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

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 Lattosio Jacob 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 lattosio

non è necessaria la

trascrizione

dell’operone.

Un repressore si lega

al promotore ed

inibisce il legame

DNA-RNA pol.

In presenza di lattosio

il 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

DNA PACKAGING

Chromatin structure is hyerarchic

NUCLEOSOME

Heterochromatin (more compact organization)

Euchromatin (less compact organization)

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

Figure 7-44 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Eucarioti

Complessi proteici differenti si legano a

regioni regolatrici di uno stesso gene

influenzando l’inizio della trascrizione

Figure 7-50a Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

1. Diversi TF agiscono sullo stesso gene

2. Lo stesso TF agisce su differenti geni

(Espressione coordinata di diversi geni)

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 b-globin gene, which

is expressed exclusively in red blood cells and at a

specific time in their development

Hb-A (2a - 2b)

HbA-2 (2a – 2d)

HbF (2a - 2g)

Hb embrionale (2z – 2e)

The human b-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

Punto 1

Organizzazione della cromatina

Inizio della trascrizione

Regolazione dell’espressione genica

Alternate splicing of mRNA ce

ll 1

cell

2

(four exons)

tissue specific

La determinazione del sesso in Drosophila

dipende da una serie ordinata di eventi di

splicing dell’RNA

RNA EDITING

CONTROLLO DELLA TRADUZIONE

Meccanismi che controllano globalmente

l’inizio della traduzione: fosforilazione di eIF2

eIF2 defosforilato durante l’attivazione della proliferazione,

mRNA DEGRADATION

Importante ruolo del 3’UTR degli mRNA nel controllo della stabilità

mRNA DEGRADATION

Degradation rate of some Eukaryotic mRNAs is Regulated

In vertebrates, ingested iron is carried through the circulation

bound to a protein called transferrin. The transferrin-iron

complex is brought into cells by interacting with the transferrin

receptor (TfR) in the plasma membrane.

Meccanismi che controllano la traduzione di specifici

messaggeri: poliadenilazione citoplasmatica

AA AA

AA

AA

Ovociti: accumulo nel citoplasma di mRNA inattivi con corte code di poli-A

AAAAAAAAAAAA

Embrioni: poliadenilazione e traduzione dei messaggeri accumulati

poli-A polimerasi

AAAAAAAAAAAA

Poliadenilazione citoplasmatica alla base dei meccanismi di controllo degli

mRNA materni

• Regolazione dell’espressione genica nel

differenziamento cellulare

Memoria cellulare

Quando una cellula di un organismo

multicellulare diventa impegnata a differenziare

in un tipo cellulare specifico, la scelta del destino

è generalmente mantenuta attraverso molte

generazioni cellulari successive, il che significa

che i cambiamenti di espressione genica coinvolti

nella scelta devono essere ricordati

Circuito a feed-back positivo

Metilazione del DNA

Nei vertebrati la metilazione del DNA si trova in regioni

trascrizionalmente silenti del genoma

(come il cromosoma X inattivo)

suggerendo che essa abbia un ruolo nel silenziamento dei

geni

Come la metilazione del DNA può spegnere i geni

Inattivazione del cromosoma X nelle cellule di mammifero

Ereditabilità degli schemi di metilazione durante la

duplicazione del DNA

In alcuni casi l’espressione di alcuni geni può

variare secondo se sono stati ereditati per via

paterna o materna.

Questa espressione differenziale viene definita

“imprinting genomico”

Methylated DNA from Zygote

to Adult

Alex Meissner, Henry Stewart Talks

Methylated DNA from Zygote

to Adult

Alex Meissner, Henry Stewart Talks

DNA Methylation Differentiates Totipotent Embryonic

Stem Cells from Unipotent Adult Stem Cells

Alex Meissner, Henry Stewart Talks