La regolazione dellespressione genica*

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*Limportanza della regolazioneLa regolazione genica la capacit di una cellula di controllare lespressione (trascrizione e traduzione) dei suoi geni;

i geni possono essere attivati o disattivati al momento opportuno per evitare un inutile dispendio energetico.

Esistono proteine indispensabili alla cellula durante lintero arco della vita e i geni che le codificano sono detti GENI COSTITUTIVI.Linformazione portata da un gene viene trasformata in un prodotto funzionale(proteina)

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*Limportanza della regolazione:Procarioti

In E. coli la presenza di lattosio come alimento induce la sintesi dellenzima beta-galattosidasi, che lo scinde;

la presenza dellamminoacido triptofano nel terreno di crescita inibisce invece la sua sintesi interna perch il triptofano viene continuamente sintetizzato.

Il controllo dellespressione genica nei Procarioti consiste nellattivazione e nella disattivazione dei geni in risposta alle variazioni delle disponibilit nutritive dellambiente

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*Limportanza della regolazione:EucariotiIl genoma lo stesso per tutte le cellule di un organismo. Ci che cambia il proteoma: linsieme delle proteine espresse da una cellula;durante il differenziamento i geni vengono espressi in sequenza temporale controllata.I segmenti di DNA che codificano per la miosina per es. sono presenti anche nelle cellule della pelle, del cuore cio in tutti i circa 200 differenti tipi cellulari del nostro corpo

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*Limportanza della regolazioneDurante le diverse fasi dello sviluppo vengono espressi geni diversi per la globina.

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*Qualsiasi cellula matura di un individuo contiene tutti i geni presenti nello zigote.Nelle cellule mature non si perde DNA funzionale e i geni non sono inattivati in modo definitivo.J.B.GURDON

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Il controllo genico nei procariotiIl controllo pu avvenire in una delle tre fasi che portano alla sintesi proteica.

Avviene soprattutto durante la trascrizione.*Proteine dette : Fattori di regolazione della trascrizione (codificate da GENI REGOLATORI)che possono permettere o impedire la trascrizione.Piccole molecole effettrici

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Il controllo genico nei procariotiI fattori di regolazione della trascrizione:

sono proteine codificate da geni regolatori;si legano vicino alla sequenza promotore di un gene; possono reprimere o attivare la trascrizione;agiscono a volte con piccole molecole effettrici che ne modificano la conformazione.

I geni costitutivi non subiscono questo controllo, sono sempre attivi perch codificano per proteine indispensabili durante lintera vita della cellula.*

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Il controllo genico nei procarioti*I geni costitutivi non subiscono questo controllo, sono sempre attivi perch codificano per proteine indispensabili durante lintera vita della cellulaFattore di regolazione della trascrizioneI geni strutturali : segmenti di DNA che codificano per una proteina

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*Il controllo genico nei procariotiNei procarioti i geni strutturali che codificano per polipeptidi con funzione correlata vengono spesso trascritti sullo stesso segmento di mRNA. se una cellula procariota deve sintetizzare contemporaneamente un certo numero di polipeptidi diversi tra loro, il suo DNA pu trascrivere sullo stesso segmento di mRNA tutti i geni interessati a tale sintesi

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*Operone un insieme di geni che dispone di precisi meccanismi di controlloOperone: ununit funzionale promotore + operatore + geni strutturali.Operatore : un insieme di nucleotidi che ha funzione regolatriceGeni strutturali:un segmento di DNA che codifica per un polipeptideGeni regolatori sono sparsi nel cromosoma, non fanno parte delloperone, ma codificano per attivatori e repressori della trascrizione.

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*I corepressori:una molecola effettrice che attiva un repressoreil triptofano, se presente nel terreno di coltura, si lega al repressore trp, ne cambia la conformazione permettendogli di legarsi al sito delloperatore; insieme bloccano la sintesi di triptofano. Quindi il triptofano funge da corepressore perch lattivazione del repressore attivata dal triptofano stesso, cosi facendo il triptofano-corepressore, andando ad attivare il repressore evita alla cellula di sintetizzare quantitativi inutili di questo amminoacido Il controllo genico nei procariotiInterazione corepressore-repressore blocca la sintesi proteica

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*Il controllo genico nei procariotiLe cellule di Escherichia coli hanno bisogno di un enzima,beta galattosidasi, per poter scindere la molecola di lattosio nei 2 monosaccaridi che la compongono . Poich le cellule che crescono in assenza di questo zucchero sono praticamente prive di tale enzima chiaro che proprio la presenza del lattosio a indurre la sintesi della beta-galattosidasiGli induttori: il lattosio, se presente nel terreno di coltura, si lega al repressore lac inibendo la sua capacit di legarsi alloperatore; quindi il lattosio funziona da induttore stimolando lespressione di un genevengono sintetizzati gli enzimi utili alla degradazione del lattosio. Interazione induttore repressore attiva la sintesi proteica

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*La regolazione negli eucarioti

Come i procarioti: attivatori e repressori che stimolano o inibiscono lattivit dellRNA polimerasi;molecole effettrici.

Solo eucarioti: maggior numero di proteine e cellule diverse;non ci sono gli operoni(nei quali i geni strutturali venivano trascritti in ununica molecola di mRNA);inibizione attraverso laggiunta di un gruppo metile al DNA;attivatori che alterano la struttura della cromatina.

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*La regolazione negli eucarioti

Eterocromatina: cromatina pi condensata e si colora pi intensamente;eucromatina: cromatina distesa, pi dispersa, si colora debolmente, permette la trascrizione, presente solo in interfase;

LA TRASCRIZIONE AVVIENE SOLO A LIVELLO DELLEUCROMATINA DURANTE LINTERFASE QUANDO LA CROMATINA E DESPIRALIZZATA(CONFORMAZIONE APERTA) MENTRE I GENI DELLETEROCROMATINA NON SAREBBERO ACCESSIBILI ALLA RNA POLIMERASI A volte un intero cromosoma pu essere inattivato, come accade a uno dei due cromosomi X nelle cellule delle femmine dei Mammiferi, durante lo sviluppo embrionale. Il cromosoma inattivato forma una piccola massa scura, CORPO DI BARR disposta vicino al bordo del nucleo

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17/08/12istoni: proteine che mantengono la cromatina spiralizzata;

il grado di condensazione varia da un tipo di cellula allaltro;

eterocromatina permanente: corpi di Barr, centromeri, telomeri e regioni non codificanti.

*La regolazione negli eucarioti

Istone acetitransferasi: attacca gruppi acetili alle code N terminali delle proteine istoniche, che si allentano, lasciando libero il DNA per la trascrizione.

Poich la trascrizione di un gene pu avvenire solo quando la cromatina presenta una conformazione aperta(cromatina meno compatta per facilitare laggancio del Rna polimerasi)ci sono degli attivatori in grado di alterare la strutturaNei mammiferi ci sono 50 enzimi che modificano gli istoni, per compattare o despiralizzare la cromatina.

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*Il promotore costituito da tre unit:

TATA box, la particolare sequenza nucleotidica che localizza il punto in cui la trascrizione pu avere luogo;

inizio della trascrizione, si inserisce la RNA polimerasi per dare inizio alla trascrizione

TATA BOX+ SITO DI INIZIO TRASCRIZIONE= PROMOTORE BASALE;

sito degli elementi regolatori: sequenze nucleotidiche enhancer e silencer che favoriscono o inibiscono lavvio della trascrizione. Possono essere situati o in prossimit della sequenza promotore presso cui si lega lenzima RNA polimerasi o lontani

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*La regolazione negli eucariotiTATA box + inizio della trascrizione = promotore basale

Fattori di trascrizione generali: si legano al promotore basale per consentire lattacco della RNA polimerasi.

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*La regolazione negli eucariotiLa trascrizione ha inizio quando un attivatore si lega allenhancer;gli enhancer sono specifici per ogni tipo di cellula.

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*La regolazione negli eucariotiSe gli enhancer sono lontani dal promotore necessaria la presenza di un mediatore.

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*Regolazione post-trascrizionale

Splicing alternativo: da un unico gene posso ottenere diversi trascritti e quindi diverse proteine; modifiche chimiche alla sequenza leader che impediscono lattacco dellRNA ai ribosomi;repressore traduzionale: si lega allmRNA quando la proteina presente in quantit sufficiente;RNA interference: piccole molecole di RNA, dette microRNA (miRNA) o short-interfering RNA (siRNA), che interferiscono con lmRNA, lo neutralizzano o degradano. dopo la traduzione: blocco reversibile o rottura della proteina non pi necessaria.

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*Curtis et al. Invito alla biologia.blu Zanichelli editore 2011Regolazione post-trascrizionaleRNA interference: queste brevi sequenze possono essere sintetizzate in laboratorio e offrono prospettive in campo medico.

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*La genetica dello sviluppoStudio dei cambiamenti da zigote a et adulta degli organismi pluricellulari;

il genoma di ogni individuo contiene le informazioni per la differenziazione delle cellule e lo sviluppo dellorganismo;

fattori di regolazione inducono i geni a spegnersi e accendersi: regolazione genica differenziale.

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*La genetica dello sviluppo

Lo sviluppo di Drosophila melanogaster:

Fase I - cellule specializzate trascrivono un gene detto bicoide che si accumula nella parte anteriore, polarizzando la cellula e quindi lembrione dopo la fecondazione.

Fase II - si attivano geni che inducono la formazione di un modello corporeo segmentato. Ogni segmento d origine a parti del corpo delladulto (15 segmenti: 3 cefalici, 3 toracici e 9 addominali).

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*La genetica dello sviluppo

Fase III - si attivano i geni omeotici che stabiliscono quali parti del corpo si originano da ogni segmento. Tutti questi geni conservano la stessa sequenza di 180 paia di basi dette homeobox: codificano per proteine che si legano a enhancer specifici, attivando o inibendo gruppi di geni.

Fase IV - le cellule si differenziano. Le cellule staminali totipotenti danno origine a tutti i tipi di cellule. Le cellule adulte sono in grado di originare solo cellule del proprio tipo (cellule unipotenti).

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*La proteomica

Proteomica (termine coniato da Mark Wilkins, 1994): comprendere le proteine espresse in una data cellula e metterle in relazione con i geni;

i proteomi di individui diversi presi dallo stesso tipo cellulare saranno simili;

ogni gene pu codificare per pi di una proteina (splicing alternativo);

trascrittoma: insieme degli mRNA di una cellula, spesso sufficiente per comprendere le proteine sintetizzate.

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*La proteomica Per capire quali proteine sono sintetizzate da una cellula in un dato momento si usa lelettroforesi su gel bidimensionale:

le proteine vengono separate in base alla carica netta a un determinato pH;le proteine vengono poi denaturate e separate in base alla loro massa.

Le proteine sono quindi tagliate con enzimi specifici, le proteasi, e identificate con la spettrometria di massa.

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*La proteomica Confrontare i proteomi di cellule sane e malate aiuta nello studio delle malattie genetiche

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