Controllo trascrizionale
Organismi unicellulari
• Duplicazione cellulare
• Risposta agli stimoli dell’ambiente esterno
Organismi pluricellulari
• Duplicazione cellulare
• Sviluppo e differenziamento di tipi cellulari specializzati
• Risposta agli stimoli dell’ambiente esterno
• Coordinamento tra le funzioni dei diversi tipi cellulari
Virus
• Duplicazione del proprio genoma sfruttando a
proprio vantaggio i meccanismi molecolari delle cellule
e degli organismi ospiti
Le cellule rispondono in modo complesso a
stimoli complessi
Unicellulari
Assenza di
glucosio
Presenza di
lattosio
Induzione dei geni responsabili
dell’utilizzazione del lattosio
Pluricellulari
La maggior parte delle risposte cellulari
richiede l’attivazione e/o la repressione
coordinata di molti geni
In tutti gli organismi viventi le informazioni
contenute nel genoma non si esprimono
contemporaneamente, e sono finemente regolate.
• Geni ad espressione costitutiva (housekeeping)
• Geni ad espressione condizionale (inducibili,
reprimibili)
• Geni specializzati (tessuto specifici, che a loro volta
possono essere costitutivi o condizionali)
Differenziamento cellulare
Differenziamento cellulare
La produzione di tipi celulari specializzati in
genere non dipende da riarrangiamenti del DNA
Genoma
Insieme delle informazioni genetiche che caratterizzano un organismo.
Trascrittoma
Insieme degli RNA messaggeri prodotti da
una determinata popolazione cellulare.
Per ogni tipo cellulare diverso sono
espressi all’incirca 10000 geni diversi.
Proteoma
Insieme delle proteine prodotte da una
determinata popolazione cellulare.
Livelli di controllo dell’espressione genica
Il controllo della trascrizione è basato sul riconoscimento di corte
sequenze di DNA da parte di diverse classi di proteine
Il controllo della trascrizione è basato sul riconoscimento di corte
sequenze di DNA da parte di diverse classi di proteine
Come funziona la trascrizione ?
I promotori e le RNA polimerasi sono asimmetrici
5’
3’
TTACGTAACGTCAGAACGTATAAACCGGAACGTAGGGGTCGCGCGTT
AATGCATTGCAGTCTTGCATATTTGGCCTTGCATCCCCAGCGCGCAA
3’
5’
Promotore
Come funziona la trascrizione ?
I promotori e le RNA polimerasi sono asimmetrici
5’
3’
TTACGTAACGTCAGAACGTATAAACCGGAACGTAGGGGTCGCGCGTT
AATGCATTGCAGTCTTGCATATTTGGCCTTGCATCCCCAGCGCGCAA
3’
5’
Promotore
Come funziona la trascrizione ?
I promotori e le RNA polimerasi sono asimmetrici
mRNA 3’
5’
CCGGAACGUAGGG
5’
3’
TTACGTAACGTCAGAACGTATAAACCGGAACGTAGGGGTCGCGCGTT
AATGCATTGCAGTCTTGCATATTTGGCCTTGCATCCCCAGCGCGCAA
3’
5’
Promotore
Cosa succede se inverto il promotore ?
Promotore
5’
3’
TTACGTAACGTCAGAACGTTTATACCGGAACGTAGGGGTCGCGCGTT
AATGCATTGCAGTCTTGCAAATATGGCCTTGCATCCCCAGCGCGCAA
3’
5’
Cosa succede se inverto il promotore ?
Promotore
5’
3’
TTACGTAACGTCAGAACGTTTATACCGGAACGTAGGGGTCGCGCGTT
AATGCATTGCAGTCTTGCAAATATGGCCTTGCATCCCCAGCGCGCAA
3’
5’
Cosa succede se inverto il promotore ?
Promotore
5’
3’
TTACGTAACGTCAGAACGTTTATACCGGAACGTAGGGGTCGCGCGTT
AATGCATTGCAGTCTTGCAAATATGGCCTTGCATCCCCAGCGCGCAA
3’
5’
AGUCUUGC
3’ mRNA 5’
Come funziona la trascrizione ?
Strategie di controllo dell’espressione
genica nei batteri
• Genoma estremamente compatto
• Le RNA polimerasi possono
riconoscere il promotore in
assenza di altre proteine
• Organizzazione dei geni in
operoni
• Regioni di controllo molto
piccole (in genere <200 bp)
Controllo negativo: l’operon del triptofano
Controllo negativo: l’operon del triptofano
Integrazione di due informazioni: l’operon del lattosio
Circuiti genetici complessi nei procarioti: il fago lambda
Il ciclo vitale
del fago lambda
Lisogenia
Un interruttore complesso
La proteina cI agisce sia da
repressore (sui geni responsabili
della crescita litica) sia da attivatore
(della propria trascrizione)
Il controllo della espressione genica negli eucarioti è
molto più sofisticato che nei procarioti
• Compartimentalizzazione di trascrizione e traduzione
• Genomi poco compatti, con grande quantità di DNA non codificante
• Sequenze geniche suddivise in esoni ed introni
• Regioni di controllo dei geni molto grandi (anche > 50000 bp)
• RNA polimerasi incapaci di iniziare la trascrizione senza altri fattori
• RNA messaggeri codificanti per singole proteine, no operoni
Il DNA eucariotico è organizzato sotto forma di cromatina
Regolazione a distanza
Struttura di un tipico promotore eucariotico
Il controllo della trascrizione avviene a
numerosi livelli:
• Pre-attivazione
(Induzione di uno stato
trascrizionalmente competente)
 Fattori di trascrizione legati a specifici
promotori/enhancers
 Co-attivatori (acetilasi degli istoni,
attivita’ che rimodellano la cromatina)
 Fattori “generali” di trascrizione (GTFs)
e RNA polimerasi
• Inizio/re-inizio della trascrizione
• Elongazione del trascritto
• Terminazione del trascritto
Diversamente dai procarioti, la trascrizione dei
geni eucarioti e’ controllata da numerosi elementi
TBP
TFIIs
Pol.II
TATA
~ -200
~ -50
PROSSIMALE
ENHANCER
(~ 100 bp)
CORE
PROMOTORE
 La funzione principale dei fattori di trascrizione e’ di facilitare l’assemblaggio del
macchinario basale di trascrizione sul promotore essenziale (core).
 Questo avviene - tramite reclutamento di GTF
- tramite reclutamento di HAT oppure di attivita’ che rimodellano
la cromatina
- tramite attivita’ acetilasiche intrinsiche
Il promotore essenziale (core promoter)
• Determina il sito di inizio della trascrizione e
dirige il legame dell’ RNA Pol II
• I promotori essenziali più frequenti per l’RNA Pol
II sono:
– TATA box: la sua sequenza e’ altamente conservata
(TATAAA); si trova prevalentemente in geni che
vengono trascritti rapidamente, ed e’ localizzata ~25-30
bp a monte del sito di inizio della trascrizione.
la TATA box dirige l’inizio della trascrizione a siti
ben definiti
– Isole CpG: proprio di molti geni “house-keeping”. La
trascrizione comincia a siti multipli disseminati in una
regione di circa 20-200-bp.
L’inizio della trascrizione da parte
dell’RNA Pol II richiede multipli fattori
• Fattori di trascrizione generali (GTF) insieme con
l’RNA Pol II formano l’apparato trascrizionale basale, che
lega il promotore essenziale ed è sufficiente alla
trascrizione in vitro
– TBP (che con i fattori associati a TBP (TAF) forma -> TFIID)
– TFIIA, TFIIB, TFIIF, TFIIE, TFIIH
• Fattori di trascrizione specifici, anche richiesti per la
trascrizione attivata: servono per reclutare e assemblare
l’apparato trascrizionale
– Si legano a elementi di riconoscimento sul promotore e
sull’enhancer
– Multipli fattori di trascrizione sono normalmente coinvolti
nell’attivazione di un gene
Inizio della trascrizione negli eucarioti: modello sequenziale
TBP + TAFs=TFIID
Inizio della trascrizione negli eucarioti:
reclutamento dell’oloenzima
TBP + TAFs=TFIID
Meccanismi di attivazione
TBP + TAFs=TFIID
Meccanismi di attivazione:
rimodellamento locale della cromatina
TBP + TAFs=TFIID
Importanza delle modificazioni post-traduzionali degli istoni:
acetilazione-deacetilazione
TBP + TAFs=TFIID
Coattivatori, corepressori
• Richiesti per la funzione dei
fattori di trascrizione
specifici
• NON richiesti per la
trascrizione basale (ma la
stimolano ~10x)
• NON legano specificamente
il DNA
Sinergia e cooperazione tra molecole di fattori
trascrizionali: concetto di enhanceosoma
Sinergia
TBP + TAFs=TFIID
Enhanceosoma
Cooperazione
Sequenza di eventi nell’attivazione trascrizionale di un gene
Repressori trascrizionali eucariotici
Repressori trascrizionali eucariotici
Strategie di controllo trascrizionale: orologi molecolari
Recettori nucleari per gli ormoni
Strategie di controllo trascrizionale:
espressione coordinata indotta da cortisolo
• Stesso recettore, effetti diversi dipendenti dalla combinazione di fattori presenti
• Alcuni geni vengono attivati, ma altri sono repressi.
• Nel fegato aumenta l’espressione dei geni implicati nella gluconeogenesi
• Nel muscolo diminuisce la captazione degli aminoacidi e stimola la proteolisi
Alcuni geni regolano complessi programmi di
differenziamento cellulare
I fattori trascrizionali della
famiglia di MyoD possono
converire in cellule
muscolari i mioblasti, ma
non altri tipi cellulari
Alcuni geni regolano complessi programmi di sviluppo
Controllo combinatorio durante lo sviluppo
Modularità degli elementi di controllo trascrizionale
Modularità degli elementi di controllo trascrizionale
Modularità degli elementi di controllo trascrizionale
Come si può limitare l’azione degli elementi di controllo:
isolatori cromatinici
Il controllo delle beta globine umane
Controllo epigenetico e memoria cellulare
Modificazioni epigenetiche del DNA: metilazione
Distinzione tra metilazione ‘de novo’ e metilazione di mantenimento
Il dinucleotide CpG è poco rappresentato nel DNA dei vertebrati
perché soggetto a mutazione secondaria a metilazione
Distinzione tra metilazione ‘de novo’ e metilazione di mantenimento
Isole CpG nei geni
La metilazione durante lo sviluppo
La metilazione di solito si associa con repressione
dell’espressione genica: meccanismo
Fenomeno dell’esclusione allelica: anche se di ogni gene sono
presenti due copie, in alcuni casi solo una di queste si esprime
•Può essere dipendente dall’origine parentale dell’allele,
e in questo caso si parla di imprinting
• Può essere indipendente dall’origine parentale (ad es.
inattivazione del cromosoma X)
•In entrambi i casi può essere tessuto-specifico
Esempi di imprinting: H19 e IGF2
H19: allele paterno represso e fortemente metilato.
IGF2: allele materno represso.
Esempi di imprinting:
Delezioni della regione 15q11-q13 in eterozigosi
Sindrome di Prader-Willi
• Ritardo mentale
• Ipotonia
• Obesità
• Ipogonadismo
Esempi di imprinting:
Delezioni della regione 15q11-q13 in eterozigosi
Sindrome di Angelman
• Ritardo mentale
• Difficoltà di eloquio
• Ritardo di crescita
• Iperattività
• Ilarità inappropriata