Dalla cosoppressione ai non-coding RNA

Transgene Silencing Phenomena Inattivazione Epigenetica: E’ dovuta a presenza di copie multiple di una data sequenza/gene nel genoma; dipende da interazione tra copie omologhe, i.e. Homology-Dependent Gene Silencing (HDGS) Si distinguono due tipi di HDGS: Transcriptional Gene Silencing (TGS) Post Transcriptional Gene Silencing (PTGS) Entrambi i tipi di HDGS sono frequentemente associati con “sequence-specific de novo methylation” Entrambi i tipi di HDGS possono essere associati con la presenza di IRs HDGS puo’ dare inattivazione sia in cis che in trans

TGS TGS come perdita dell’espressione di geni/transgeni normalmente espressi Assenza sia dei trascritti maturi che dei precursori Lo stato silenziato è mantenuto ad ogni ciclo mitotico, ed è anche trasmesso alla progenie. A bassa frequenza, si osserva riattivazione spontanea (reversione) del locus silenziato. Geni (endogeni e/o trans) silenziati sono caratterizzati da pattern alterato di metilazione (strategia tipicamente vegetale) struttura cromatinica alterata (come in Drosphila e lievito)

PTGS PTGS come soppressione dell’espressione genica x degradazione del (trans)gene RNA Avviene nel citoplasma, ed è gene-specifico Il livello di trascrizione è inalterato (run-on) Caratterizzato da 3 punti: inizio, propagazione e mantenimento Rappresenta un meccanismo di difesa dalle infezioni virali Geni (endogeni e/o trans) silenziati sono caratterizzati da: Pattern alterato di metilazione (strategia tipicamente vegetale) Struttura cromatinica alterata (come in Drosphila e lievito)

Caenorhabditis elegans RNAinterference Drosophila RNAinterference RNA silencing è un meccanismo di degradazione di RNA sequenza-specifico Meccanismo comune e altamente conservato mediato da dsRNA Richiede attività di un set di geni altamente conservati Caenorhabditis elegans RNAinterference Drosophila RNAinterference Neurospora crassa Quelling Plants PTGS

dsRNA sintetizzato sia nel nucleo che nel citoplasma: trascrizione attraverso IRs, sintesi parallela di senso/antisenso replicazione virale attività di cRdRP o vRdRP dsRNA senso/antisenso siRNAs (21/25 nt) RNaseIII

come meccanismo di difesa??? RNA Silencing come meccanismo di difesa??? I virus possono indurre RNA silencing: VIGS (Virus Induced Gene Silencing) può colpire sia transgeni che geni endogeni Molti virus codificano per proteine soppressori del silencing (p25; HC-Pro) PDR* (Pathogen-Derived Resistance) nelle piante dipende da silencing del transgene virale: Silencing del transgene e degli RNAs virali omologhi * la resistenza è indotta mediante trasformazione stabile delle piante con un trasgene virale

Fenotipo silenziato: clorosi delle foglie Esperimenti di grafting con piante di tabacco transgeniche: 35S-Nia 2 (nitrato reductase) 35S-Nii1 (nitrito reductase) Stock: pianta innestata Scion: innesto S: Silenziato NS: Non Silenziato Beheaded: pianta decapitata Fenotipo silenziato: clorosi delle foglie

S NS NS scion/ S stock beheaded NS stock S scion/ S stock NS shoot/

Analisi Northern dei livelli steady-state dei messageri nelle piante transgeniche innestate e non: piante transgeniche per Nia piante transgeniche per Nii piante transgeniche per UidA * indica la parte dell’innesto da cui sono stati estratti gli mRNA

Presenza del transgene necessaria PTGS trans-gene specifico

de novo PTGS degli innesti NS con efficienza del 100% La trasmissione della co-soppressione dalle piante S agli innesti NS è locus-indipendente: indipendente dal transgene utilizzato indipendente dal numero di copie del T-DNA indipendente dalla struttura del transgene indipendente dalla posizione genomica del T-DNA PTGS non è indotto/causato dalla tecnica dell’innesto: innesti NS su piante WT non diventano S La trasmissione della co-soppressione è unidirezionale: da pianta S ad innesto NS

L’informazione che induce de novo PTGS può migrare anche a distanza: innesto a sandwich: pianta S/stelo WT 30cm/ innesto NS La trasmissione del PTGS non necessita delle radici della pianta S Il segnale di silencing è (trans)gene-specifico

Modello x l’ RNA silencing Sia l’RNA-directed DNA methylation (RdDM) che il PTGS/RNAi sono attivati da RNAds, digeriti da Rnase III (Dicer, CAF) in piccoli siRNA, probabilmente sia nel nucleo che nel citoplasma Nel citoplasma i siRNA servono anche da inneschi x digestione endonucleolitica e degradazione di mRNA endogeni omologhi in associazione con l’ RNA-induced silencing complex (RISC) Nel nucleo i siRNA potrebbero mediare la metilazione di DNA omologo. L’RdDM mediato da RNA può interagire con il cromodominio della cromometilasi Gli RNA virali in replicazione producono dsRNA attraverso una RdRP virale

RNA silencing indotto localmente, Systemic Silencing RNA silencing indotto localmente, MA diffusibile ……….SILENCING SIGNAL??? contenente un acido nucleico come componente, per conferire sequenza-specificità il “silencing signal” può circolare attraverso i “sieve element” del floema raggiunti dalle “cellule compagne”

Il segnale di silencing è rappresentato dalle siRNA?? Evidenze a favore: siRNA sono sempre associate con RNA silecing abbastanza piccole da muoversi facilmente abbastanza grandi da conferire specificità di sequenza sufficienti x indurre silencing in sistemi animali Evidenze contro: la soppressione da HC-Pro elimina siRNA, ma non il silencing sistemico i mutanti rde di C.elegans mancano di siRNA ma non di silencing sistemico Altri candidati: dsRNA lunghi, i precursori dei siRNA RNA aberranti un complesso RNA-proteine mobile non identificato

Modello per le modificazioni di DNA/cromatina indotte da siRNA, derivati da dsRNA dsRNA è prodotto da trascrizione di IRs o hairpin di RNA e processato da Dicer in siRNA Gli siRNA sono incorporati in un complesso RNAi effector (RNAi C), che recruta una Histone Metiltransferasi (HMT). RNAi C è recrutato sulle sequenze target che saranno metilate in Lys9 dell’istone H3 (Me). Proteine del tipo Crodomain (CD) sono recrutate sugli istoni modificati e questa interazione è necessaria per la diffusione dello stato silenziato. Lo stato silenziato può anche essere “bloccato” da successiva metilazione del DNA (DNA MT).

Modello per l’interazione tra la condensazione cromatinica e la metilazione Complessi proteici con funzione di repressori interagiscono con la regione transgenica a causa o della sequenza o della struttura secondaria Alcune di queste proteine inducono metilazione de novo Durante la replicazione, il complesso proteico si disassembla dal DNA ma il pattern di metilazione è mantenuto sul filamento parentale La metilazione sul filamento parentale funge da segnale x metilazione del nuovo filamento e riassociazione del complesso proteico

“transgene silencing” “transgene silencing” Induzione del “transgene silencing” Condensazione cromatinica 5’ 3’ Metilazione del DNA 5’ 3’ M de novo 5’ 3’ 5’ 3’ M Replicazione DNA Mantenimento del “transgene silencing” 5’ 3’ M Metilazione de novo 5’ 3’ M Complesso repressore

Quanti e quali ncRNA??? (Dicer) Classe Lunghezza Biogenesi Meccanismo Funzione miRNA ~22 taglio 2-step repressione trad sviluppo & di hairpin taglio mRNA differenziam (Drosha e Dicer) siRNA 21-22 taglio di lunghi taglio mRNA ?? (ta-siRNA)endogeni dsRNA endogeni (Dicer) siRNA 24-26 taglio di lunghi Modificazioni Silencing di RepeatAssociated dsRNAderivati da IRs istoni/DNA virus, siRNA(ra-siRNA) (Dicer) geni ripetuti, trasposoni

Gli attori della regolazione genica mediata da ncRNA Dicer-Like (DCL): 4 geni in Arabidopsis, caratterizzati da domini Rnase III in tandem Argonaute (AGO): 10 geni in Arabidopsis, caratterizzati da un dominio RNA binding (PAZ), ed un dominio Rnase-H RNA-Iinduced Silencing Complex (RISC): complesso citoplasmatico media sia il taglio endonucleolitico che l’inibizione traduzionale RNA-induced Initiation of Transcriptional Silencing (RITS): complesso nucleare, media il silenziamento trascrizionale RNA-Dependent RNA polymerase (RDR): 6 geni in Arabidopsis, di cui 3 ridondaanti (3,4,5); enzima che converte l’ssRNA in dsRNA, con modalità sia primer-dipendente che indipendente dsRNA Binding Proteins (DRB): cofattori che agiscono nel trasferimento di sRNA ai complessi effettori HEN1: proteina DRB, con attività metiltransferasica al C-ter SDE3: un’RNA elicasi

Pathways di Silencing in Arabidopsis miRNA Chromatin siRNA ta-siRNA

Modalità d’azione di diversi ncRNAs Taglio nucleolitico dovuto a miRNA o siRNA Repressione traduzionale dovuta a miRNA o siRNA Silenziamento trascrizionale causato da siRNA

miRNAs sono ssRNA di 22nt circa derivano da regioni intergeniche del genoma sono processati da strutture di tipo stem e loop parziali originano da trascritti più lunghi endogeni, di tipo hairpin, di circa 70nt sono processati da Dicer negli animali, DCL (Dicer-like)/CAF (Carpel Factory) nelle piante alcuni miRNAs presentano loci multipli nel genoma a volte sono organizzati in clusters regolano geni diversi da quelli adiacenti alle regioni intergeniche che li codificano molti miRNAs sono conservati tra specie diverse, suggerendo un ruolo evolutivo importante nella regolazione genica

In quanto piccoli regolatori a RNA, i miRNA sembrano molecole ad alta efficienza nella regolazione a livello genico. Possono svolgere lo stesso ruolo delle proteine regolative ed anche fornire svariati vantaggi rispetto a queste ultime. L’accoppiamento delle basi fra i miRNA ed i targets a DNA/RNA permette un riconoscimento altamente specifico, un lavoro che riesce molto meglio all’RNA che alle proteine. Quando necessari, i miRNA sono prodotti più rapidamente di eventuali proteine Il processo è più economico della sintesi di proteine regolative Esiste un numero enorme di miRNA ed ognuno ha diversi potenziali targets con dibverse regioni di acccoppiamento

Modello per il pathway di biosintesi e attività dei miRNAs miRNAs sono digeriti da Dicer dal precursore hairpin in forma di duplex, con 2-3nt overhangs e sono detti pre-miRNAs. Questi sono trasferiti ad un pre-miRNP, complesso che contiene Argo e l’RNA elicasi. Cofattori svolgono il pre-miRNA in ss-miRNAs ed il pre-miRNP è trasformato in mi-RNP. miRNA riconosce i suoi targets mentre è parte del miRNP. Diversi effettori portono il miRNA in diversi pathways. Modello per il pathway di biosintesi e attività dei miRNAs

Similitudini e differenze tra miRNA e siRNA

Modello per la biogenesi e l’attività di miRNA e siRNA

Struttura e Funzione della famiglia Dicer Dicer contiene un putativo dominio elicasi, un dominio PAZ, 2 domini tandem Rnase-III e un dominio dsRNA-binding (dsRBD). Un’attività efficiente di Dicer richiede la presenza di un minimo stem length. Il taglio di Dicer produce il miRNA maturo di 21/25 nt. Per l’attività endonucleolitica Dicer necessita dei domini Rnase-III dimerici (dimero intramolecolare) Struttura e Funzione della famiglia Dicer

Nelle piante la maturazione dei miRNA è necessariamente diverso da quella nel mondo animale. Infatti: Nelle piante non c’è l’omologo di Drosha La famiglia di Dicer ha un livello di complessità molto maggiore di quella del mondo animale Esistono 4 omologhi di Dicer in Arabidopsis, di cui due (DCL1,4) contengono motivi NLSs Quindi i miRNA in pianta sembrerebbero prodotti nel nucleo Quindi, la presenza di diversi Dicer può spiegare la complessità delle diverse classi di siRNA nelle piante (lunghi 21-22 o24-5nt)

ta-siRNAs trans-acting siRNA, lunghi 21nt derivano da regioni genomiche, sia sul filamento senso che su quello antisenso presenti in clusters spaziati di 21nt derivano da lunghi dsRNA il loro accumulo dipende da RDR6 differiscono dagli altri siRNA, in quanto i loro geni target non sono altamente omologhi a quelli da cui originano agiscono in trans mediante taglio endonucleolitico della sequenza target complementare (10/11°nt) il loro pathway, post-trascrizionale endogeno, è dipendente da: RDR6,AGO1,DCL1,HEN1,HYL1,SGS3