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1 Trascrizione nei procarioti e negli eucarioti Regolazione dellespressione genica.

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Presentazione sul tema: "1 Trascrizione nei procarioti e negli eucarioti Regolazione dellespressione genica."— Transcript della presentazione:

1 1 Trascrizione nei procarioti e negli eucarioti Regolazione dellespressione genica

2 2 Processo mediante il quale linformazione contenuta in una sequenza di DNA (gene) viene copiata in una sequenza complementare di RNA dallenzima RNA polimerasi Trascrizione

3 3 Solo una frazione del genoma viene trascritta e tradotta, quella CODIFICANTE Trend evolutivo: con laumentare delle dimensioni del genoma, aumenta la frazione non codificante dimensioni: 4,7 12, Mb 4300 geni <25000 geni 700X 6X

4 4 Nei procarioti i singoli geni sono separati da brevi sequenze non codificanti Gene 1Gene 2Gene 3 Negli eucarioti i singoli geni sono separati da lunghissime sequenze non codificanti Gene 1Gene 2Gene 3

5 5 DNA non codificante Più del 98% del genoma umano è composto da sequenze non codificanti Più del 98% del genoma umano è composto da sequenze non codificanti 26% del genoma umano è rappresentato da regioni introniche e sequenze regolatrici 26% del genoma umano è rappresentato da regioni introniche e sequenze regolatrici 44% del genoma umano è rappresentato da DNA altamente ripetuto: elementi trasponibili (elementi in grado di copiarsi e poi di integrarsi in altre posizioni del genoma) 44% del genoma umano è rappresentato da DNA altamente ripetuto: elementi trasponibili (elementi in grado di copiarsi e poi di integrarsi in altre posizioni del genoma) Non coding RNA (regolazione della trascrizione genica, inattivazione cromosoma X) Non coding RNA (regolazione della trascrizione genica, inattivazione cromosoma X)

6 6 Esempio di non coding RNA: XIST e inattivazione del cromosoma X nelle femmine di mammifero Due cromosomi X attivi (primi stadi di sviluppo embrionale) Trascrizione XIST asimmetrica XIST diffonde e si lega solo al cromosoma X che lha prodotto, causandone la condensazione e inattivazione XIST

7 7 Esempio di non coding RNA: XIST e inattivazione del cromosoma X

8 8

9 9 DNA non codificante Più del 98% del genoma umano è composto da sequenze non codificanti Più del 98% del genoma umano è composto da sequenze non codificanti 26% del genoma umano è rappresentato da regioni introniche e sequenze regolatrici 26% del genoma umano è rappresentato da regioni introniche e sequenze regolatrici 44% del genoma umano è rappresentato da DNA altamente ripetuto: elementi trasponibili (elementi in grado di copiarsi e poi di integrarsi in altre posizioni del genoma) 44% del genoma umano è rappresentato da DNA altamente ripetuto: elementi trasponibili (elementi in grado di copiarsi e poi di integrarsi in altre posizioni del genoma) Non coding RNA (regolazione della trascrizione genica, inattivazione cromosoma X) Non coding RNA (regolazione della trascrizione genica, inattivazione cromosoma X) MARs (Matrix attachment regions) condensazione della cromatina MARs (Matrix attachment regions) condensazione della cromatina Pseudogeni (c.a sequenze simili a geni ma non più funzionanti) Pseudogeni (c.a sequenze simili a geni ma non più funzionanti) …. ….

10 10 Origine pseudogeni. Esempio: geni globinici duplicazione genica + divergenza evolutiva = acquisizione di nuove funzioni / inattivazione del gene ( ψ ) = acquisizione di nuove funzioni / inattivazione del gene ( ψ ) Duplicazione 500 milioni anni fa Divergenza per accumulo mutazioni Duplicazioni + mutazioni trasposizione

11 11 Trascrizione gene Filamento stampo (coding strand)

12 12 Geni posti sullo stesso cromosoma possono avere come coding strand filamenti diversi del DNA

13 13 Visione dinsieme della trascrizione

14 14 Inizio della trascrizione la RNA polimerasi si lega al DNA in corrispondenza del promotore e copia il filamento di DNA stampo a partire dal sito di inizio della trascrizione

15 15 Alfa amanitina inibisce le RNA pol eucariotiche Polipeptide biciclico L'avvelenamento con le amanitine è caratterizzato da un lungo periodo di latenza (dalle 6 alle 48 ore, in media 6-15 ore) durante il quale il paziente non accusa alcun sintomo.

16 16 Il promotore è una sequenza specifica del DNA che viene riconosciuta dalla RNA polimerasi e determina DOVE la sintesi del mRNA inizia e QUALE filamento del DNA debba essere utilizzato come stampo. Promotore procariotico Sito di inizio della denaturazione

17 17 Procarioti: RNA polimerasi si lega direttamente al promotore Eucarioti: fattori di trascrizione legano il promotore prima dell RNA polimerasi II I due filamenti di DNA si svolgono e il DNA può essere copiato. La RNA polimerasi, a differenza della DNA polimerasi, non ha bisogno di un innesco C G A T G C C C G C C U Allungamento della catena dellRNA

18 18 Allungamento della catena dellRNA A differenza delle DNA polimerasi, le RNA polimerasi non hanno attività proof reading

19 19 Allungamento della catena dellRNA 3

20 20 Terminazione Sequenze specifiche sul DNA (terminator) determinano larresto della trascrizione in corrispondenza di un determinato nucleotide (STOP site)

21 21 * Nei PROCARIOTI esiste una sola RNA polimerasi che trascrive i vari tipi di RNA: rRNA RNA ribosomale mRNA proteine tRNA RNA di trasferimento ** Negli EUCARIOTI esistono tre RNA polimerasi distinte: RNA polimerasi I rRNA RNA polimerasi II mRNA RNA polimerasi III tRNA ma questa non è la sola differenza….

22 22 Nei procarioti il trascritto viene subito tradotto in proteina …

23 23 … nel nucleo delle cellule eucariotiche invece avviene un complicato processo di MATURAZIONE prima che il trascritto venga esportato nel citoplasma e tradotto.

24 24 Dal nucleo al citoplasma Dal nucleo dove avviene la trascrizione, gli RNA messaggeri maturi passano attraverso i pori nucleari nel citoplasma, dove vengono tradotti pori nucleari linfocita visto al M.E. dopo criofrattura

25 25 Nei geni degli eucarioti le sequenze codificanti per proteine (esoni) sono interrotte da sequenze non codificanti (introni). Il trascritto primario, prima di abbandonare il nucleo, viene sottoposto ad un processo di taglio e ricucitura (splicing): gli introni vengono eliminati e gli esoni riuniti uno allaltro. La molecola di mRNA maturo che esce dal nucleo sarà costituita da una sequenza codificante continua

26 26 Splicing alternativo

27 27 Il fenomeno dello SPLICING alternativo negli eucarioti aumenta il potenziale espressivo del genoma. Il fenomeno dello SPLICING alternativo negli eucarioti aumenta il potenziale espressivo del genoma. E la regola, non leccezione E la regola, non leccezione Mediante forme di splicing alternativo da uno stesso gene possono derivare trascritti diversi che, una volta tradotti, danno luogo a proteine diverse Mediante forme di splicing alternativo da uno stesso gene possono derivare trascritti diversi che, una volta tradotti, danno luogo a proteine diverse Splicing alternativo

28 28 In H. sapiens si stima che la percentuale di geni che subiscono splicing alternativo sia >90% (Hallegger M et al., 2010) In H. sapiens si stima che la percentuale di geni che subiscono splicing alternativo sia >90% (Hallegger M et al., 2010) N° geni H. sapiens: N° geni H. sapiens : geni subiscono AS geni subiscono AS Il numero medio di varianti di splicing prodotto da ciascuno di questi geni è 4 (Kim H et al., 2004) Il numero medio di varianti di splicing prodotto da ciascuno di questi geni è 4 (Kim H et al., 2004) La stima del numero di proteine prodotte è di La stima del numero di proteine prodotte è di Potenziale espressivo in H. sapiens

29 29 Splicing alternativo dell mRNA per la tropomiosina (5 isoforme) Tropomiosina: proteina che lega lactina (coinvolta nella contrazione muscolare) e fa parte delle proteine del citoscheletro nelle cellule non muscolari

30 30 Nei procarioti più geni possono essere trascritti in un unico mRNA (RNA policistronico) Negli eucarioti sempre 1 mRNA = 1 gene Altre differenze fra procarioti ed eucarioti….. Stabilizzazione mRNA Legame al ribosoma Stabilizzazione mRNA Esportazione mRNA dal nucleo

31 31 mRNA eucariotico UnTranslated Region trascrizione + splicing traduzione

32 32 Solo alcuni geni vengono costituzionalmente trascritti (geni housekeeping: enzimi del metabolismo, RNA polimerasi, ribosomi, istoni…) Per tutti gli altri esistono molti meccanismi che permettono di regolare se, quando (meccanismi di regolazione temporali) e quanto un gene deve essere trascritto Ciò è particolarmente evidente e importante negli organismi eucarioti multicellulari dove esiste una regolazione tessuto specifica (cellule diverse producono proteine diverse) Anche nei procarioti tuttavia vi sono meccanismi di regolazione dellespressione genica OPERONI Regolazione dellespressione genica

33 33 cardiomiocita neurone epatociti Hanno tutti lo stesso DNA, ma esprimono geni differenti Il pattern di geni espressi per ogni tipo cellulare è diverso

34 34 In primo luogo la conformazione della cromatina condiziona la trascrizione (cromatina addensata = trascrizionalmente inattiva) EUCARIOTI Potenziali punti di controllo dellespressione genica

35 35 Controllo trascrizionale: esercitato da interruttori molecolari Fattori di trascrizione (proteine che si legano al DNA) nel sito promotore dei singoli geni o in corrispondenza di altre sequenze regolatrici Potenziali punti di controllo dellespressione genica

36 36 Recettore degli androgeni (AR) Membranacellulare Recettore Membrananucleare trascrizione Esempio di fattore di trascrizione

37 37 Regolazione trascrizionale

38 38 Un unico fattore di regolazione dellespressione può controllare diversi geni. Esempio: Recettore degli Androgeni, Recettore degli Estrogeni (ER) Regolazione coordinata dellespressione genica CRH Corticotropin-Releasing Hormone RXRA Retinoic Acid Receptor OXT oxytocin 5-GGTCAnnnTGACC-3 ERE Estrogen Responsive Element 5-GGTCAnnnTGACC-3 Questa sequenza si trova nel promotore di tutti i geni controllati da ER

39 39 Operone: insieme di geni codificanti per proteine coinvolte nello stessa via metabolica la cui espressione è regolata in modo coordinato. Oltre ai geni trascritti (in un unico RNA messaggero) contengono anche sequenze regolatrici (promotore, operatore) Regolazione coordinata dellespressione genica nei procarioti: operoni Operone lac

40 40 Splicing alternativo regolato da proteine cellula-specifiche Stabilità del mRNA (lemivita del messaggero incide sulla quantità di proteina sintetizzata) Spesso in 3 UTR ci sono sequenze specifiche per la stabilità del messaggero Inizio della traduzione Può essere bloccata da proteine regolatrici Potenziali punti di controllo dellespressione genica

41 41 Esempio di regolazione temporale dellespressione: i geni codificanti per le globine

42 42 Le emoglobine umane ( 2 2 ) ( 2 2 ) Emoglobinaembrionale Emoglobina fetale Emoglobina adulta Durante lo sviluppo differenti geni per la globina vengono espressi in tempi diversi

43 43 Famiglia dei geni e globinici: la stretta vicinanza e lordine di sequenza facilitano la coordinazione temporale della loro espressione durante lo sviluppo Geni identici Differiscono per aa 136 (Gly-Ala)

44 44 Geni globinici: ununica regione di controllo -LCR- regola lattivazione o linattivazione dei singoli geni


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