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NUCLEO
Il nucleo è la centrale
operativa che controlla i vari
processi che si svolgono
dentro la cellula.
Contiene il materiale
genetico DNA e proteine.
Quando la cellula è a riposo
il DNA è sotto forma di
CROMATINA.
Quando la cellula sta per
dividersi il DNA si condensa
per formare CROMOSOMI.
La cromatina è formata da nucleosomi
Un nucleosoma è un complesso di
DNA e proteine basiche dette istoni
I nucleosomi possono originare le fibre di
cromatina, che si compattano sempre di più
fino a formare i cromosomi
Cariotipo femminile
22 coppie di AUTOSOMI + due cromosomi sessuali, XX o XY
Cariotipo maschile
La cromatina può essere addensata e inattiva
(eterocromatina) o distesa e attiva (eucromatina)
La cromatina
costituisce una
barriera per i
fattori di
trascrizione e
per tutte le
proteine che
possono legarsi
al DNA
Il rimodellamento della cromatina può essere dovuto a modificazione
chimica degli istoni oppure ad un effetto meccanico ATP-dipendente
Modificazione degli istoni
Modellatori ATP-dipendenti
i)
ii )
iii )
iv )
Le differenze tra
i vari tipi di cellule
di un organismo
dipendono da
differenze
nell’espressione
di geni da un
genoma identico
I geni localizzati
nell’eterocromatina
non sono espressi
Le modificazioni degli istoni e del DNA influenzano sia la
struttura della cromatina che l’espressione genica
Le mutazioni sono alterazioni della
sequenza del DNA
Le modificazioni della cromatina non
alterano la sequenza del DNA ma possono
essere trasmesse alle future generazioni.
Questa è chiamata eredità epigenetica
Il termine epigenetica si riferisce a tutti i
cambiamenti ereditabili dell’espressione
genica e dell’organizzazione della cromatina
che sono indipendenti dalla sequenza di
DNA
Quasi tutti i processi di differenziamento
sono innescati e mantenuti da
meccanismi epigenetici
L’eredità epigenetica è un meccanismo
essenziale che permette la propagazione
stabile di stati di attivazione genica da
una generazione di cellule alla
generazione successiva
NPC specializzati nel trasporto
nucleare e nell'organizzazione
del genoma. (a,b) schema dei
nuclei di tre diversi tipi di cellule
con NPC di composizione
diversa, che trasportano cargo
diversi o interagiscono con
regioni cromosomiche diverse;
(c) NPC con differenti composizioni
possono coesistere nella stessa
cellula. NPC con proprietà distinte
possono essere utilizzati per
specifiche funzioni cellulari ed
avere un ruolo nell’organizzazione
tridimensionale del genoma.
Nuclear pore complex composition: a new regulator of tissue
specific and developmental functions - Nat Rev Mol Cell Biol.
2012 Nov;13(11):687-99. doi: 10.1038/nrm3461 - Raices M,
D'Angelo MA.
Interazione dinamica tra involucro nucleare
e cromatina durante la riprogrammazione
ed il differenziamento. Nelle cellule
differenziate, l'involucro nucleare è regolare
e rotondo. Le proteine della ​lamina nucleare,
incluse le lamine A e B, sono
strettamente disposte lungo la membrana
nucleare interna. Di conseguenza, il
genoma è organizzato in domini associati
alla lamina (LAD) che costituiscono la
maggioranza dell’eterocromatina della
periferia nucleare. La maggior parte dei
geni associati al differenziamento sono
localizzati tra i LAD lontano dalla
membrana nucleare interna e rimangono
trascrizionalmente attivi. Al contrario, le
cellule staminali pluripotenti non
esprimono le lamine A, e l'associazione
delle lamine B con la cromatina è dinamico.
Questo è associato con una morfologia
nucleare deformata. Inoltre, lo spazio
intermembrana dell'involucro nucleare è più
ampio ed irregolare. Come risultato, il genoma
è lassamente organizzato e raramente si osserva eterocromatina nella periferia nucleare. Inoltre,
i geni specifici delle cellule staminali non sono localizzati nei LAD e sono attivati.
Navigating the epigenetic landscape of pluripotent stem cells - Mo Li1 et al. – Nature Reviews Molecular Cell Biology, 13,
524-535, 2012 - doi: 10.1038/nrm3393
Le cellule di un organismo multicellulare pur avendo gli stessi
geni, sono in grado di rispondere a segnali di differenziamento
in modo variabile.
Le cellule sono plastiche, sono in grado di eseguire la loro
funzione specializzata pur mantenendo la capacità di adattarsi
ai cambiamenti ambientali.
Questo si realizza attraverso molteplici meccanismi che
coinvolgono la regolazione diretta dello stato della
cromatina in risposta a stimoli.
E’ ancora poco conosciuto come le vie di trasduzione del
segnale possano comunicare direttamente con cromatina per
cambiare il paesaggio epigenetico, ma è sempre più
evidente la possibilità che la cromatina agisca come sito di
integrazione e di stoccaggio dei segnali.
Emerging roles for chromatin as a signal integration and storage platform - Nat Rev Mol Cell Biol. 2013 Apr;14(4):211-24. doi:
10.1038/nrm3545 - Badeaux AI, Shi Y.
Dogma Derailed: The Many Influences of RNA on the Genome - (Sabin et al., Molecular Cell, 49, March 7,
783-794, 2013)
Il controllo epigenetico dell'espressione genica
è una componente fondamentale della
regolazione della trascrizione che è spesso
guidato da RNA non codificanti che stanno
emergendo come regolatori critici di espressione
genica e della stabilità genomica a livello
trascrizionale
Ruolo di corti e lunghi RNA non codificanti nel
dirigere le variazioni della cromatina attraverso
modificazioni degli istoni e metilazione del DNA
Dimensioni dei Genomi
plasmidi
virus
batteri
funghi
Il genoma dei procarioti è più
piccolo di quello degli
eucarioti.
piante
alghe
insetti
molluschi
pesci
Negli eucarioti la dimensione
del genoma è solo in parte
correlata alla complessità
dell’organismo.
anfibi
rettili
uccelli
mammiferi
104
105
106
107
108
109
1010
1011
Negli eucarioti c’è sorprendentemente ben poca
correlazione numero di geni/dimensione del genoma
Gene number
Genome s ize (M b)
100000
10000
Number of genes in prokaryotes (up to 8000)
1000
100
10
Genome size in prokaryotes (up to 9 Mb)
1
human
mous e
c hic ken
xenopus
zebrafis h
fugu
c iona
fly
worm
yeas t
15
Che cos’è un gene?
“Sequenza di nucleotidi del DNA
che in una determinata cellula può
essere trascritta per formare
molecole di RNA che direttamente
(mRNA) o indirettamente (rRNA,
tRNA) portino alla sintesi di una
Proteina”
CONSEGUENZE DELLO SPLICING ALTERNATIVO
mRNA
introne 2
introne 1
pre-mRNA
PROTEINE
FUNZIONI DELLE PROTEINE:
• catalisi (enzimi)
• regolazione
• strutturale (es. citoscheletro)
• contrattile (movimento)
• trasferimento (pompe e canali)
• comunicazione (ormoni e recettori)
• difesa (anticorpi e tossine)
• deposito (proteine del “vitello”)
• trasporto (es. trasporto di lipidi)
Emoglobina embrionale
Emoglobina fetale
Emoglobine dell’adulto
a2e2
a2g2
a2b2 e a2d2
Genoma Umano
La trascrizione
interessa la
quasi totalità
del genoma,
ben oltre l’80%
Proliferazione
Morte cellulare
Omeostasi
Accumulo
Perdita cellulare
Modalità di comunicazione tra cellule
appartenenti all’organismo pluricellulare
ELETTRICA
CHIMICA
informazione trasferita
SCARSA (tipo si/no)
MOLTA
utilizza molte molecole
destinazione
POCO VERSATILE
necessario contatto diretto
SELETTIVA
senza connessioni dirette
velocità di trasmissione
ALTA
anche su lunghe distanze
LENTA
legata a sintesi e diffusione
Segnali chimici diversi controllano sopravvivenza e proliferazione
Sopravvivi
Prolifera
Differenziati
muori
LE MOLECOLE SEGNALE POSSONO ESSERE:
Idrosolubili: tutti i
neurotrasmettitori e
la maggior parte
degli ormoni sono
idrofilici per cui non
possono attraversare
la membrana plasmatica;
interagiscono
quindi con le cellule rimanendo all’esterno.
Liposolubili: gli ormoni steroidei e tiroidei sono
idrofobici e possono quindi attraversare il doppio
strato lipidico.
colesterolo
Ormoni steroidei
L’interazione molecola
segnale/recettore scatena una
cascata di segnali intracellulari
Le risposte intracellulari
comportano generalmente
modificazione della trascrizione
genica e/o modificazione del
metabolismo
Composti non fisiologici possono legare recettori come (e
talvolta persino meglio) dei composti naturali. Ad esempio la
morfina può legare gli stessi recettori delle endorfine che sono
piccole proteine
b-Endorfina
Morfina
AGONISTI: analoghi dell’ormone, imitano l’attività biologica
(esempio: Isoproterenolo, farmaco per l’asma, imita
catecolamine, favorisce il rilassamento dei muscoli bronchiali)
ANTAGONISTI: analoghi dell’ormone, bloccano l’attività
biologica (esempio: Propranololo, farmaco per cardiopatie,
blocca recettori adrenergici nei vasi sanguigni)
Encrocrine Disruptors: composti che mimano ormoni,
xenoestrogeni, anti-androgeni, fitoestrogeni
A monte degli scarichi, si trovavano pesci
così distribuiti: 18 femmine, 14 maschi,
nessun intersesso
Un pò più a valle degli scarichi, si trovavano
pesci così distribuiti: 49 femmine, 5 maschi, 4
intersesso
Ancora più a valle degli scarichi, si trovavano
pesci così distribuiti: 16 femmine, nessun
maschio, 4 intersesso
Lontre diventate sterili perchè il pene dei maschi era talmente
piccolo da impedire l’accoppiamento
Anche gli alligatori non riuscivano
più a riprodursi
Le uova degli uccelli avevano un guscio troppo sottile ed i piccoli non sopravvivevano
Esposizione ad acque di scarico in
laboratorio:
- dopo 7 giorni, i maschi hanno iniziato a
produrre ormoni sessuali
- dopo 14 giorni, i maschi hanno inniziato a
modificare i loro organi sessuali
- dopo 28 giorni, i testicoli non
producevano più spermatozoi
Il bisfenolo A è un composto importante
per la produzione di vari tipi di materiali
plastici, è usato anche come additivo
antiossidante
Estradiolo
Riduce la motilità degli spermatozoi
NATURE | NEWS Sharing
Stress alters children's genomes
Poverty and unstable family environments shorten
chromosome-protecting telomeres in nine-year-olds
Jyoti Madhusoodanan, 07 April 2014,
doi:10.1038/nature.2014.14997
Una recente ricerca dimostra che crescere in un ambiente sociale stressante
lascia segni duraturi sui cromosomi di ragazzi afro-americani. I telomeri,
sequenze di DNA ripetitivo che proteggono le estremità dei cromosomi, sono
più corti nei bambini provenienti da famiglie povere ed instabili rispetto quelli di
bambini provenienti da famiglie più accoglienti.
Quando sono stati esaminati campioni di DNA di 40 ragazzi di 9 anni
provenienti dalle principali città degli Stati Uniti, è stato scoperto che i telomeri
dei bambini provenienti da ambienti familiari difficili erano del 19% più corti
rispetto a quelli dei bambini provenienti da ambienti più tranquilli. La lunghezza
dei telomeri è spesso considerata come un biomarker dello stress cronico.
Lo studio, pubblicato oggi negli Atti della National Academy of Sciences, ci
avvicina a comprendere come le condizioni sociali durante l'infanzia possano
influenzare la salute a lungo termine.
I telomeri dei ragazzi figli di madri istruite erano del 32% più lunghi di quelli di
ragazzi figli di madri non istruite. I bambini provenienti da famiglie stabili
avevano telomeri più lunghi del 40% rispetto a quelli di bambini che avevano
vissuto molti cambiamenti, anche drammatici, nella struttura familiare.
Collegamenti con la genetica
Lo studio riporta che il legame tra ambienti domestici stressanti e lunghezza
dei telomeri è moderato da varianti genetiche nelle pathway che elaborano
due neurotrasmettitori nel cervello, serotonina e dopamina. Precedenti studi
hanno correlato varianti di alcuni dei geni studiati, come TPH2, con la
depressione, il disturbo bipolare ed altri problemi di salute mentale. Le
varianti di un altro gene, 5-HTT, riducono la quantità di proteina che ricicla la
serotonina nelle sinapsi nervose. Si pensa che alcuni alleli di questi geni
possano aumentare la sensibilità verso fattori di rischio esterni.
E’ stato trovato che le varianti "sensibilizzanti" di questi geni proteggevano i
telomeri dei bambini che vivevano in ambienti favorevoli, ma non impedivano
il maggior danno ai telomeri dei bambini provenienti da famiglie svantaggiate.
C’è da dire che coloro che mancavano di questi alleli avevano ben poca
differenza nella lunghezza dei loro telomeri, indipendentemente dalle
condizioni di vita. Ma i ragazzi con più di due alleli sensibilizzanti erano
fortemente influenzati dai loro ambienti domestici.
Il team ha in programma di estendere la loro analisi a circa 2.500 bambini
ed alle loro madri per vedere se questi risultati preliminari tengono.
Tuttavia, poiché gli effetti dello stress sono tangibili già all'età di 9 anni,
alcuni autori suggeriscono che pratiche di intervento precoce possano
aiutare a moderare gli effetti delle avversità sulla salute dei bambini.
Si tratta di un primo ma importante passo per comprendere come le
disparità sociali, ad esempio legate al colore della pelle, possano
incidere sulla salute per tutta la vita.
Ambienti sociali svantaggiati sono associati a
seri problemi di salute, probabilmente a causa di
una condizione di stress cronico.
La lunghezza dei telomeri è stata utilizzata come
biomarker di stress cronico; i telomeri sono più
corti negli adulti provenienti da una varietà di
contesti, con svantaggio per posizione sociale e
per depressione.
Apr 2014