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Biotecnologie: regolazione dell’espressione genica 13/11/11 Biotecnologie: regolazione dell’espressione genica 2 © Zanichelli editore 2016 2 2

Regolazione dell’espressione genica in virus e procarioti 13/11/11 Regolazione dell’espressione genica in virus e procarioti 3 © Zanichelli editore 2016 3 3

13/11/11 Struttura dei virus/1 I virus sono piccole particelle, con una dimensione media di 80 nm. Possono avere diverse forme, ma condividono due caratteristiche: trasportano informazione genetica sotto forma di DNA o RNA; hanno un capside peptidico. 4 © Zanichelli editore 2016 4 4

13/11/11 Struttura dei virus/2 Alcuni virus, come il virus dell’influenza, presentano anche un involucro lipidico che copre il capside. L’involucro può includere glicoproteine virali, che possono aiutare i virus a entrare e infettare le cellule ospiti. Envelope Glicoproteine Capside Materiale genetico (DNA o RNA) 5 © Zanichelli editore 2016 5 5

Replicazione dei virus /1 13/11/11 Replicazione dei virus /1 I virus sono incapaci di replicarsi al di fuori delle cellule ospiti: utilizzano il metabolismo e l’apparato di replicazione delle cellule infettate. Il processo consiste in diversi passaggi: Attacco o assorbimento – il virus riconosce la cellula ospite, c’è un legame specifico tra il capside e i recettori sulla membrana della cellula. Penetrazione – il materiale genetico del virus entra nella cellula ospite. 6 © Zanichelli editore 2016 6 6

Replicazione dei virus /2 13/11/11 Replicazione dei virus /2 Svestimento – il capside virale viene rimosso. Sintesi – la cellula ospite sintetizza gli acidi nucleici e le proteine virali. Assemblaggio – parti del virus si autoassemblano per formare nuove particelle virali. Rilascio – nuovi virus vengono rilasciati dalla cellula ospite. 7 © Zanichelli editore 2016 7 7

Riproduzione dei batteriofagi 13/11/11 Riproduzione dei batteriofagi I batteriofagi (o fagi) sono virus che infettano batteri. Una volta che il materiale genetico entra nella cellula ospite, i fagi possono avere due tipi di cicli riproduttivi: ciclo litico; ciclo lisogeno. Testa DNA Guaina della coda Piastra basale Fibre della coda Numero Immagine 96898873 Spine 8 © Zanichelli editore 2016 8 8

13/11/11 Il ciclo litico Cellula infetta Nel ciclo litico, li virus entra nel batterio, usa il metabolismo della cellula per riprodursi e distrugge la cellula infetta. Un virus che si riproduce solo attraverso ciclo litico si dice virulento. Fago che infetta una cellula DNA della cellula ospite Materiale genetico virale Proteine virali 9 © Zanichelli editore 2016 9 9

13/11/11 Il ciclo lisogeno Nel ciclo lisogeno, il materiale genetico virale si integra con il DNA della cellula ospite. Si replica assieme al DNA della cellula, ma non porta immediatamente alla distruzione della cellula ospite. Fago che infetta una cellula Cellula infetta DNA della cellula ospite Materiale genetico virale 10 © Zanichelli editore 2016 10 10

Batteri: diverse forme 13/11/11 Batteri: diverse forme I batteri possono essere classificati in base alle loro caratteristiche morfologiche: I cocchi hanno una forma sferica e possono aggregarsi a coppie, gruppi o catene. Lo Staphylococcus aureus può essere responsabile di infezioni respiratorie. I batteri a spirale includono spirilli, spirochete e vibrioni. Borrelia burgdorferi è uno spirochete responsabile della malattia di Lyme. I bacilli sono batteri a forma di bastoncello. I batteri del genere Salmonella possono causare febbre tifoidea o avvelenamento da cibo. 11 © Zanichelli editore 2016 11 11

Controllo genico nei procarioti 13/11/11 Controllo genico nei procarioti Il controllo dell’espressione genica può avvenire a diversi livelli: durante la trascrizione; durante la traduzione; durante le modifiche post-traduzione. Avviene prevalentemente durante la fase di trascrizione. geni mRNA proteine Proteina funzionale 12 © Zanichelli editore 2016 12 12

13/11/11 Operoni I procarioti hanno strategie per controllare la loro espressione genica a seconda delle condizioni ambientali. Un operone è composto da un gruppo di geni strutturali, un promotore e un operatore. I geni regolatori codificano per proteine che possono inibire o attivare la trascrizione. gene regolatore promotore operatore geni strutturali operone 13 © Zanichelli editore 2016 13 13

13/11/11 Operone lac L’operone lac è un esempio di operone inducibile nel batterio E. coli. In assenza di lattosio, l’operone è inattivo; in presenza di lattosio l’operone si attiva, promuovendo l’espressione di enzimi per digerire il lattosio. NO LATTOSIO LATTOSIO geni per il catabolismo del lattosio RNA polimerasi promotore operatore TRASCRIZIONE NESSUNA TRASCRIZIONE repressore lattosio 14 © Zanichelli editore 2016 14 14

13/11/11 Operone trp L’operone trp è un esempio di operone reprimibile nel batterio E. coli. Quando il triptofano non è presente nel mezzo di crescita, vengono trascritti i geni per la sintesi degli amminoacidi. Quando non è presente, inibisce la trascrizione. NO TRIPTOFANO TRIPTOFANO RNA polimerasi geni per la sintesi del trp TRASCRIZIONE NESSUNA TRASCRIZIONE repressore inattivo trp attiva il repressore 15 © Zanichelli editore 2016 15 15

Regolazione dell’espressione genica negli eucarioti 13/11/11 Regolazione dell’espressione genica negli eucarioti 16 © Zanichelli editore 2016 16 16

Eucarioti: diversi livelli di controllo genico 13/11/11 Eucarioti: diversi livelli di controllo genico Gli eucarioti possono usare diversi meccanismi per controllare la loro espressione genica. Il controllo genico può avvenire: prima della trascrizione; durante la trascrizione; tra la trascrizione e la traduzione; durante la traduzione; dopo la traduzione. 17 © Zanichelli editore 2016 17 17

Prima della trascrizione: cromatina 13/11/11 Prima della trascrizione: cromatina Il DNA è sempre associato alle proteine; insieme formano la cromatina. Prima della trascrizione, avviene il rimodellamento cromatinico. I nucleosomi sono “spacchettati”, e il complesso di trascrizione del DNA può legarsi al filamento di DNA. nucleosoma Numero Immagine 246163201 18 © Zanichelli editore 2016 18 18

Durante la trascrizione: fattori di trascrizione 13/11/11 Durante la trascrizione: fattori di trascrizione I fattori di trascrizione sono proteine che regolano la trascrizione del DNA negli eucarioti. Permettono alla DNA polimerasi di riconoscere le sequenze regolatrici nel DNA e di cominciare la trascrizione. fattori di trascrizione RNA polimerasi sequenza regolatrice (promotore) TRASCRIZIONE 19 © Zanichelli editore 2016 19 19

Dopo la trascrizione: splicing alternativo /1 13/11/11 Dopo la trascrizione: splicing alternativo /1 Solo una parte dell’mRNA si traduce in una sequenza di amminoacidi. Il trascritto primario (o pre-mRNA) consiste in una sequenza alternata di esoni ed introni. esone introne esone introne esone introne esone introne 1 2 3 4 20 © Zanichelli editore 2016 20 20

Dopo la trascrizione: splicing alternativo /2 13/11/11 Dopo la trascrizione: splicing alternativo /2 Dentro al nucleo, gli introni sono rimossi, e avviene lo splicing alternativo, producendo diversi mRNA a partire dallo stesso pre-mRNA. 1 2 3 4 pre-mRNA splicing alternativo 1 2 3 1 3 2 3 4 mRNA 21 © Zanichelli editore 2016 21 21

Dopo la trascrizione: nel citoplasma 13/11/11 Dopo la trascrizione: nel citoplasma Una volta formato, l’mRNA si sposta dal nucleo al citoplasma, dove avviene la trascrizione. Alcune molecole di mRNA vengono distrutte prima che possano attaccarsi al ribosoma. Alcuni fattori possono interferire con l’mRNA, inibendo il processo di traduzione. Numero Immagine 163605509 22 © Zanichelli editore 2016 22 22

Dopo la traduzione: le proteine vengono modificate e distrutte 13/11/11 Dopo la traduzione: le proteine vengono modificate e distrutte Alcune proteine per diventare funzionanti hanno bisogno di alcune modifiche. Altre proteine vengono distrutte dopo essere state sintetizzate. L’ubiquitina è una proteina che agisce come un marcatore, che si lega alle proteine che devono essere distrutte. 23 © Zanichelli editore 2016 23 23

13/11/11 Epigenetica L’epigenetica è lo studio dei cambiamenti nell’espressione genica che possono essere ereditati ma che non sono dovuti a mutazioni; possono essere indotti da fattori ambientali. Coinvolge processi di metilazione delle basi o modificazione degli istoni: questi cambiamenti possono alterare l’espressione dei geni. Le DNA metiltrasferasi sono enzimi coinvolti in queste modifiche. 24 © Zanichelli editore 2016 24 24