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I differenti tipi cellulari di un
organismo multicellulare differiscono
nettamente sia nella struttura che
nella funzione
Le differenze tra un neurone di
mammifero ed un linfocita sono così
estreme che è difficile immaginare che le
due cellule hanno lo stesso genoma
Tutte le cellule di un organismo hanno lo stesso
genoma
(originano tutte dallo zigote).
Le differenze tra i diversi tipi cellulari dipendono dalle
diverse proteine che li costituiscono
dall’espressione selettiva di specifici sets di geni.
E’ stato stimato che in un determinato momento una tipica
cellula umana esprime approssimativamente da 10.000 a
20.000 dei suoi circa 22.000 geni.
Utilizzando tecniche di microarray è stato possibile confrontare
i profili di mRNA di differenti tipi cellulari, ed è stato trovato
che il livello di espressione di quasi ogni gene attivo varia da un
tessuto ad un altro
I dati ottenuti con l’analisi degli RNA
sottostimano
le reali differenze tra i
profili di proteine presenti nei differenti tipi
cellulari
Fenotipo
Proteine costitutive
Indispensabili per la sopravvivenza
La loro concentrazione deve rimanere costante
Proteine adattative
Cambiamenti delle condizioni ambientali
Produrre risposte metaboliche a specifici segnali
Proteine del differenziamento
Assunsione ed espressione permanente di nuove funzioni
specifiche
Geni Costitutivi
Sempre espressi
Geni Regolati
Differenziamento
Risposta a segnali extracellulari
Regolazione dell’espressione genica
Organizzazione della cromatina
Punto 1
Inizio della trascrizione
Fattori di trascrizione
La trascrizione di singoli geni è accesa o
spenta nelle cellule da proteine regolatrici.
Differenti Fattori di Trascrizioni Specifici (STF) sono
presenti in differenti tipi cellulari.
Questi permettono specifici patterns di espressione
genica che conferiscono la specificità cellulare.
Dei 22.000 geni umani dal 5% al 10% codifica per
STF
Liver cells
Mammary
gland cells
Molti dei STF sono segnali esterni
L’espressione di una singola proteina regolatrice
può scatenare l’espressione di un intera batteria di
geni a valle
La trascrizione di singoli geni è accesa o
spenta nelle cellule da proteine regolatrici.
Gli attivatori e i repressori agiscono con una
varietà di meccanismi
causando generalmente:
• La modificazione locale della struttura della
cromatina
• L’assemblaggio dei fattori generali di
trascrizione al promotore
• Il reclutamento della RNA polimerasi
DNA PACKAGING
Chromatin structure is hyerarchic
NUCLEOSOME
Heterochromatin (more compact organization)
Euchromatin (less compact organization)
STF
Many gene activator proteins make use of 2
mechanisms for changing the chromatin structure of
the regulatory sequences:
1)Covalent histone modifications
2)Nucleosome remodeling
GENE ACTIVATOR PROTEIN
Covalent histone modifications
Acetilazione degli istoni
GENE ACTIVATOR PROTEIN
Nucleosome remodeling
This term refers to the modification or repositioning
of nucleosomes within a short region of the genome,
so that DNA-binding proteins can gain access to their
attachment sites
Remodeling, in the strict sense, involves a change in the structure of the nucleosome,
but no change in its position.
Sliding, or cis-displacement, physically moves the nucleosome along the DNA.
Transfer, or trans-displacement, results in the nucleosome being transferred to a
second DNA molecule, or to a non-adjacent part of the same molecule
Metilazione del DNA
Nei vertebrati la metilazione del DNA si trova in regioni
trascrizionalmente silenti del genoma (come il cromosoma X
inattivo) suggerendo che essa abbia un ruolo nel
silenziamento dei geni
Come la metilazione del DNA può spegnere i geni
Ereditabilità degli schemi di metilazione durante la
duplicazione del DNA
Inattivazione del cromosoma X nelle cellule di mammifero
La determinazione del sesso in Drosophila
dipende da una serie ordinata di eventi di
splicing dell’RNA
Sono tradizionalmente riconosciute nel corpo
umano circa 1013 cellule rappresentate da
250 tipi cellulari diversi.
Esse hanno perso le caratteristiche necessarie per
la sopravvivenza indipendente e hanno acquisito
peculiarità che soddisfano le necessità del
corpo nel suo insieme.
Il differenziamento cellulare dipende
generalmente da
cambiamenti nell’espressione genica
• Il differenziamento è il processo mediante il
quale una cellula diventa diversa dalla sua
progenitrice e dalle altre cellule figlie della
stessa progenitrice.
• L'ultima parte del differenziamento, che si
compie dopo che è cessata l'attività
proliferativa, si definisce
differenziamento terminale.
Genes
Functions
A
B
C
D
Create cellular complexity by differential genes expression
This form of combinatorial coding endows an organism with n genes to create,
in theory, 2n different cell-specific gene batteries.
This rationalization provides an easy explanation for the fact that the absolute
number of genes in a genome does not correlate with organismal complexity
Hobert (2004) TIBS
MiRNA & SiRNA
Small RNAs With a Big Role in
Gene Regulation
MicroRNAs (miRNAs) are a family of 21–25-nucleotide
small RNAs that, at least for those few that have
characterized targets, negatively regulate gene expression
at the post-transcriptional level
Members of the miRNA family were initially discovered
as small temporal RNAs (stRNAs) that regulate
developmental transitions in Caenorhabditis elegans
GENE EXPRESSION ANALYSIS
Nucleic acid hybridization is a common approach for surveying gene
expression at the RNA level and can be used to provide whole genome
expression screens
Probe
Targets
Matches
Hybridization: Association of two complementary nucleic acid strands to
form double – stranded molecules, which can contain two DNA strands,
two RNA strands, or one DNA and one RNA strand
GENE EXPRESSION ANALYSIS
Most recent invented methods allow researchers to analyze the
expression of thousands of genes simultaneously using DNA
microarray
Coupling this methods with the results from genome sequencing
projects allows researchers to analyze the complete transcriptional
program of an organism during specific physiological responses or
developmental processes.
GENE EXPRESSION ANALYSIS
DNA microarrays consist of thousands of individual gene sequences bound to
closely spaced regions on the surface of a glass microscope slide.
20 - 50 µm
20 - 50 µm
Millions of identical
oligonucleotide
probes per feature
49 - 400
chips/wafer
1.28cm
up to ~ 400,000 features/chip
Schematically
Before labelling
Array
Schematically
Labelled but before hybridization
Array
Schematically
After hybridization
Array
Schematically
Quantification
4
2
0
Array
3
GENE EXPRESSION ANALYSIS