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ESPRESSIONE GENICA: FLUSSO DI
INFORMAZIONI DAL DNA ALLE PROTEINE
CELLULA EUCARIOTICA
Ognistepcos,tuisceun
possibilepuntoper
controllare
l abbondanzadi
unacerta
proteina.
Lamaggiorpartedel
controlloavvienea
livellodella
TRASCRIZIONE.
ESPRESSIONE GENICA: FLUSSO DI
INFORMAZIONI DAL DNA ALLE PROTEINE
CELLULA EUCARIOTICA -PROCARIOTICA
Regolazione Genica nei procarioti
• E. coli ha 4288 geni codificanti.
• Geni costitutivi: costantemente trascritti (es.
quelli della glicolisi).
• Geni inducibili: espressi solo in determinate
condizioni (es. quelli del metabolismo del
lattosio vengono espressi solo in presenza di
questo zucchero nell’ambiente).
• Regolazione dell’attività di un enzima e/o
regolazione del numero di molecole di
enzima per cellula.
Regolazione Genica nei procarioti
• Jacob e Monod (1961): identificano
l Operon Lac, complesso genico
comprendente
Ø geni strutturali con funzioni correlate
(lacZ, lacY, lacA codificanti per galattosidasi, galattosio permeasi,
galattoside transacetilasi) sotto il
controllo di un unico promotore
Ø geni di controllo (operatore e
repressore)
Regolazione Genica nei procarioti
• L’operatore è una sequenza di basi,
in parte sovrapposta al promotore,
che si trova a monte del primo gene
strutturale
• In assenza di Lac, una proteina
repressore lattosio (codificata da un
gene regolatore costitutivamente
espresso) si lega all’operatore
lattosio, l’RNA polimerasi non può
legarsi al promotore e la trascrizione
dell’operone Lac è inibita
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Regolazione Genica nei procarioti
• Il repressore lattosio ha anche un sito di
legame allosterico per l allolattosio
(prodotto in piccole quantità in presenza
di lattosio). Quando l allolattosio lega il
repressore, questo si modifica e si stacca
dall operatore, il promotore si libera e
l RNA pol trascrive l operone
• In assenza di allolattosio, il repressore si
lega nuovamente all operatore,
bloccando la trascrizione dell operone
Regolazionedell espressionegenicaneiprocario,
Principalmente
regolazionetrascrizionale
Unesempioè
l OPERONELAC:geni,trascriF
insieme,checodificanoper3proteine
necessarieperl u,lizzodellaJosio
(galaJosio-glucosio).Questooperone
vienetrascriJosec èillaJosioenonc è
ilglucosio.
ILREGULONE
• Regulone:gruppodioperonicontrolla,daunsolo
generegolatore
• LaproteinaCAPcontrollalatrascrizionediuna
seriedioperonicoinvol,indiverseviecataboliche
• UnamutazionediCAPpuòimpedireallacelluladi
metabolizzareunaseriedizuccheridaessa
regola,
OPERONE LAC
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QuestaESPRESSIONEpuò
avvenireconunaefficienza
diversa.
Trascrizione
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Regolazionedell espressione
genicaneglieucario,
Eucarioti pluricellulari:
-un singolo organismo, utilizzando un unico
genoma, deve produrre centinaia di tipi
cellulari differenti e specializzati;
-le cellule differenziate sono prodotte da
popolazioni di cellule immature, non
specializzate, dette cellule staminali,
attraverso un processo noto come
differenziamento cellulare
I meccanismi di controllo usati per
regolare l espressione dei geni umani
devono essere molto più complessi di
quelli utilizzati dagli altri organismi.
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Cellula umana contiene circa 30000 geni
RNA genes
Geni per proteine
Ogni cellula in un determinato momento esprime solo una piccola parte
di questo potenziale (˜ 5000 geni)
Geni housekeeping
metabolismo
biosintesi
membrana
istoni
ribosomali
Geni tessuto - specifici
CELLULARE
DIFFERENZIAMENTO
A QUESTA ESPRESSIONE SELETTIVA
NON CORRISPONDE (IN GENERE) UNA
VARIAZIONE DEL CONTENUTO DI DNA
Regolazionedell espressionegenica
neglieucario,
Controllodell espressionegenica:
1.Controllotrascrizionale:
a) MECCANISMI EPIGENETICI:
modellamento della cromatina
b)FATTORITRASCRIZIONALI:legamedifaJoriproteiciasequenze
nucleo,dichediregolazione(AFvatorierepressori)
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a) MECCANISMI EPIGENETICI:
modellamento della cromatina
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Trascrizione
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EPIGENETICA: Acetilazione e altre
modifiche
istoniche e metilazione del DNA. Si tratta di
modifiche della cromatina che non comportano
cambiamenti nella sequenza di basi del DNA.
Acetilazione degli istoni e altre
modifiche
istoniche e metilazione del DNA modificano la
struttura della cromatina e possono REGOLARE
L ESPRESSIONE DEI GENI MEDIANTE:
MECCANISMI EPIGENETICI
GENE: Ogni regione del DNA capace di
sintetizzare una molecola funzionale di RNA.
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Regolazionedell espressionegenica
neglieucario,
Controllodell espressionegenica:
1.Controllotrascrizionale:
a) MECCANISMI EPIGENETICI: modellamento della
cromatina
b)FATTORITRASCRIZIONALI:legamedifaJori
proteiciasequenzenucleo,dichediregolazione
(AFvatorierepressori)
•
b. FATTORI TRASCRIZIONALI
•
PROTEINE CHE RICONOSCONO E LEGANO
SPECIFICHE SEQUENZE ALL INTERNO DI UN
PROMOTORE:
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•
Una serie di fattori di trascrizione deve legarsi al promotore prima che la
RNA polimerasi vi si possa legare e trascrivere quindi, a livello basale, il
gene.
L’efficienza della trascrizione dipende anche dal legame di proteine di
regolazione, attivatrici e, in alcuni casi di repressione, al promotore.
Altre sequenze di DNA, spesso molto distanti dal promotore, sono
ulteriormente implicate nella regolazione, aumentandola (enhancer) o
reprimendola (silencer).
- FATTORI TRASCRIZIONALI BASALI sono
indispensabili per l inizio della trascrizione,
aiutano la RNA polimerasi a riconoscere il
promotore
- ATTIVATORI TRASCRIZIONALI aumentano
l efficienza di trascrizione
-100 GC box
- REPRESSONI TRASCRIZIONALI diminuiscono
l efficienza di trascrizione
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Fa5oritrascrizionali
Elementi distali
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-80 CAAT box -25 TATA box
Elementi
prossimali
Fa5oritrascrizionali
Promotore
basale
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REGOLAZIONE GENICA A LIVELLO
TRASCRIZIONALE: FATTORI TRSCRIZIONALI
ENHANCER - SILENCER
LA REGOLAZIONE GENICA A LIVELLO
TRASCRIZIONALE AVVIENE ATTRAVERSO IL
LEGAME DI FATTORI PROTEICI (FATTORI DI
TRASCRIZIONE) A SEQUENZE
NUCLEOTIDICHE DI REGOLAZIONE.
Una sequenza enhancer classica contiene al suo interno
parecchi elementi di controllo differenti, ognuno dei
quali è costituito da una corta sequenza di DNA che
funziona da sito di legame per uno specifico fattore di
trascrizione regolativo (attivatore).
Spesso i siti di legame possono essere gli stessi presenti
nelle sequenze prossimali.
I FATTORI PROTEICI IMPEGNATI A
REGOLARE L ESPRESSIONE GENICA
AGISCONO IN TRANS LEGANDOSI ALLE
SEQUENZE DI DNA CHE
SONO IN
PROSSIMITA DEL GENE (IN CIS)
I silencer sono meno abbondanti, legano fattori in grado
di ridurre l efficienza di trascrizione (repressori).
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Fa5oritrascrizionali
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Fa5oritrascrizionali
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FATTORI TRASCRIZIONALI
Regolazione trascrizionale in risposta ad ormoni lipofili#
In assenza di stimolo il recettore è inattivato mediante il legame
con una proteina di inibizione (HSP90)
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Fa5oritrascrizionali
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I DUE PRINCIPALI MECCANISMI DI
REGOLAZIONE DELLA TRASCRIZIONE
(MECCANISMI EPIGENETICI E FATTORI
TRASCRIZIONALI) SPESSO AGISCONO
INSIEME.
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Fa5oritrascrizionali
Repressori e attivatori, grazie a co-attivatori/corepressori, dirigono quindi la deacetilazione/
acetilazione degli istoni a livello di specifici geni
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Fa5oritrascrizionali
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Regolazionedell espressionegenicaneglieucario,
Regolazionedell’espressionegenicanegli
eucario,
Splicing alternativo
Controllodell espressionegenica:
2.Controllopost-trascrizionale:
• SPLICING ALTERNATIVO
• STABILITÀ DELL mRNA (miRNA, siRNA)
La stabilità dell’mRNA citoplasmatico
è variabile!
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TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine2006was
awardedjointlytoAndrewZ.FireandCraigC.Mello
"fortheirdiscoveryofRNAinterference-genesilencing
bydouble-strandedRNA"
h5p://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2006/
TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine2006wasawardedjointlytoAndrewZ.Fire
andCraigC.Mello"fortheirdiscoveryofRNAinterference-genesilencingbydoublestrandedRNA"
h5p://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2006/
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pri-miRNA
pre-miRNA
miRNA
1.Complementarità imperfetta
• I miRNA bloccano l espressione dei loro
geni target a livello traduzionale
• Per inibire la traduzione legano
solitamente le regioni non tradotte al
3 (3 UTR),per le quali presentano
omologia
2.Complementarità perfetta
• I miRNA che legano i loro RNA bersaglio con
complementarietà perfetta inducono il taglio
del bersaglio che,quindi,non può più essere
tradotto: STABILITA DELL mRNA
Target, attivano la degradazione
dell mRNA
• In questo caso i miRNA trovano la loro regione
di omologia o nell ORF(open reading frame) o
nella sequenza codificante
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siRNA
• I siRNA agiscono principalmente
determinando la degradazione dello specifico
mRNA bersaglio attraverso un meccanismo
definito RNA interference(RNAi)
• Molecole di siRNA si producono a partire da
RNA normalmente estranei alla cellula, quali
trasposoni,virus o transgeni.
• RNAi perciò rappresenta un sistema di
difesa contro l invasione di elementi genetici
estranei e di conservazione della stabilità del
genoma
Modello per la biogenesi e l’attività di
miRNA e siRNA
• siRNA agiscono solo per
complementarietà perfetta
per cui ogni siRNA può avere un
unico mRNA bersaglio e
modulare la stabilità dell
mRNA
• Diversamente, i miRNA
costituiscono una numerosa
classe di geni endogeni
filogeneticamente conservati,la
cui funzione è di inibire
l espressione genica
principalmente attraverso
l inibizione della traduzione
• Ogni miRNA,per il suo
caratteristico meccanismo
d azione può avere più di un
mRNA bersaglio
MiRNAsfilogene,camenteconserva,
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MiRNA CIRCOLANTI
MiRNA CIRCOLANTI
MiRNA CIRCOLANTI
miRNA CIRCOLANTI
MiRNA CIRCOLANTI: marcatori diagnostici
•
•
•
•
OMEOSTASIDELFERRONELLACELLULA:regolazione
post-trascrizionale
Il ferro e’ un nutriente essenziale
La cellula lo usa per: citocromi, emoglobina e molti enzimi.
Il ferro in eccesso e’ causa di formazione di radicali liberi.
Quindi la concentrazione di ferro deve essere controllata
accuratamente.
Ferri,na:LegailFerroeloconserva
ReceJoredellaTransferrina(TFR):
trasportailferronellacellula
AML:acutemyeloidleukemia
DLBCL:diffuselargeB-celllymphoma
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Regolazione di proteine trasportatrici/
immagazzinamento del ferro
Transferrin
receptor
(ingresso)
Sangue!
Fe 2+!
Ferritin
(Stoccaggio)!
OMEOSTASIDELFERRONELLACELLULA:regolazione
post-trascrizionale
Sono state evidenziate numerose sequenze di regolazione
all interno delle sequenze non tradotte (5 e 3 UTR).
Esistono proteine che legandosi a specifiche sequenze di
RNA controllano l espressione genica a livello traduzionale
5’UTR
Fe 3+!
Transferrin
(trasporto)!
Elemento IRE
•
Quando il ferro e’ in eccesso la cellula deve ridurre il numero di
molecole di recettore e aumentare quello della ferritina.!
•
La cellula ottiene questo mediante regolazione della traduzione,
cosi la risposta e’ piu’ rapida
3’UTR
La velocità di degradazione di alcuni mRNA
eucariotici è regolata
Regolazione Ferro-dipendente della stabilità dell’mRNA del
recettore della transferrina
+Fe
-Fe
Una proteina in grado di legarsi alle sequenze IRE (IRE-BP) regola
la produzione del recettore della transferrina. Essa in presenza di
basse concentrazioni di ferro si lega agli elementi di risposta al
ferro (IRE) che si trovano nella regione non tradotta al 3 (3 UTR),
impedendo la degradazione dell mRNA.
La traduzione di mRNAs è regolata da
specifiche RNA-binding proteins!
Regolazione Fe-dipendente della traduzione dell’mRNA della ferritina!
!
Controllodell espressionegenica:
3.Controllotraduzionale
+Fe
-Fe
La proteina che si lega alle sequenze IRE (IRE-BP) inibisce la
produzione della catena pesante della ferritina legandosi agli
elementi di risposta al ferro (IRE) che si trovano nelle regioni non
tradotte al 5 (5 UTR).
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Controllodell espressionegenica:
4.Controllopost-traduzionale:
• Concentrazionedellaproteina
• ProteinaaFvaoinaFva
Modificazionideisingoliaa
• Fosforilazione
gruppiossidrilicidiSer,ThreTyr
• Carbossilazione
gruppicarbossilicipossonoessereaggiun,a
AspeGlu(es.protrombina)
• Me,lazione
• gruppime,licipossonoessereaggiun,aLys
eGlu(es.istoni)
• Ace,lazione(es.istoni)
• ProteinaaFvaoinaFva
Esistono molteplici livelli di regolazione
dell espressione genica negli eucarioti
NUCLEO
Genoma
controllo trascrizionale: legame di
fattori trascrizionali tessuto specifici,
legame diretto di ormoni, fattori di
crescita o elementi intermedi a elementi
responsivi di geni inducibili
Meccanismi epigenetici: controllo
a lungo e corto raggio mediante
rimodellamento della struttura
della cromatina
Trascritto primario
(precursore)
controllo post-trascrizionale: splicing
alternativo, polyA alternativo,
mRNA
CITOPLASMA
controllo
traduzionale
traduzione
controllo del trasporto
mRNA
controllo della stabilità
degradazione
PROTEINA
controllo post-traduzionale
PROTEINA attiva o inattiva
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