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1. Invito alla biologia.blu B – Biologia molecolare, genetica ed evoluzione 2 H. Curtis, N. S. Barnes, A. Schnek, G. Flores.

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2 Invito alla biologia.blu B – Biologia molecolare, genetica ed evoluzione 2 H. Curtis, N. S. Barnes, A. Schnek, G. Flores

3 La regolazione dellespressione genica Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore

4 4 Limportanza della regolazione La regolazione genica è la capacità di una cellula di controllare lespressione dei suoi geni; i geni possono essere attivati o disattivati al momento opportuno per evitare un inutile dispendio energetico.

5 5 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012 Limportanza della regolazione In E. coli la presenza di lattosio come alimento induce la sintesi dellenzima beta-galattosidasi, che lo scinde; la presenza dellamminoacido triptofano nel terreno di crescita inibisce invece la sua sintesi interna.

6 6 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012 Limportanza della regolazione Il genoma è lo stesso per tutte le cellule di un organismo. Ciò che cambia è il proteoma: linsieme delle proteine espresse da una cellula; durante il differenziamento i geni vengono espressi in sequenza temporale controllata.

7 7 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012 Limportanza della regolazione Durante le diverse fasi dello sviluppo vengono espressi geni diversi per la globina.

8 8 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012 Limportanza della regolazione Nelle cellule mature non si perde DNA funzionale e i geni non sono inattivati in modo definitivo.

9 Il controllo genico nei procarioti Il controllo può avvenire in una delle tre fasi che portano alla sintesi proteica. Avviene soprattutto durante la trascrizione. 9 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012

10 Il controllo genico nei procarioti I fattori di regolazione della trascrizione: sono proteine codificate da geni regolatori; si legano vicino alla sequenza promotore di un gene; possono reprimere o attivare la trascrizione; agiscono a volte con piccole molecole effettrici che ne modificano la conformazione. I geni costitutivi non subiscono questo controllo, sono sempre attivi perché codificano per proteine indispensabili durante lintera vita della cellula. Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore

11 Il controllo genico nei procarioti Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore

12 12 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012 Il controllo genico nei procarioti Nei procarioti i geni strutturali che codificano per polipeptidi con funzione correlata vengono spesso trascritti sullo stesso segmento di mRNA.

13 13 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012 Il controllo genico nei procarioti Operone: promotore + operatore + geni strutturali. I geni regolatori sono sparsi nel cromosoma, non fanno parte delloperone, ma codificano per attivatori e repressori della trascrizione.

14 14 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012 I corepressori: il triptofano, se presente nel terreno di coltura, si lega al repressore trp, ne cambia la conformazione permettendogli di legarsi al sito delloperatore; insieme bloccano la sintesi di triptofano. Il controllo genico nei procarioti

15 15 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012 Il controllo genico nei procarioti Gli induttori: il lattosio, se presente nel terreno di coltura, si lega al repressore lac inibendo la sua capacità di legarsi alloperatore; vengono sintetizzati gli enzimi utili alla degradazione del lattosio.

16 16 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012 La regolazione negli eucarioti Come i procarioti: attivatori e repressori; molecole effettrici. Solo eucarioti: maggior numero di proteine e cellule diverse; non ci sono gli operoni; inibizione attraverso laggiunta di un gruppo metile al DNA; attivatori che alterano la struttura della cromatina.

17 17 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012 La regolazione negli eucarioti Eterocromatina: cromatina più condensata; eucromatina: cromatina distesa, permette la trascrizione, presente solo in interfase; istoni: proteine che mantengono la cromatina spiralizzata; il grado di condensazione varia da un tipo di cellula allaltro; eterocromatina permanente: corpi di Barr, centromeri, telomeri e regioni non codificanti.

18 18 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012 La regolazione negli eucarioti Istone acetitransferasi: attacca gruppi acetili alle code N terminali delle proteine istoniche, che si allentano, lasciando libero il DNA per la trascrizione. Nei mammiferi ci sono 50 enzimi che modificano gli istoni, per compattare o despiralizzare la cromatina.

19 19 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012 La regolazione negli eucarioti Il promotore è costituito da tre unità: TATA box, localizza il punto in cui la trascrizione può avere luogo; inizio della trascrizione, si inserisce la RNA polimerasi; sito degli elementi regolatori: enhancer e silencer.

20 20 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012 La regolazione negli eucarioti TATA box + inizio della trascrizione = promotore basale Fattori di trascrizione generali: si legano al promotore basale per consentire lattacco della RNA polimerasi.

21 21 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012 La regolazione negli eucarioti La trascrizione ha inizio quando un attivatore si lega allenhancer; gli enhancer sono specifici per ogni tipo di cellula.

22 22 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012 La regolazione negli eucarioti Se gli enhancer sono lontani dal promotore è necessaria la presenza di un mediatore.

23 23 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012 Regolazione post-trascrizionale Splicing alternativo: da un unico gene posso ottenere diversi trascritti e quindi diverse proteine; modifiche chimiche alla sequenza leader che impediscono lattacco dellRNA ai ribosomi; repressore traduzionale: si lega allmRNA quando la proteina è presente in quantità sufficiente; RNA interference: piccole molecole di RNA, dette microRNA (miRNA) o short-interfering RNA (siRNA), che interferiscono con lmRNA, lo neutralizzano o degradano. dopo la traduzione: blocco reversibile o rottura della proteina non più necessaria.

24 24 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2011 Regolazione post-trascrizionale RNA interference: queste brevi sequenze possono essere sintetizzate in laboratorio e offrono prospettive in campo medico.

25 25 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012 La genetica dello sviluppo Studio dei cambiamenti da zigote a età adulta degli organismi pluricellulari; il genoma di ogni individuo contiene le informazioni per la differenziazione delle cellule e lo sviluppo dellorganismo; fattori di regolazione inducono i geni a spegnersi e accendersi: regolazione genica differenziale.

26 26 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012 La genetica dello sviluppo Lo sviluppo di Drosophila melanogaster: Fase I - cellule specializzate trascrivono un gene detto bicoide che si accumula nella parte anteriore, polarizzando la cellula e quindi lembrione dopo la fecondazione. Fase II - si attivano geni che inducono la formazione di un modello corporeo segmentato. Ogni segmento dà origine a parti del corpo delladulto (15 segmenti: 3 cefalici, 3 toracici e 9 addominali).

27 27 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012 La genetica dello sviluppo Fase III - si attivano i geni omeotici che stabiliscono quali parti del corpo si originano da ogni segmento. Tutti questi geni conservano la stessa sequenza di 180 paia di basi dette homeobox: codificano per proteine che si legano a enhancer specifici, attivando o inibendo gruppi di geni. Fase IV - le cellule si differenziano. Le cellule staminali totipotenti danno origine a tutti i tipi di cellule. Le cellule adulte sono in grado di originare solo cellule del proprio tipo (cellule unipotenti).

28 28 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012 La proteomica Proteomica (termine coniato da Mark Wilkins, 1994): comprendere le proteine espresse in una data cellula e metterle in relazione con i geni; i proteomi di individui diversi presi dallo stesso tipo cellulare saranno simili; ogni gene può codificare per più di una proteina (splicing alternativo); trascrittoma: insieme degli mRNA di una cellula, spesso è sufficiente per comprendere le proteine sintetizzate.

29 29 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012 La proteomica Per capire quali proteine sono sintetizzate da una cellula in un dato momento si usa lelettroforesi su gel bidimensionale: le proteine vengono separate in base alla carica netta a un determinato pH; le proteine vengono poi denaturate e separate in base alla loro massa. Le proteine sono quindi tagliate con enzimi specifici, le proteasi, e identificate con la spettrometria di massa.

30 30 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012 La proteomica Confrontare i proteomi di cellule sane e malate aiuta nello studio delle malattie genetiche


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