2. Domande 18
1. Ancora più che nei procarioti, negli Eucarioti molti geni
devono rispondere (attivandosi o disattivandosi) e in
modo coordinato a variazioni ambientali: come viene
regolata l’espressione genica?
2. Cosa succede ai geni che, in certi tessuti, non si
esprimono mai?
3. A che livelli può essere controllata l’espressione
genica?
4. Che cosa sono i piccoli RNA, e che ruolo hanno nel
controllo dell’espressione genica?
6. Regolazione della trascrizione negli
Eucarioti
A: Fattori trascrizionali (proteine)
Operano in trans: sono molecole diffusibili
1.Fattori generali di trascrizione o GTF
Si legano al promotore bassi livelli di trascrizione
2.Attivatori
Si legano al DNA. Due domini: di legame e di attivazione
alti livelli di trascrizione
3. Coattivatori
Si legano ai GTF o agli attivatori alti livelli di trascrizione
4.Repressori
Si legano al DNA. Due domini: di legame e di repressione
Mai legati a siti analoghi all’operatore inibizione della trascrizione
5. Corepressori
Si legano ai GTF o agli attivatori inibizione della trascrizione
7. B: Sequenze regolatrici (siti del DNA)
Attive solo in cis: sono siti del DNA
Promotori (vicini), enhancer, silencer (lontani)
Gli elementi del promotore hanno un ruolo nel determinare se avviene
o meno trascrizione al gene
Gli enhancer e i silencers determinano, legando specifiche proteine
regolatrici, quanto alti saranno i livelli di trascrizione al gene
N.B. Non c’è una proteina regolatrice per ogni gene (altrimenti, metà
del genoma produrrebbe proteine regolatrici per l’altra metà). Ogni
gene è regolato da uno specifico complesso di proteine regolatrici: la
stessa proteina regolatrice regola, in combinazione con altre proteine
regolatrici, la trascrizione di diversi geni
32. La metil-transferasi lega gruppi metilici alle
citosine nei dinucleotidi CG; regioni del genoma
ricche di questi dinucleotidi si chiamano isole CpG
Regioni metilate possono essere evidenziate
perché la metilazione protegge dal taglio con MspI
le sequenze bersaglio dell’enzima di restrizione,
CCGG
Metilazione della
citosina nelle isole CpG
di mammifero
33. Il DNA non metilato scorre sul nucleosoma,
rendendo disponibili promotore e siti di
regolazione
34. Cromatina chiusa,
cromatina aperta
Il complesso SWI/SNF (switch
sniff) è costituito da un numero
variabile di proteine (da 8 a 18)
che allontanano i nucleosomi
35. La metilazione è una forma di cambiamento ereditabile
dell’espressione genica, che non altera la sequenza del
DNA
Un altro esempio di fenomeno epigenetico è rappresentato
dall’inattivazione del cromosoma X nei mammiferi
Fenomeni di questo tipo sono detti epigenetici.
37. Lo strano caso delle petunie
I fiori di petunia selvatici hanno colore
uniforme per l’espressione di un gene
cromosomico che codifica per il pigmento.
Inserendo una seconda copia del gene,
Jorgensen e colleghi contavano di ottenere
una colorazione più intensa
Le petunie transgeniche così ottenute hanno
invece regioni non pigmentate; questo
fenomeno è stato chiamato co-soppressione
La co-soppressione è dovuta all’intervento di corti RNA con funzione di
regolazione, che inattivano entrambe le copie del gene per il pigemento: sia
quella portata sul cromosoma, sia quella transgenica:
Silenziamento genico
38. RNA interference
Lavorando su Caenorhabditis elegans, Fire e Mello dimostrano che gli mRNA
possono essere distrutti da piccole molecole di RNA a doppia elica: miRNA
(microRNA) e siRNA (short interfering RNA). (A. Fire et al., 1998, Nature
391:806-811)
miRNA e siRNA sono prodotti da tratti di genoma che non codificano per
proteine.
In natura, l’RNA interference porta al silenziamento genico, ed è utilizzato
da diversi organismi come difesa contro l’espressione di DNA virali
44. RNA interference 4: siRNA
I siRNA non sono codificati dal genoma nucleare, ma si originano come RNA a doppia
elica di 19-21 nt
Attraverso passaggi analoghi a quelli visti per
miRNA (ma Slicer è rappresentato da una
proteina diversa, Ago2) si forma un precursore
del complesso RISC, e poi un siRISC
Il complesso siRISC riconosce l’mRNA bersaglio,
vi si lega e ne provoca la degradazione
Ma, se non sono codificati nel genoma, che
origine hanno gli shRNA in questo caso?
45. RNA interference 5: siRNA
Fra le molecole di shRNA non codificate dal genoma nucleare ci sono gli intermedi di
replicazione di genomi virali a RNA, o trascritti ad elica singola che contengono
inverted repeats e perciò possono ripiegarsi a forcina
I complessi siRISC riconoscono regioni
complementari negli RNA da cui sono derivati,
e portano alla loro inattivazione: sono
conservati perché proteggono dall’infezione
virale
47. GENE 5’ UTR3’ UTRSITI REGOLATORI
mRNA 3’ UTR5’ UTR AAAAA
Ci vogliono più fattori per iniziare la trascrizione di ogni gene
Ci vogliono più miRNA per silenziare ciascun mRNA
48. RNA interference: un film
http://www.nature.com/focus/rnai/animations/index.html
49. Controllo dell’espressione genica attraverso meccanismi
che regolano il catabolismo di RNA e proteine
La degradazione degli mRNA può avvenire tramite meccanismi dipendenti
dall’adenilazione, cioè digerendo la coda di poliA fino a renderla non funzionale.
Segue la rimozione del cap, dopo di che l’mRNA viene degradato a partire
dall’estremità 5’.
La degradazione degli mRNA può avvenire anche tramite meccanismi
indipendenti dall’adenilazione, al momento non ben compresi.
50. Sintesi 18
1. Negli Eucarioti l’espressione genica può essere controllata a molti livelli
2. Nella regolazione della trascrizione intervengono sequenze regolatrici a
monte del gene (promotori, enhancers, silencers) e molecole diffusibili
(fattori di trascrizione, attivatori, coattivatori, repressori, corepressori)
3. Queste molecole sono proteine che stabiliscono contatti col DNA grazie a
domini funzionali del tipo helix-turn-helix, zinc finger e leucine zipper
4. In organismi complessi, molti geni sono disattivati tramite metilazione della
citosina e altri fenomeni epigenetici
5. Esistono varie forme di controllo post-trascrizionale, di cui il principale
richiede l’intervento di microRNA e siRNA: RNA interference
6. L’RNA interference causa un silenziamento post-trascrizionale dei geni,
attraverso un’accelerata degradazione dei loro messaggeri
7. Ci sono infine meccanismi che regolano il catabolismo di RNA e proteine,
agendo sulla loro velocità di degradazione
51. Looking for speech genes
Bishop (2002)
In the portions of the genome that differ between
chimpanzee and human, can we find a gene or genes
that are crucial for language?
Speech genes?
52. Famiglia KE con una grave forma di dislessia
(incapacità di sviluppare un discorso articolato)
Mutazione nel gene FOXP2
57. Looking for speech genes:
gene expression comparisons
Enard et al. (2002)
58. We have largely the same genes as chimpanzees, and these
genes do the same things in much of our bodies, but not in the
brain (Enard et al. 2002)
Species-specific gene expression patterns: Large
changes in gene expression in the human brain.
59. We have largely the same genes as chimpanzees, and these
genes do the same things in much of our bodies, but not in the
testis (Khaitovich et al. 2005)
Species-specific gene expression patterns: Small
changes in gene expression in the human brain.