1

Espressione ed utilizzodella

informazione genetica

Prof.ssa Flavia Frabetti

Aa 2010-11

L’informazione genetica, contenuta nel DNA, ha lo scopo di:1) mantenere lo stato vitale (strutture e funzioni)2) realizzare l’adattamento (risposta ad un cambiamento)3) determinare il differenziamento (specializzazione di strutture e funzioni)

L’informazione genetica ereditata determina il manifestarsidi specifici caratteri inducendo la sintesi di certe proteine: le proteine sono l’anello di congiunzione tra informazione e la realizzazione/effettuazione di strutture ed attività.

2

ESPRESSIONE DELLA INFORMAZIONE BIOLOGICAnon solo le strutture, ma anche l’architettura e la distribuzione spaziale di queste, nonché i cambiamenti temporali

dalprogetto

allacostruzioneproteina

DNA

Cosa studiamo?

Trascrizione e TraduzioneCodice geneticoMeccanismi di CONTROLLO della espressione genica

Dove è scritta l’informazione genica:DNACromatina / cromosomiNucleo eucariotico

Come è organizzata l’informazione genica:GenomaGeni - come concetto - “struttura del gene eucariota tipo”

Come si esprime l’informazione genica:

3

nucleo

DNA

istoni

cromosomatelomero

centromero

telomero

Dove è scritta la informazione?

proteine acide

Come è organizzata l’informazione?

Una enorme quantità di informazione dentro ad ogni singola cellula: il GENOMAAprendo ogni libro si trovano brani così scritti:…..ATCCGAGCTTTACGTACGGTTACCGGATCGAGCATACT……

- il complesso dell'informazione genetica di unacellula- la massa totale del DNA cellulare- il patrimonio ereditario dell'organismo a cuiappartiene

Anche la definizione di genoma è complessa!Il genoma è:

4

COMPLESSITA’ DEL GENOMAServono informazioni proporzionalialla complessità dell’organismo ?

Proporzionalità da batteri a vermiPoi non viene mantenuta

PARADOSSO DELLA NON PROPORZIONALITA’ TRA COMPLESSITA’ GENOMA ECOMPLESSITA’ ORGANISMO

Paradossodel valore “C”

DIMENSIONI in bp(contenuto in DNA)

NUMERO DEI GENI

Media: 61.710 Minimo: 27.462 Massimo: 153.478

Drosophila M.16.321

C. Elegans21.210

Arabidobsis T.26.000

STIMA: 22.000(analisi computer)

Homo sapiens

5

Organizzazione generale del genoma umano

Corredo aploide 3.200.000.000 bp ovvero 3,2 Gbp(Cr. 1  279.000.000 bp, Cr. 21  45.000.000 bp )Genoma mitocondriale  16.569 bpPeso     (genoma diploide)   7 pgLunghezza (genoma diploide)    2 m

Il genoma umano è distribuito in cromosomi:22 tipi di AUTOSOMI 2 tipi di ETEROCROMOSOMI (X e Y)

ORGANIZZAZIONE DEL GENOMA UMANO

NUCLEARE MITOCONDRIALE0,5 %

~ 40% GENICODIFICANTI

PROTEINEE GENI PER ncRNA

~ 60%DNA EXTRAGENICO

6

ORGANIZZAZIONE DEL GENOMA UMANO

NUCLEARE MITOCONDRIALE

0,5 %

1,7 % DEL GENOMA

5,3% mRNA MATURO(ESONI)

1/3 GENICODIFICANTI

PROTEINE

56% CODIFICANTE (CDS) 0,96 % DEL GENOMA

30 30 MbMb

DNA RNA proteine

replicazione o duplicazione

trascrizionedella

informazione

traduzionedella

informazione

Reintrepetazione del dogma della biologia molecolare alla luce delle nuove conoscenze sul genoma

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Geni per RNA non tradotti o non-coding RNA (ncRNA, RNA noncodificanti proteine), nei mammiferirappresentano da 1/2 a 3/4 di tutti itrascritti

Ai geni che codificano proteine si affiancano geni che specificano per RNA non codificanti utili alla regolazione della espressione genica.Stime odierne:Geni umani codificanti per proteine sono un numerodi 20.000-25.000

La maggior parte del genoma deimammiferi è trascritta

Human 58% 98%Mouse 55% 98%Fruitfly 60% 71%Worm 59% 56%Yeast 70% 0.6%

Known orpredicted

transcribed

Noncodingpercent of

transcription

7Mb 100Mb 130Mb 2.6Gb 2.9Gb

Il 98% dell’output trascrizionale nei mammiferi èrappresentato da RNA che non verrà tradotto in aa

8

Geni:

definizione/concetto

struttura

regolazione

La complessità del genoma si riflette sulla espressione dell’informazione genica e sulla definizione stessa di gene

I geni sono leunità responsabili

delle caratteristicheereditarie

Il gene èuna regione di DNA

trascritta che contieneistruzioni per la sintesidi una proteina, di un

RNA o ignota

9

FUNZIONI DEI GENI

METABOLISMO 22%INFORMAZIONE GENETICA 25%STRUTTURA 21%SEGNALI 12%FUNZIONI TESSUTO-SPECIFICHE 20%

GENI PER RNA NON TRADOTTI(rRNA 85%, tRNA 10%, RNA non-codificanti)

Il gene è una delle tante istruzioni contenute in ogni cellula

2) Geni con limitazioni spazio-temporali nella espressione:

Espressione inducibile

Stadio del differenziamento

Stadio dello sviluppo

Stadio del ciclo cellulareTEMPO

Distribuzione intracellulare

Singole cellule (specificità dicellula es. Ab)

Specificità per tessuto,tipo cellulare

Espressione diversain diversi organi e tessuti

SPAZIO

Ci possono essere:1) Geni essenziali o geni housekeepingGeni che devono essere espressi praticamente in tutti i tipi cellularipoiché codificano prodotti utili al funzionamento generale delle cellule,per es. alla sintesi proteica o alla produzione di energia

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Promotore

Gene strutturaleregione trascritta

Gene eucariota - la struttura nasconde complessità

I geni eucarioti hanno una struttura discontinua 1977

Ibrido molecolare DNA-mRNA

11

Il gene ha una natura discontinua:esoni tratti del gene indicati con Eintroni tratti del gene indicati con I

GENE - Struttura del gene eucariota tipo

E 1 E 2 E 3I 1 I 2

+1

Tratto di DNA che viene trascritto o TRASCRITTO PRIMARIO

DNA

+1

E 1 E 2 E 3

TRASCRITTOPRIMARIO o pre-mRNA

Esone 1 Esone 2 Esone 3

AUG UGA

Proteina NH2 COOH

I 1 I 2

ESONI (in giallo), intervallate da lunghi INTRONI (in grigio)

mRNA AUG UGA

12

Dimensione media geni 57.000 bp (57 kb)istoni 100-400 bp (0,1-0,4 kb) distrofina 2.220.000 bp (2,22 Mb)ESONINumero medio 11(minimo)-(massimo) 1 - 363Dimensione media 280 bpINTRONIDimensione media ca. 6.000 bp

mRNA maturo (in media)Dimensione 3.000 basi Sequenza codificante 1.600 basi (56%)Proteina 540 AA

Nella realtà gli INTRONI sono molto più lunghidegli esoni

TTAGCACTACCGTATTTGCGCATTACCAGATTAGAGAATTAGCACTACCGTATTTGCGCATTACCAGATTAGAGAAATGCTAGTCGATCTATCGATCGGCTATTCGCAAAGCTGATGCTAGTCGATCTATCGATCGGCTATTCGCAAAGCTGCGCGACTGCGATGCGCTAGCATGCGATTCGCGATCGCCCGCGACTGCGATGCGCTAGCATGCGATTCGCGATCGCCGAGCGCTCGCGAGCGCGCTAGCGGAATACTATATAGCGAGCGCTCGCGAGCGCGCTAGCGGAATACTATATAGCGCGGATCAGTCTAGATCTATGAGATCGATAGCGATCTAGCGGATCAGTCTAGATCTATGAGATCGATAGCGATCTAGAGATAGGATCGAGATCGAGGCGAGATCATATGAGCGGAGATAGGATCGAGATCGAGGCGAGATCATATGAGCGCGGCTATTTAGGCTTAGAGGATTCGGAGATTCGGAGCTCGGCTATTTAGGCTTAGAGGATTCGGAGATTCGGAGCTTAGGATTACAGAGAGCTTCTTAGGCGCTCCCGGTATCGTAGGATTACAGAGAGCTTCTTAGGCGCTCCCGGTATCGCTCCCATCCCATATTAAAATCTATCGATCGAGCTCTCCACTCCCATCCCATATTAAAATCTATCGATCGAGCTCTCCAATGCGATCGATAGGACTAGTAGCTAGCTAGCTGAGCAATGCGATCGATAGGACTAGTAGCTAGCTAGCTGAGCATGATAGGCTCGATGAGCATGAGATGCATGTACGACTGTGATAGGCTCGATGAGCATGAGATGCATGTACGACTGCATAGGCATGACTGATCGACTGCATCATGACGCATGACCATAGGCATGACTGATCGACTGCATCATGACGCATGACTGCATGCATGACTGCATATGACGGACTCGCATTAGCACTGCATGCATGACTGCATATGACGGACTCGCATTAGCACTACCGTATTTGCGCATTACCAGATTAGAGAAATGCTAGTACCGTATTTGCGCATTACCAGATTAGAGAAATGCTAGTCGATCTATCGATCGGCTATTCGCAAAGCTGCGCGACTTCGATCTATCGATCGGCTATTCGCAAAGCTGCGCGACTGCGATGCGCTAGCATGCGATTCGCGATCGCCGAGCGCGCGATGCGCTAGCATGCGATTCGCGATCGCCGAGCGCTCGCGAGCGCGCTAGCGGAATACTATATAGCGCGGATTCGCGAGCGCGCTAGCGGAATACTATATAGCGCGGATCAGTCTAGATCTATGAGATCGATAGCGATCTAGAGATACAGTCTAGATCTATGAGATCGATAGCGATCTAGAGATAGGATCGAGATCGAGGCGAGATCATATGAGCGCGGCTAGGATCGAGATCGAGGCGAGATCATATGAGCGCGGCTATTTAGGCTTAGAGGATTCGGAGATTCGGAGCTTAGGATTTTAGGCTTAGAGGATTCGGAGATTCGGAGCTTAGGATTACAGAGAGCTTCTTAGGCGCTCCCGGTATCGCTCCCATACAGAGAGCTTCTTAGGCGCTCCCGGTATCGCTCCCATCCCATATTAAAATCTATCGATCGAGCTCTCCAATGCGTCCCATATTAAAATCTATCGATCGAGCTCTCCAATGCGATCGATAGGACTAGTAGCTAGCTAGCTGAGCATGATAATCGATAGGACTAGTAGCTAGCTAGCTGAGCATGATAGGCTCGATGAGCATGAGATGCATGTACGACTGCATAGGGCTCGATGAGCATGAGATGCATGTACGACTGCATAGGCATGACTGATCGACTGCATCATGACGCATGACTGCATGCATGACTGATCGACTGCATCATGACGCATGACTGCATGCATGACTGCATATGACGGACTCGCATTAGCACTACCGGCATGACTGCATATGACGGACTCGCATTAGCACTACCGTATTTGCGCATTACCAGATTAGAGAAATGCTAGTCGATTATTTGCGCATTACCAGATTAGAGAAATGCTAGTCGATCTATCGATCGGCTATTCGCAAAGCTGCGCGACTGCGATCTATCGATCGGCTATTCGCAAAGCTGCGCGACTGCGATGCGCTAGCATGCGATTCGCGATCGCCGAGCGCTCGCGGCGCTAGCATGCGATTCGCGATCGCCGAGCGCTCGCGAGCGCGCTAGCGGAATACTATATAGCGCGGATCAGTCAGCGCGCTAGCGGAATACTATATAGCGCGGATCAGTCTAGATCTATGAGATCGATAGCGATCTAGAGATAGGATCTAGATCTATGAGATCGATAGCGATCTAGAGATAGGATCGAGATCGAGGCGAGATCATATGAGCGCGGCTATTTAGGAGATCGAGGCGAGATCATATGAGCGCGGCTATTTAGGCTTAGAGGATTCGGAGATTCGGAGCTTAGGATTACAGCTTAGAGGATTCGGAGATTCGGAGCTTAGGATTACAGAGAGCTTCTTAGGCGCTCCCGGTATCGCTCCCATCCCGAGAGCTTCTTAGGCGCTCCCGGTATCGCTCCCATCCCATATTAAAATCTATCGATCGAGCTCTCCAATGCGATCGATATTAAAATCTATCGATCGAGCTCTCCAATGCGATCGATAGGACTAGTAGCTAGCTAGCTGAGCATGATAGGCTATAGGACTAGTAGCTAGCTAGCTGAGCATGATAGGCTCGATGAGCATGAGATGCATGTACGACTGCATAGGCATCGATGAGCATGAGATGCATGTACGACTGCATAGGCATGACTGATCGACTGCATCATGACGCATGACTGCATGCATGACTGATCGACTGCATCATGACGCATGACTGCATGCATGACTGCATATGACGGACTCGCAGACTGCATATGACGGACTCGCA

TTAGCACTACCGTATTTGCGCATTACCAGATTAGAGAATTAGCACTACCGTATTTGCGCATTACCAGATTAGAGAAATGCTAGTCGATCTATCGATCGGCTATTCGCAAAGCTGATGCTAGTCGATCTATCGATCGGCTATTCGCAAAGCTGCGCGACTGCGATGCGCTAGCATGCGATTCGCGATCGCCCGCGACTGCGATGCGCTAGCATGCGATTCGCGATCGCCGAGCGCTCGCGAGCGCGCTAGCGGAATACTATATAGCGAGCGCTCGCGAGCGCGCTAGCGGAATACTATATAGCGCGGATCAGTCTAGATCTATGAGATCGATAGCGATCTAGCGGATCAGTCTAGATCTATGAGATCGATAGCGATCTAGAGATAGGATCGAGATCGAGGCGAGATCATATGAGCGGAGATAGGATCGAGATCGAGGCGAGATCATATGAGCGCGGCTATTTAGGCTTAGAGGATTCGGAGATTCGGAGCTCGGCTATTTAGGCTTAGAGGATTCGGAGATTCGGAGCTTAGGATTACAGAGAGCTTCTTAGGCGCTCCCGGTATCGTAGGATTACAGAGAGCTTCTTAGGCGCTCCCGGTATCGCTCCCATCCCATATTAAAATCTATCGATCGAGCTCTCCACTCCCATCCCATATTAAAATCTATCGATCGAGCTCTCCAATGCGATCGATAGGACTAGTAGCTAGCTAGCTGAGCAATGCGATCGATAGGACTAGTAGCTAGCTAGCTGAGCATGATAGGCTCGATGAGCATGAGATGCATGTACGACTGTGATAGGCTCGATGAGCATGAGATGCATGTACGACTGCATAGGCATGACTGATCGACTGCATCATGACGCATGACCATAGGCATGACTGATCGACTGCATCATGACGCATGACTGCATGCATGACTGCATATGACGGACTCGCATTAGCACTGCATGCATGACTGCATATGACGGACTCGCATTAGCACTACCGTATTTGCGCATTACCAGATTAGAGAAATGCTAGTACCGTATTTGCGCATTACCAGATTAGAGAAATGCTAGTCGATCTATCGATCGGCTATTCGCAAAGCTGCGCGACTTCGATCTATCGATCGGCTATTCGCAAAGCTGCGCGACTGCGATGCGCTAGCATGCGATTCGCGATCGCCGAGCGCGCGATGCGCTAGCATGCGATTCGCGATCGCCGAGCGCTCGCGAGCGCGCTAGCGGAATACTATATAGCGCGGATTCGCGAGCGCGCTAGCGGAATACTATATAGCGCGGATCAGTCTAGATCTATGAGATCGATAGCGATCTAGAGATACAGTCTAGATCTATGAGATCGATAGCGATCTAGAGATAGGATCGAGATCGAGGCGAGATCATATGAGCGCGGCTAGGATCGAGATCGAGGCGAGATCATATGAGCGCGGCTATTTAGGCTTAGAGGATTCGGAGATTCGGAGCTTAGGATTTTAGGCTTAGAGGATTCGGAGATTCGGAGCTTAGGATTACAGAGAGCTTCTTAGGCGCTCCCGGTATCGCTCCCATACAGAGAGCTTCTTAGGCGCTCCCGGTATCGCTCCCATCCCATATTAAAATCTATCGATCGAGCTCTCCAATGCGTCCCATATTAAAATCTATCGATCGAGCTCTCCAATGCGATCGATAGGACTAGTAGCTAGCTAGCTGAGCATGATAATCGATAGGACTAGTAGCTAGCTAGCTGAGCATGATAGGCTCGATGAGCATGAGATGCATGTACGACTGCATAGGGCTCGATGAGCATGAGATGCATGTACGACTGCATAGGCATGACTGATCGACTGCATCATGACGCATGACTGCATGCATGACTGATCGACTGCATCATGACGCATGACTGCATGCATGACTGCATATGACGGACTCGCATTAGCACTACCGGCATGACTGCATATGACGGACTCGCATTAGCACTACCGTATTTGCGCATTACCAGATTAGAGAAATGCTAGTCGATTATTTGCGCATTACCAGATTAGAGAAATGCTAGTCGATCTATCGATCGGCTATTCGCAAAGCTGCGCGACTGCGATCTATCGATCGGCTATTCGCAAAGCTGCGCGACTGCGATGCGCTAGCATGCGATTCGCGATCGCCGAGCGCTCGCGGCGCTAGCATGCGATTCGCGATCGCCGAGCGCTCGCGAGCGCGCTAGCGGAATACTATATAGCGCGGATCAGTCAGCGCGCTAGCGGAATACTATATAGCGCGGATCAGTCTAGATCTATGAGATCGATAGCGATCTAGAGATAGGATTAGATCTATGAGATCGATAGCGATCTAGAGATAGGATCGAGATCGAGGCGAGATCATATGAGCGCGGCTATTTACGAGATCGAGGCGAGATCATATGAGCGCGGCTATTTAGGCTTAGAGGATTCGGAGATTCGGAGCTTAGGATTACGGCTTAGAGGATTCGGAGATTCGGAGCTTAGGATTACAGAGAGCTTCTTAGGCGCTCCCGGTATCGCTCCCATCCAGAGAGCTTCTTAGGCGCTCCCGGTATCGCTCCCATCCCATATTAAAATCTATCGATCGAGCTCTCCAATGCGATCCATATTAAAATCTATCGATCGAGCTCTCCAATGCGATCGATAGGACTAGTAGCTAGCTAGCTGAGCATGATAGGCGATAGGACTAGTAGCTAGCTAGCTGAGCATGATAGGCTCGATGAGCATGAGATGCATGTACGACTGCATAGGCATCGATGAGCATGAGATGCATGTACGACTGCATAGGCATGACTGATCGACTGCATCATGACGCATGACTGCATGCATGACTGATCGACTGCATCATGACGCATGACTGCATGCATGACTGCATATGACGGACTCGCATGACTGCATATGACGGACTCGCA

Nel “libro”

DNA,le pagine

sono scritte incodice/i

GENE

13

TTAGCACTACCGTATTTGCGCATTACCAGATTAGAGAATTAGCACTACCGTATTTGCGCATTACCAGATTAGAGAAATGCTAGTCGATCTATCGATCGGCTATTCGCAAAGCTGATGCTAGTCGATCTATCGATCGGCTATTCGCAAAGCTGCGCGACTGCGATGCGCTAGCATGCGATTCGCGATCGCCCGCGACTGCGATGCGCTAGCATGCGATTCGCGATCGCCGAGCGCTCGCGAGCGCGCTAGCGGAATACTATATAGCGAGCGCTCGCGAGCGCGCTAGCGGAATACTATATAGCGCGGATCAGTCTAGATCTATGAGATCGATAGCGATCTAGCGGATCAGTCTAGATCTATGAGATCGATAGCGATCTAGAGATAGGATCGAGATCGAGGCGAGATCATATGAGCGGAGATAGGATCGAGATCGAGGCGAGATCATATGAGCGCGGCTATTTAGGCTTAGAGGATTCGGAGATTCGGAGCTCGGCTATTTAGGCTTAGAGGATTCGGAGATTCGGAGCTTAGGATTACAGAGAGCTTCTTAGGCGCTCCCGGTATCGTAGGATTACAGAGAGCTTCTTAGGCGCTCCCGGTATCGCTCCCATCCCATATTAAAATCTATCGATCGAGCTCTCCACTCCCATCCCATATTAAAATCTATCGATCGAGCTCTCCAATGCGATCGATAGGACTAGTAGCTAGCTAGCTGAGCAATGCGATCGATAGGACTAGTAGCTAGCTAGCTGAGCATGATAGGCTCGATGAGCATGAGATGCATGTACGACTGTGATAGGCTCGATGAGCATGAGATGCATGTACGACTGCATAGGCATGACTGATCGACTGCATCATGACGCATGACCATAGGCATGACTGATCGACTGCATCATGACGCATGACTGCATGCATGACTGCATATGACGGACTCGCATTAGCACTGCATGCATGACTGCATATGACGGACTCGCATTAGCACTACCGTATTTGCGCATTACCAGATTAGAGAAATGCTAGTACCGTATTTGCGCATTACCAGATTAGAGAAATGCTAGTCGATCTATCGATCGGCTATTCGCAAAGCTGCGCGACTTCGATCTATCGATCGGCTATTCGCAAAGCTGCGCGACTGCGATGCGCTAGCATGCGATTCGCGATCGCCGAGCGCGCGATGCGCTAGCATGCGATTCGCGATCGCCGAGCGCTCGCGAGCGCGCTAGCGGAATACTATATAGCGCGGATTCGCGAGCGCGCTAGCGGAATACTATATAGCGCGGATCAGTCTAGATCTATGAGATCGATAGCGATCTAGAGATACAGTCTAGATCTATGAGATCGATAGCGATCTAGAGATAGGATCGAGATCGAGGCGAGATCATATGAGCGCGGCTAGGATCGAGATCGAGGCGAGATCATATGAGCGCGGCTATTTAGGCTTAGAGGATTCGGAGATTCGGAGCTTAGGATTTTAGGCTTAGAGGATTCGGAGATTCGGAGCTTAGGATTACAGAGAGCTTCTTAGGCGCTCCCGGTATCGCTCCCATACAGAGAGCTTCTTAGGCGCTCCCGGTATCGCTCCCATCCCATATTAAAATCTATCGATCGAGCTCTCCAATGCGTCCCATATTAAAATCTATCGATCGAGCTCTCCAATGCGATCGATAGGACTAGTAGCTAGCTAGCTGAGCATGATAATCGATAGGACTAGTAGCTAGCTAGCTGAGCATGATAGGCTCGATGAGCATGAGATGCATGTACGACTGCATAGGGCTCGATGAGCATGAGATGCATGTACGACTGCATAGGCATGACTGATCGACTGCATCATGACGCATGACTGCATGCATGACTGATCGACTGCATCATGACGCATGACTGCATGCATGACTGCATATGACGGACTCGCATTAGCACTACCGGCATGACTGCATATGACGGACTCGCATTAGCACTACCGTATTTGCGCATTACCAGATTAGAGAAATGCTAGTCGATTATTTGCGCATTACCAGATTAGAGAAATGCTAGTCGATCTATCGATCGGCTATTCGCAAAGCTGCGCGACTGCGATCTATCGATCGGCTATTCGCAAAGCTGCGCGACTGCGATGCGCTAGCATGCGATTCGCGATCGCCGAGCGCTCGCGGCGCTAGCATGCGATTCGCGATCGCCGAGCGCTCGCGAGCGCGCTAGCGGAATACTATATAGCGCGGATCAGTCAGCGCGCTAGCGGAATACTATATAGCGCGGATCAGTCTAGATCTATGAGATCGATAGCGATCTAGAGATAGGATCTAGATCTATGAGATCGATAGCGATCTAGAGATAGGATCGAGATCGAGGCGAGATCATATGAGCGCGGCTATTTAGGAGATCGAGGCGAGATCATATGAGCGCGGCTATTTAGGCTTAGAGGATTCGGAGATTCGGAGCTTAGGATTACAGCTTAGAGGATTCGGAGATTCGGAGCTTAGGATTACAGAGAGCTTCTTAGGCGCTCCCGGTATCGCTCCCATCCCGAGAGCTTCTTAGGCGCTCCCGGTATCGCTCCCATCCCATATTAAAATCTATCGATCGAGCTCTCCAATGCGATCGATATTAAAATCTATCGATCGAGCTCTCCAATGCGATCGATAGGACTAGTAGCTAGCTAGCTGAGCATGATAGGCTATAGGACTAGTAGCTAGCTAGCTGAGCATGATAGGCTCGATGAGCATGAGATGCATGTACGACTGCATAGGCATCGATGAGCATGAGATGCATGTACGACTGCATAGGCATGACTGATCGACTGCATCATGACGCATGACTGCATGCATGACTGATCGACTGCATCATGACGCATGACTGCATGCATGACTGCATATGACGGACTCGCAGACTGCATATGACGGACTCGCA

TTAGCACTACCGTATTTGCGCATTACCAGATTAGAGAATTAGCACTACCGTATTTGCGCATTACCAGATTAGAGAAATGCTAGTCGATCTATCGATCGGCTATTCGCAAAGCTGATGCTAGTCGATCTATCGATCGGCTATTCGCAAAGCTGCGCGACTGCGATGCGCTAGCATGCGATTCGCGATCGCCCGCGACTGCGATGCGCTAGCATGCGATTCGCGATCGCCGAGCGCTCGCGAGCGCGCTAGCGGAATACTATATAGCGAGCGCTCGCGAGCGCGCTAGCGGAATACTATATAGCGCGGATCAGTCTAGATCTATGAGATCGATAGCGATCTAGCGGATCAGTCTAGATCTATGAGATCGATAGCGATCTAGAGATAGGATCGAGATCGAGGCGAGATCATATGAGCGGAGATAGGATCGAGATCGAGGCGAGATCATATGAGCGCGGCTATTTAGGCTTAGAGGATTCGGAGATTCGGAGCTCGGCTATTTAGGCTTAGAGGATTCGGAGATTCGGAGCTTAGGATTACAGAGAGCTTCTTAGGCGCTCCCGGTATCGTAGGATTACAGAGAGCTTCTTAGGCGCTCCCGGTATCGCTCCCATCCCATATTAAAATCTATCGATCGAGCTCTCCACTCCCATCCCATATTAAAATCTATCGATCGAGCTCTCCAATGCGATCGATAGGACTAGTAGCTAGCTAGCTGAGCAATGCGATCGATAGGACTAGTAGCTAGCTAGCTGAGCATGATAGGCTCGATGAGCATGAGATGCATGTACGACTGTGATAGGCTCGATGAGCATGAGATGCATGTACGACTGCATAGGCATGACTGATCGACTGCATCATGACGCATGACCATAGGCATGACTGATCGACTGCATCATGACGCATGACTGCATGCATGACTGCATATGACGGACTCGCATTAGCACTGCATGCATGACTGCATATGACGGACTCGCATTAGCACTACCGTATTTGCGCATTACCAGATTAGAGAAATGCTAGTACCGTATTTGCGCATTACCAGATTAGAGAAATGCTAGTCGATCTATCGATCGGCTATTCGCAAAGCTGCGCGACTTCGATCTATCGATCGGCTATTCGCAAAGCTGCGCGACTGCGATGCGCTAGCATGCGATTCGCGATCGCCGAGCGCGCGATGCGCTAGCATGCGATTCGCGATCGCCGAGCGCTCGCGAGCGCGCTAGCGGAATACTATATAGCGCGGATTCGCGAGCGCGCTAGCGGAATACTATATAGCGCGGATCAGTCTAGATCTATGAGATCGATAGCGATCTAGAGATACAGTCTAGATCTATGAGATCGATAGCGATCTAGAGATAGGATCGAGATCGAGGCGAGATCATATGAGCGCGGCTAGGATCGAGATCGAGGCGAGATCATATGAGCGCGGCTATTTAGGCTTAGAGGATTCGGAGATTCGGAGCTTAGGATTTTAGGCTTAGAGGATTCGGAGATTCGGAGCTTAGGATTACAGAGAGCTTCTTAGGCGCTCCCGGTATCGCTCCCATACAGAGAGCTTCTTAGGCGCTCCCGGTATCGCTCCCATCCCATATTAAAATCTATCGATCGAGCTCTCCAATGCGTCCCATATTAAAATCTATCGATCGAGCTCTCCAATGCGATCGATAGGACTAGTAGCTAGCTAGCTGAGCATGATAATCGATAGGACTAGTAGCTAGCTAGCTGAGCATGATAGGCTCGATGAGCATGAGATGCATGTACGACTGCATAGGGCTCGATGAGCATGAGATGCATGTACGACTGCATAGGCATGACTGATCGACTGCATCATGACGCATGACTGCATGCATGACTGATCGACTGCATCATGACGCATGACTGCATGCATGACTGCATATGACGGACTCGCATTAGCACTACCGGCATGACTGCATATGACGGACTCGCATTAGCACTACCGTATTTGCGCATTACCAGATTAGAGAAATGCTAGTCGATTATTTGCGCATTACCAGATTAGAGAAATGCTAGTCGATCTATCGATCGGCTATTCGCAAAGCTGCGCGACTGCGATCTATCGATCGGCTATTCGCAAAGCTGCGCGACTGCGATGCGCTAGCATGCGATTCGCGATCGCCGAGCGCTCGCGGCGCTAGCATGCGATTCGCGATCGCCGAGCGCTCGCGAGCGCGCTAGCGGAATACTATATAGCGCGGATCAGTCAGCGCGCTAGCGGAATACTATATAGCGCGGATCAGTCTAGATCTATGAGATCGATAGCGATCTAGAGATAGGATTAGATCTATGAGATCGATAGCGATCTAGAGATAGGATCGAGATCGAGGCGAGATCATATGAGCGCGGCTATTTACGAGATCGAGGCGAGATCATATGAGCGCGGCTATTTAGGCTTAGAGGATTCGGAGATTCGGAGCTTAGGATTACGGCTTAGAGGATTCGGAGATTCGGAGCTTAGGATTACAGAGAGCTTCTTAGGCGCTCCCGGTATCGCTCCCATCCAGAGAGCTTCTTAGGCGCTCCCGGTATCGCTCCCATCCCATATTAAAATCTATCGATCGAGCTCTCCAATGCGATCCATATTAAAATCTATCGATCGAGCTCTCCAATGCGATCGATAGGACTAGTAGCTAGCTAGCTGAGCATGATAGGCGATAGGACTAGTAGCTAGCTAGCTGAGCATGATAGGCTCGATGAGCATGAGATGCATGTACGACTGCATAGGCATCGATGAGCATGAGATGCATGTACGACTGCATAGGCATGACTGATCGACTGCATCATGACGCATGACTGCATGCATGACTGATCGACTGCATCATGACGCATGACTGCATGCATGACTGCATATGACGGACTCGCATGACTGCATATGACGGACTCGCA

GENE

  1 ccctgtggag ccacacccta gggttggcca atctactccc aggagcaggg agggcaggag 61 ccagggctgg gcataaaagt cagggcagag ccatctattg cttacatttg cttctgacac

121 aactgtgttc actagcaacc tcaaacagac accATGgtgc acctgactcc tgaggagaag

181 tctgccgtta ctgccctgtg gggcaaggtg aacgtggatg aagttggtgg tgaggccctg

241 ggcaggttgg tatcaaggtt acaagacagg tttaaggaga ccaatagaaa ctgggcatgt

301 ggagacagag aagactcttg ggtttctgat aggcactgac tctctctgcc tattggtcta

361 ttttcccacc cttaggctgc tggtggtcta cccttggacc cagaggttct ttgagtcctt

421 tggggatctg tccactcctg atgctgttat gggcaaccct aaggtgaagg ctcatggcaa

481 gaaagtgctc ggtgccttta gtgatggcct ggctcacctg gacaacctca agggcacctt

541 tgccacactg agtgagctgc actgtgacaa gctgcacgtg gatcctgaga acttcagggt

601 gagtctatgg gacccttgat gttttctttc cccttctttt ctatggttaa gttcatgtca

661 taggaagggg agaagtaaca gggtacagtt tagaatggga aacagacgaa tgattgcatc

721 agtgtggaag tctcaggatc gttttagttt cttttatttg ctgttcataa caattgtttt

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1081 taattttgca tttgtaattt taaaaaatgc tttcttcttt taatatactt ttttgtttat

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1261 tatttctgca tataaatatt tctgcatata aattgtaact gatgtaagag gtttcatatt

1321 gctaatagca gctacaatcc agctaccatt ctgcttttat tttatggttg ggataaggct

1381 ggattattct gagtccaagc taggcccttt tgctaatcat gttcatacct cttatcttcc

1441 tcccacagct cctgggcaac gtgctggtct gtgtgctggc ccatcacttt ggcaaagaat

1501 tcaccccacc agtgcaggct gcctatcaga aagtggtggc tggtgtggct aatgccctgg

1561 cccacaagta tcacTAAgct cgctttcttg ctgtccaatt tctattaaag gttcctttgt

1621 tccctaagtc caactactaa actgggggat attatgaagg gccttgagca tctggattct

1681 gcctaataaa aaacatttat tttcattgca atgatgtatt taaattattt ctgaatattt

1741 tactaaaaag ggaatgtggg aggtcagtgc atttaaaaca taaagaaatg atgagctgtt

1801 caaaccttgg gaaaatacac tatatcttaa actccatgaa agaaggtgag gctgcaacca

1861 gctaatgcac attggcaaca gcccctgatg cctatgcctt attcatccct cagaaaagga

1921 ttcttgtaga ggcttgattt gcaggttaaa gttttgctat gctgtatttt acattactta

1981 ttgttttagc tgtcctcatg aatgtctttt cactacccat ttgcttatcc tgcatctctc

2041 tcagccttga ct

Gene della beta-globina (Homo sapiens) da 1 a 2052 nucleotidi

Sequenza GenBank n. NM_000518

DNA a filamento doppio (l’altro si ricava per complementarità)

Cromosoma 12

14

acatttg cttctgacac

aactgtgttc actagcaacc tcaaacagac accATGgtgc acctgactcc tgaggagaag

tctgccgtta ctgccctgtg gggcaaggtg aacgtggatg aagttggtgg tgaggccctg

ggcaggctgc tggtggtcta cccttggacc cagaggttct ttgagtcctt tggggatctg

tccactcctg atgctgttat gggcaaccct aaggtgaagg ctcatggcaa gaaagtgctc

ggtgccttta gtgatggcct ggctcacctg gacaacctca agggcacctt tgccacactg

agtgagctgc actgtgacaa gctgcacgtg gatcctgaga ctcctgggca acgtgctggt

ctgtgtgctg gcccatcact ttggcaaaga attcacccca ccagtgcagg ctgcctatca

gaaagtggtg gctggtgtgg ctaatgccct ggcccacaag tatcacTAAg ctcgctttct

tgctgtccaa tttctattaa aggttccttt gttccctaag tccaactact aaactggggg

atattatgaa gggccttgag catctggatt ctgcctaata aaaaacattt at

mRNA maturoper la beta-globina

proteinabeta-globina,catena beta della emoglobina e mioglobina

GENE

SEQUENZETRASCRIVIBILI

SEQUENZEREGOLATRICI

PROMOTORE

INTENSIFICATORI

SILENZIATORI

Gene e sua funzione: Cosa fa accendere il gene?

UNITA’ DI TRASCRIZIONETratto di DNA che codifica per una molecola di RNA e delle sequenze necessarie per la sua trascrizione

A “sfumare l’oggetto” gene e renderlo più un “CONCETTO” stala parte regolatrice del gene

15

Gene networks - un gene può esprimere le proprieinformazioni solo nel contesto dell’intero genoma

della cellula

Promot 3 Promot 4Promot 2gene1 gene2 gene3 gene4Promot 1

FATTORI DITRASCRIZIONE

- +DNA

RNA

proteine

Come si esprime l’informazione?

Per i geni classici vedremo:I meccanismi di Trascrizione e TraduzioneCosa è il Codice geneticoI principali meccanismi di CONTROLLO della espressione genica

16

Criteri: tempestività economiaovvero sintetizzare le proteine giuste al momento giustoe nella giusta quantità

DNA RNA proteine

replicazione o duplicazione

trascrizionedella

informazione

traduzionedella

informazione

"DNA makes RNA, RNA makes protein, and proteins make us." Francis Crick

1. Trascrizione

Sintesi delle proteine

2. Traduzione

tRNA

rRNA

mRNA

17

TRASCRIZIONE (eucarioti)“assemblaggio catalizzato”

Nella trascrizione l’informazione genetica contenutanel DNA viene trascritta in una sequenza di RNA in base al principio della complementarietà delle basi

1- riconoscimento del gene da esprimere2- individuazione di inizio e termine del gene specifico

3- trascrizione nella giusta quantità del gene4- alto grado di fedeltà, cioè accuratezza

è un processo controllato, regolatopoiché le necessità sono:

18

La trascrizione genera diversi tipi di RNA:

rRNA o RNA ribosomiale

tRNA o RNA transfer o RNA ditrasporto

mRNA o RNA messaggero

HnRNA o RNA eterogeneo nucleare opre-RNA

snRNA o piccoli RNA non codificanti

gene

proteina in crescita

aa legatoal tRNA

ribosomi

Il processo è realizzato da enzimi chiamati

RNA polimerasi DNA-dipendenti

Negli eucarioti:RNA polimerasi I

RNA polimerasi II

RNA polimerasi III

rRNA : 28 S, 18 S, 5.8 S

precursori degli mRNA, ncRNA, diversi snRNA

tRNA e rRNA 5 S e alcuni snRNA

l’enzima si lega ad una sequenza sul DNA detta promotore

19

Promotore

RNApolimerasi

Direzione della trascrizione

TRASCRIZIONE

PROMOTORE

TRASCRIZIONE:fasi

RNA polimerasi

iniziazione

allungamento

terminazione

RNA polimerasi

20

ORIENTAMENTO DELLE UNITA’

5'

5'

3'

3'5' 3'

filamento CODING o SENSO

filamento STAMPO o TEMPLATEo ANTI SENSO

RNA POLIMERASI

VELOCITA’ca. 40 nucleotidi al secondoEs. gene distrofina lungo ca. 2.200.000 bp???Quante ore per trascriverlo?

17 ore!

filamento non-senso serve da stampo

filamento senso

basi

Entrambi i filamenti del DNA possono costituire stampoper la sintesi dell’RNA�, in funzione del gene, saranno sempre letti in direzione 3'- 5', poiché la crescita del filamento di RNA di neosintesi è in direzione 5'-3'

5' 3'

5'

Complementarietà delle basi

21

Meccanismo della trascrizione:

sintesi di RNA sulla base di uno stampo di DNA

Enzima: RNA polimerasiTrascrizione:lo stampo di DNA è letto da 3' a 5',l’RNA è sintetizzato da 5' a 3'

1° nucleotide

2° nucleotide

5'

3'

3'

5'

1° nucleotide

Uscita del pirofosfato Formazione legame fosfodiesterico

5'

Codice = sistema di segnali, o segni, o simboli, che, per convenzione, è destinato a rappresentareuna informazione tra la fonte dei segnali e ilpunto di destinazione.Es. comunicare in codice/ c. linguistico,formato da suoni/ c.grafico, c.fiscale, c. a barre, c.morse, ecc.

Definizioni

Codice geneticosequenza di codoni contenenti le informazioni genetiche del gene e determinanti la sequenza degli aa che origina la proteina in base alla lettura dei codoni stessi

CODICE GENETICO oCodice di traduzione (1964)

22

codice genetico anni ‘60

Codice genetico è un codice a triplette di nucleotidi, detti codoni

I codoni specificano per gli aa. In totale 43=64 codoni.

Caratteristiche del codice genetico

• il codice è ridondante• il codice non è ambiguo• il codice non ha punteggiatura ovvero interruzioni• il codice è letto senza sovrapposizioni • per interpretarlo è fondamentale la cornice di lettura o quadro di lettura (reading frame)• il codice è universale (ad eccezione di quello dei mitocondri)

Trp Phe Gly

ACCAAACCG

UGGUUUGGC

DNA

mRNA

proteina

Cornice di lettura

23

TRADUZIONE

TRASCRIZIONE

TRADUZIONE“assemblaggio codificato”

Nella traduzione l’informazione genetica contenuta nellasequenza di codoni lungo l’mRNA viene decodificata otradotta in una sequenza di aa costituenti la proteina, unitiin una sequenza precisa determinata dalla sequenza deicodoni

Protagonisti principali di questo processo:

mRNAtRNA

ribosomi

porta nel citoplasmail messaggio geneticosotto forma di unaspecifica sequenza dicodoni

sono gli interpreti del linguaggio

facilitano l’appaiamentospecifico tra gli anticodonidel tRNA e i codoni dell’mRNA

24

Ribosomi (60% rRNA con azione catalizzante+proteine)

1. Hanno un sito di legame per l’mRNA.2. Un sito P (peptidil-tRNA) che ospita il tRNA che porta la catena aminoacidica in allungamento.3. Un sito A (aminoacil-tRNA) che ospita il tRNA a cui è legato il successivo aa da aggiungere.4. Un sito E di uscita del tRNA scarico di aa.

mRNA

subunitàmaggiore

subunitàminore

anticodone

sito di attaccoper gli aa

(sempre CCA)

legami H trabasi complementari

tRNA

25

Attaccodell’aa specificoin 3'OH del tRNA

L’enzima riconosce l’anticodone e legal’aa opportuno

L’aminoacil-tRNAha un aa “attivato”

Aminoacil-tRNAsintetasi

tRNA = adattatore

aminoacido

CODONEtripletta di nucleotidicodificante per 1 aa

Riconoscimento codone-anticodone

ANTICODONE

U G A

26

Inizio sintesi proteica

Allungamento sintesi proteica

Terminazione sintesi proteica

Met

5’ 3’mRNA

AUG

Met

3’

Ser

5’mRNA

Met-Ser Pro Met-Ser-Pro-Thr

5’mRNA

Met-Ser-Pro-Thr-...-...-...-

UGA

STOP!

3’

NH3 COO-

Per individuare il sito di INIZIO della TRADUZIONE: Sequenza consenso di M.Kozak: R--AUGG, R sta per una purina A o G

Destino proteico:l’mRNA può essere tradottoda ribosomi liberi o ribosomi legati al RER

nucleo

mitocondri cloroplasti

citoplasma

vescicolesecretorie lisosomim.p.

RIBOSOMI LIBERI

RIBOSOMI SUL RETICOLO ENDOPLASMATICO

27

Le proteine ed i loro segnali di smistamento

Proteina non ripiegata Proteina ripiegata

zona segnale

sequenza segnale

Ad ogni segnale deve corrispondere un recettore proteicocomplementare

REGOLAZIONEESPRESSIONE GENICA

eucarioti

28

Controllo o regolazionedella espressione genica negli EUCARIOTI

Scopo:differenziamento cellulare,

ovvero espressione coordinata nel tempo di geni diversi in cellule diverse.

Geni costitutivi cioè trascritti e tradotti in tutte le celluleGeni specifici attivati selettivamente da meccanismi di

regolazione genica

L’espressione genica è modulabile anche da segnali esterniche possono “accendere” o “spegnere” geni specifici.

Livelli di controllo sulla espressione genica 1.pre-trascrizionale o

cromatinico

2. trascrizionale

3. post-trascrizionale

4. traduzionale

5. post-traduzionalecontrollo sull’attività

della proteina

trascritto primariodi RNA (HnRNA)

mRNA

proteina

DNA

proteina attiva o inattiva

29

- già nell’organizzazione della cromatina (eucromatina/eterocromatina)- in alcuni casi il silenziamento può essere invertito e i geni venireattivati attraverso processi che rendono la cromatina meno compatta

modificazioni strutturali della cromatina operate da COMPLESSI PROTEICI di rimodellamento ed enzimi

che modificano gli istoni:modulazione della espressione genica

DNA

nel nucleo

Livello di controllo pre-trascrizionale o cromatinico (sul DNA)

gene scelto1

- sul suo riconoscimento ed aggancio al promotore- sulla sua efficienza nel trascrivere

regolazione su quale gene trascrivere e su quanto pre-RNA produrre

DNA pre-mRNA o HnRNA

nel nucleo

Livello di controllo trascrizionale (da DNA a pre m-RNA):il controllo si esercita sulla attività della RNA polimerasi.

2

30

PROMOTOREnatura modulare

Sequenza nel DNA di almeno 40 nucleotidi, con affinità più o meno elevata per la RNA polimerasi, di solito posta a monte del gene.

Hanno:siti di riconoscimento (es. TATA box)sito di legame stabilesito di inizio della trascrizionesiti di regolazione (simili a intensificatori e/o silenziatori)

GENE

SEQUENZEREGOLATRICI

SEQUENZETRASCRIVIBILI

PROMOTORE

INTENSIFICATORI

SILENZIATORI

Gene: Cosa fa accendere il gene?

Il PROMOTORESequenza data dalla combinazioni di corti elementi solitamente collocati nella regione immediatamente a monte del gene, spesso entro 200 bp dal sito di inizio della trascrizione. I PROMOTORI HANNO NATURA MODULARE!

Risposta: NECESSITA’ DI SEQUENZE SEGNALE

31

Enhancer ovvero intensificatori = aumentano la capacità di iniziarela trascrizione, intensificano la trascrizione

Sequenze tessuto-specifiche= in grado di attivare/inattivare trascrizionein rapporto alla trasduzione di segnali recepiti dall’esterno

Silenziatori = spengono o reprimono la trascrizione

La trascrizione ovvero la attività della RNA polimerasi sarà dovuta ad un bilancio complessivo tra fattori che

la favoriscono o la inibiscono.

SITI DI REGOLAZIONE, anche a grande distanza!Si tratta di corte SEQUENZE di DNA

SEQUENZE di DNA riconosciute da specifiche proteine dette FATTORI DI TRASCRIZIONE

“Dialogo”tra sequenze regolatrici di DNAe proteine

32

FATTORI GENERALIo BASALI

di trascrizione

PROTEINE REGOLATRICISPECIFICHE

Nella regolazione della trascrizione, ad attivare o reprimere la RNA polimerasi, intervengono

proteine di 2 tipi:

RNA polimerasi II

Inizio della trascrizioneFATTORI GENERALIdi trascrizione

promotore

Questi fattori sono richiesti per l’inizio della trascrizionee sono simili per tutti i geni trascritti dalla RNApolimerasi II

TATA box

TFIID TFIIB

DNAgene X

33

promotore

TATA box

TFIID TFIIB

DNA

gene XRNA polimerasi II

Sequenze regolatrici

PROTEINE REGOLATRICISPECIFICHE

trascritto di RNA

Le proteine specifiche si possono legare a sequenze specifiche, anche lontane sia a valle che a monte del gene.Il ripiegamento del DNA le porta poi vicine al promotore per influenzare la polimerasi.

Integrazione al PROMOTORE di:- RNA pol- fattori generali di trascrizione - serie multiple di proteine regolatrici

EFFETTO COMBINATORIOUn singolo promotore può essere regolato da molte sequenze regolatrici sparse lungo il DNA e riconosciute da più proteine regolatrici

proteine regolatrici

+ + - +

sinergia trascrizionale

Come agiscono i fattori di trascrizione o proteine regolatrici?

34

EFFETTO DI COORDINAZIONEUna singola proteina regolatrice/fattore di trascrizionepuò regolare e quindi coordinare l’espressione genica di parecchi geni diversi

proteina regolatrice

Gene networks - un gene può esprimere le proprieinformazioni solo nel contesto dell’intero genoma

della cellula

Promot 3 Promot 4Promot 2gene1 gene2 gene3 gene4Promot 1

FATTORI DITRASCRIZIONE

- +DNA

RNA

proteine

35

pre-mRNA o HnRNA mRNA (maturo)

nel nucleo

Livello di controllo post-trascrizionale (da pre m-RNA a mRNA):

-controllo sulla elaborazione dell’mRNA,la maturazione comporta 3 tipi fondamentali di modificazionichimiche del trascritto primario a ottenere mRNA maturo

- controllo del trasporto dell’mRNA al citoplasma e sulla suastabilità nel citoplasma (importante il 3’UTR)

3

4

Eventi post-trascrizionali:dal preRNA all’mRNA

1- aggiunta del CAP (m7G)aggiunta in 5’ di una 7metil-guanosina:preserva il trascritto dalla degradazione ed è segnale diaggancio per il ribosoma

3- splicingprocesso di taglia e cuci per eliminare gli introni

2- poli-adenilazione in 3’OHaggiunta di una coda di poliA (200-250):aiuta il passaggo al citoplasma, influenza la stabilità dell’mRNA

36

TATADNAPROMOTORE

+1-25

E 1 E 2 E 3

TrascrittoPrimario o pre-mRNA

Esone 1 Esone 2 Esone 3

AUG UGA

I 1 I 2

Da pre-mRNA a mRNA maturo!!!

mRNA AUG UGACAP5’

aaaaaaaaa3’

SPLICING= TAGLIA E CUCI degli introni/esoni

37

Spliceosoma = complesso ribonucleoproteico150 proteine, 5 RNA snRNA (50-200 nucleotidi): U1, U2, U4, U5, U6Dimensioni simili ad un ribosoma

snRNAsmall nuclear RNA

Proteine

snRNPs

SPLICING ALTERNATIVO: lo splicing mostra unanotevole flessibilità

12

12

12

12Aggiunta di un esone

Aggiunta di un tratto intronico

Esclusione a vicendadi esoni

Sito di splicing interno

38

Splicing alternativo

può produrre forme diverse dimRNA e dunque di una proteinadallo stesso gene

Calcitonina= ormone che riduce la concentrazione del Ca2+nel plasmaprodotto dalla tiroide

CGRP= peptide correlato alla calicitonina, potente vasodilatatore che può intervenire nella trasmissione del dolore su sistema nervoso periferico e centrale

Variazionial modello standard di gene:

un gene un mRNA una proteina

Un singolo gene è un genoma inminiatura

un LOCUS più prodotti genici alternativi

39

L’mRNA al termine della maturazione presenta: - Regione non tradotta in 5´, 5´ UTR o leader - Regione codificante, CDS (coding sequence) - Regione non tradotta in 3´, 3´ UTR o trailer

N C

PROTEINA

TRADUZIONE

CAP AAAAA

5’UTR 3’UTR

5’ 3’SEQUENZA CODIFICANTE

AUG

mRNA MATURO

UAACDS UGAUAG

STOP

DOPO MATURAZIONE

Funzione delle regioni dell'mRNA

5´UTR Efficienza della traduzione

CDS Traduzione (1%)

3´UTR Stabilità (velocità di degradazione;concetto di emivita da pochi minutia 20-30 ore)

40

mRNA (maturo)5

proteina

nel citoplasma

5. Livello di controllo traduzionale (da m-RNA a proteina):Operato da fattori proteici che possono influire sull’inizio della traduzione e quindi modularla, legandosi alla regione 5´UTR emagari “mascherandola” al ribosoma

6. Livello di controllo post-traduzionale (sulla proteina):- controllo sulla modificazione delle proteine sintetizzate-controllo del ripiegamento (aiutato da proteine chaperon) e trasporto nella cellula al sito di funzione

6proteina attiva

Livello di controllo post-traduzionale (sulla proteina):modificazione delle proteine sintetizzate che risultano essenzialiperché la proteina possa funzionare

Fosforilazionein TIROSINATREONINASERINA

41

Il nuovo “dogma”

ncRNA

microRNA

A modulare la espressione genica delle proteine cellulariintervengono anche i geni non codificanti proteine oncRNA (non coding RNA)

Ipotesi

ncRNA non sono semplice “rumore trascrizionale”, mapiù probabilmente svolgono un ruolo regolatorio e sonocoinvolti in numerosi processi cellulari e biologici, inparticolare durante lo sviluppo e il differenziamento

42

Gruppo eteogeneo per dimensioni e funzione: difficile classificazione

Caratterizzati spesso da una alta densità di codoni di STOP e quindi dalla assenza di ORF (cornici di lettura aperte) estese

Grande importanza per il ruolo da protagonisti nella REGOLAZIONE GENICA

Possono formarsi dalle zone introniche di geni coding o da vere e proprie unità geniche

Sempre di più nei database internazionali

ncRNA - generalità

La loro trascrizione ed elaborazione è sottoposta a controllo

ncRNA - meccanismi

Silenziamento genico post-trascrizionale: stabilità mRNA Attraverso meccanismi di “Interferenza da RNA”

Cambiamenti nei livelli di espressione degli ncRNA sono associaticon forme diverse di cancro e patologie neurodegenerative

Modulazione della trascrizione (interazioni a triplice elica)

Dinamica della struttura della cromatina (regolatori epigenetici)

Regolazione espressione genica

43

ncRNAs

2- small RNAsnoRNA

alcuninon noti

~20-300 nt

~300->10.000 nt

~18-25 nt

3-Medium e largeRNAs

1- microRNAsiRNA

Studi funzionali

Nuovi ncRNAsfunzionali

F.F. Costa“Non-coding RNAs: lost in translation?”Gene 386 (2007) 1-10

ncRNAs

alcuninon noti

3-Medium e largeRNAs

~18-25 nt- silenziamentogenico post-trascrizionale(interferenza daRNA)

~300 - >10000 nt

- inattivazione X- regolazionetrascrizionale

~20- 300 nt- modificazioni in RNA- regolazione trascrizionale- ruolo strutturale

2- small RNAsnoRNA,

1- microRNAsiRNA

44

miRNA micro-RNARegolazione post-trascrizionale sequenza-specificadell’espressione genica; associata a differenziamento esviluppo embrionale

Da precursori più lunghi (70nt)ripiegati a forcina

Come si formano?

Questa sorta di trascritti primarisono tagliati da un complessoenzimatico “Dicer”

I miRNA (20-22nt) sono cosìtrasportati al proprio bersagliomolecolare dal complessoproteico RISC

miRNA+RISC

miRNA micro-RNA: meccanismi di azioneRegolazione post-trascrizionale:1. Degradazione mRNA2. Blocco della traduzione 1

2

Quasi perfetta complementarietà al bersaglio (20-22 basi)

Brevi tratti di complementarietà al bersaglio (6-8 basi)

dsRNA

45

miRNA

Curiosità e spunti:• la maggioranza di quelli specificamente espressi incellule staminali embrionali umane sono down-regolatidurante il proseguo dello sviluppo embrionale• molti specificamente implicati nello sviluppo delcervello come dimostrato in diversi lavori sul modellomurino• altri legati a sviluppo di cancro: agirebbero comeoncogeni od onco-soppressori (es. miR-21, let-7, miR-122a)

Andrew Fire, 47 anniStanford California

Craig Mello, 46 anniMassachusetts Medical School

Premio Nobel per la medicina 2006

Nature, feb. 1998“Potent and specific genetic interference by double-

stranded RNA (dsRNA)in Caenorhabditis elegans”

46

Cosa si intende per RNA interference(RNAi)

Sistema di silenziamento genico basato su RNA

RNAi è un processo mediante il quale RNA a doppio filamento (doublestrand RNA o dsRNA) silenzia, in modo sequenza-specifico,l’espressione di geni omologhi per sequenza attraverso l’appaiamentocon l’mRNA bersaglio, seguito dalla sua degradazione; quindi:silenziamento post-trascrizionale.

E’ un meccanismo conservato a livello evolutivodi degradazione specifica di mRNA bersaglio cheavviene in 2 stadi:

1°stadio-iniziale. I dsRNAs sonoprocessati da un enzima dimerico,DICER (RNasiIII). Si generano isiRNAs.

2°stadio-effettore. siRNAs o smallinterfering RNA (< 22nt), vengonoincorporati in un secondo complessoenzimatico (endonucleasico), RISC(complesso di silenziamento indotto daRNA) che degrada uno dei duefilamenti e usa l’altro per riconoscere,in base all’appaiamento delle basi,il substrato da degradare attraversol’azione in base alla complementarietàdelle basi.

dsRNA

siRNA

47

Modello degli stadi dell’RNAi: i siRNAs

RNAsi ATP-dip.

+ RISC (elicasi ATP-dip.)

DICER

Riconoscimento dell’mRNA bersaglio

siRNA

AAAA

HnRNA

proteina X

DNA

ncRNA

AAAA

Fattore ditrascrizione

proteinanucleare

mRNA

_+/-

48

Tutte le molecole di RNAtrascritte a partire da ungenoma ANCHE GLI ncRNAs

Tutte le proteine codificate dal genoma ANCHE QUELLEA LOCALIZZAZIONE NUCLEARE

Trascrittoma

Proteoma

INTERATTOMA COMPLESSOfondamentale nella regolazione

della espressione genica

Immagine mentale della attivazione dei geni lungo il DNA-i geni lungo il DNA sono come “luci di Natale” lungo lamatassa dei fili: si accendono e si spengono ad intermittenza e con una intensità che va da MASSIMA luminosità a MINIMAluminosità e può essere modulata cioè regolata sia nella qualità che nelle quantità.