“Oltre il DNA: alla scoperta dei m eccanismi molecolari che regolano

“Oltre il DNA: alla scoperta dei m eccanismi
molecolari che regolano lo svilup po e la
fisiologia della cellula”
Prof. Paolo Macchi, PhD
Lab of Molecular and Cellular Neurobiology - CIBIO
Univ. Trento – www.unitn.it/cibio
[email protected]
DNA, RNA e miRNA revolutions
Controllo traduzionale
Trasporto di RNA
Domande, approfondimenti
Differenziamento
Mantenimento della diversita’
Alterazioni
Gli spazi “omici”
Gli spazi “omici”
metaboloma (piccole molecole)
proteoma (proteine)
trascrittoma (mRNA)
genoma (DNA)
Nobel prize in Physiology or Medicine, 1962
- Maurice Wilkins
J. Watson & F. Crick
“Molecular structure of nucleic acids: a structure for deoxyribose nucleic acid.”
“Dogma” centrale della Biologia molecolare:
DNA
mRNA
(RNA messaggero)
Proteina
Ribosoma
mRNA
DNA
Trascrizione
(nucleo)
Proteina
Traduzione
(Citoplasma)
Funzione X
Grandezza del genoma in differenti organismi
~
12*106
~ 2,7*109
~ 180*106
~ 3*109
~ 100*106
~ 120*106
~ 1*109
~ 3*109
Grandezza α Complessita’ ?
Grandezza α Longevita??
~ 140*109
~ 670*109
Piramide della complessita’?
Piramide della longevita’?
~ 590*103
Un paradosso? Il numero dei geni codificanti proteine non
può giustificare le differenze evolutive tra gli eucarioti.
~6,5k
<30k
~15k
~25k
~20k
~31k
>30k
Stesso genoma
Stesso numero di geni espressi
La spiegazione della differenza evolutiva (e differenziativa) sembra
legata all’espressione dei geni in:
Quantità
Luogo (cellule, tessuti)
Tempi diversi
Controllo combinatorio:
• trascrizionale
• post-trascrizionale
• post-traduzionale (fosfo e defosforilazioni, metilazoni, acetilazioni, ubiquitinazioni e sumoilazioni)
1
2
1. Splicing
2. Controllo traduzionale
The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1993
"for their discoveries of split genes"
Richard J. Roberts Phillip Sharp
Aumentare la complessità aumentando l’uso combinatorio di esoni mediante
splicing alternativo
Trascritto
primario
Funzione A
Splicing
alternativo
Funzione B
Membrana
Rilascio extra-cellulare (gradiente)
Ancoraggio membrana (contatto mediata)
OUT
IN
1. Splicing
2. Controllo traduzionale: microRNA
microRNA
mRNA
DNA
+/-
-
-
-
Trascrizione
(nucleo)
Proteina
Traduzione
(Citoplasma)
microRNA world
Craig Mello
Andrew Fire
Nobel prize in Physiology or Medicine, 2006
Origine e meccanismo di azione
RISC: RNA-induced silencing complex
•302 (1/3) are neurons
• Accumulation around the ring
•Simple NS
hope to model &
understand an entire NS
Zebrafish come organismo modello: The “vertebrate C. elegans”
•Embrioni trasparenti che si sviluppano in un
chorion trasparente
•sviluppo embrionale estremamente rapido
(molti organi si formano in 24 ore)
• organi composti da un numero
relativamente basso di cellule
• grande numero di progenie:
1 femmina: >200 uova/ sett.
• tempo generazionale: 2-3 mesi
10 cm Petri dish
Nüsslein-Volhard Lab, Max Planck Institute, Tübingen
microRNA world: non solo C. elegans…..
Laboratory tool:
- Silenziamento specifico
- Veloce
- Usi terapeutici
-
Rnd
miR
1. Splicing
2. Controllo traduzionale: trasporto RNA
Esempi di localizzazione di RNA.
Oskar mRNA in oocita
gurken mRNA
nell’oocita (defining the
dorsal, anterior and posterior
regions of the embryo)
bicoid mRNA in embrione
Esempi di localizzazione di RNA...non solo Drosophila....
Actin mRNA nei fibroblasti
ASH1 mRNA in lievito (S. cerevisiae)
....ma anche neuroni
RNA che NON localizza nei dendriti
RNA che localizza nei dendriti
Movimento di RNA nei dendriti neuronali
Perche‘ le cellule localizzano RNA?
Efficiente: 1 molecola mRNA 10-100 proteine
Sicuro: previene l‘interazione aspecifica di proteine con altre proteine
Rapido: Permette di avere dei cambiamenti rapidi locali della
concentrazione di una determinata proteina
Come fa l‘RNA a localizzare in maniera specifica in
un determinato compartimento cellulare?
1. Sequenze specifiche (codice postale)
ATG………
5’ non tradotta
….STOP
Regione codificante
3’ non tradotta
Proteina
2. Proteine (proteine che legano RNA, motor proteins)
Trasporto
Come la memoria viene immagazzinata a livello cellulare?
Quali molecole sono coinvolte in questo processo?
Come fa il neurone a creare nuove specifiche sinapsi?
Dendrites
Cell Body
Axon
Ramon y Cajal
ca. 1890
Apprendimento e Memoria
Modifiche di specifiche sinapsi
Engert and Bonhoeffer , Nature 1999
Formazione di nuove sinapsi in un neurone
Apprendimento e Memoria
Modificami,
Sto imparando!
Modifiche di specifiche sinapsi
Come il neurone modifica
alcune sinapsi ma non altre?
Localizzando mRNA!
Lasciami
riposare!
Neurone normale
Neurone normale??
Assone
Assone
Dendriti
Dendriti ??
GFP
3
GFP / siRNA
SMA: spinal muscular atrophy
SCA: spinocerebellar ataxia
ALS: amyotrophic lateral sclerosis
Grazie dell‘attenzione!