruolo determinante nell'evitare la perdita di informazioni durante la duplicazione dei cromosomi. La DNA polimerasi, infatti, non è in grado di replicare il cromosoma fino alla sua terminazione; se non ci fossero i telomeri, che quindi vengono accorciati ad ogni replicazione, la replicazione del DNA comporterebbe in ogni occasione una significativa perdita di informazione genetica Copyright © 2006 Zanichelli editore

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I livelli di regolazione dell’espressione genica NUCLEO Meccanismi epigenetici: controllo a lungo DNA raggio mediante rimodellamento della struttura della cromatina controllo trascrizionale: legame di fattori trascrizionali tessuto specifici, legame diretto di ormoni, fattori di crescita o elementi intermedi a elementi Trascritto primario risponsivi di geni inducibili (precursore) controllo post-trascrizionale: splicing alternativo, poly. A alternativo, RNA editing tessutospecifico m. RNA CITOPLASMA controllo traduzionale traduzione controllo del trasporto m. RNA controllo della stabilità degradazione PROTEINA controllo post-traduzionale PROTEINA attiva o inattiva Copyright © 2006 Zanichelli editore

Controllo durante la trascrizione Negli eucarioti la trascrizione è controllata da complessi aggregati di proteine • Vi sono proteine di regolazione che, legandosi al DNA, attivano o disattivano la trascrizione. • I meccanismi di controllo comprendono proteine che si legano a segmenti specifici del DNA (con sistemi più complessi di quelli dei procarioti). Copyright © 2006 Zanichelli editore

Controllo durante la trascrizione I fattori di trascrizione Alcune proteine di regolazione, chiamate fattori di trascrizione, favoriscono l’inizio della trascrizione. Intensificatori Promotore Gene DNA Induttori Fattori di trascrizione Altre proteine RNA-polimerasi Ripiegamento del DNA Trascrizione Copyright © 2006 Zanichelli editore

Controllo durante la trascrizione La coordinazione dell’espressione genica negli eucarioti • Negli eucarioti la coordinazione dell’espressione genica sembra dipendere dalla presenza di una specifica sequenza enhancer. Gli enhancers sono sequenze nucleotidiche esplicano la loro funzione aumentando notevolmente (fino a 200 volte) la frequenza di trascrizione del gene che • Diverse copie di fattori di trascrizione che riconoscono queste sequenze di DNA si legano a esse promuovendo la trascrizione simultanea dei geni. Copyright © 2006 Zanichelli editore

Controllo dopo la trascrizione L’RNA eucariotico viene modificato prima di lasciare il nucleo • Il tipo di RNA che codifica per le sequenze di amminoacidi è detto RNA messaggero (m. RNA). • Le regioni di geni non codificanti, chiamate introni (cioè «sequenze che interrompono» ), vengono rimosse. • Gli esoni (le regioni codificanti) si uniscono per produrre una singola molecola codificante di m. RNA. Questo processo è chiamato splicing. Copyright © 2006 Zanichelli editore

Controllo dopo la trascrizione i segmenti non codificanti (introni) vengono rimossi grazie al processo di splicing. In alcuni casi la cellula svolge lo splicing in maniera differente (splicing alternativo) e genera diverse molecole di m. RNA a partire dallo stesso trascritto di RNA. Esone DNA Trascritto di RNA Splicing dell’RNA m. RNA Copyright © 2006 Zanichelli editore oppure

Controllo durante la traduzione Anche la traduzione e le ultime fasi dell’espressione genica sono soggette a regolazione Dopo che l’RNA è stato modificato e trasferito dal nucleo al citoplasma, avvengono altre forme di controllo dell’espressione genica: • demolizione più o meno rapida dell’m. RNA; • attivazione della traduzione; • modificazione dei polipeptidi tradotti; • demolizione delle proteine. Copyright © 2006 Zanichelli editore

Controllo dopo la traduzione L’attivazione delle proteine S S SH SH Polipeptide iniziale (inattivo) Copyright © 2006 Zanichelli editore Taglio S S SH SH Ripiegamento del polipeptide e formazione dei legami S—S S SH SH I polipeptidi che si formano dopo la traduzione non sempre sono già pronti ad agire: spesso devono essere modificati per diventare funzionali. S S S Polipeptide ripiegato (inattivo) S S Insulina (ormone attivo)

La regolazione dell’espressione genica Una visione d’insieme dell’espressione genica negli eucarioti I molteplici meccanismi che controllano l’espressione genica sono analoghi alle valvole di controllo delle tubazioni. Copyright © 2006 Zanichelli editore

Il Dogma Centrale della biologia molecolare (Crick, 1957) Affermava che L’ espressione dell’informazione genetica contenuta nelle molecole di DNA, avviene in due stadi e determina una data proteina a partire da un dato segmento di DNA: –(i) trascrizione, durante la quale il DNA è trascritto in m. RNA –(ii) traduzione, durante la quale l’ m. RNA è tradotto per produrre la proteina associata DNA m. RNA Copyright © 2006 Zanichelli editore proteina

Ma il dogma centrale della biologia è stato messo in dubbio dalle ricerche successive sui processi di controllo dell’espressione genica e oggi si deve comprendere : 1) La Funzione Genica Sperimentalmente sono stati identificati ~ 10. 000 geni Un singolo gene solitamente è implicato in più di una funzione biologica Solo una piccola parte dei ~ 10. 000 geni identificati ha almeno una funzione certa Copyright © 2006 Zanichelli editore

2) La regolazione genica Si ipotizza che geni espressi in modo simile nelle stesse condizioni sperimentali siano regolati da promotori (sequenze che precedono il gene) simili Si suppone che geni regolati dalle stesse proteine siano coinvolti negli stessi processi biologici (e che quindi abbiano funzioni simili) Copyright © 2006 Zanichelli editore