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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
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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.
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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
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I dati ottenuti con l’analisi degli RNA sottostimano
le reali differenze tra i profili di proteine presenti nei differenti
tipi cellulari
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Proteine costitutiveIndispensabili per la sopravvivenza
La loro concentrazione deve rimanere costante
Proteine adattativeCambiamenti delle condizioni ambientali
Produrre risposte metaboliche a specifici segnali
Proteine del differenziamento
Assunsione ed espressione permanente di nuove funzioni specifiche
Fenotipo
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Geni CostitutiviSempre espressi
Geni RegolatiDifferenziamento
Risposta a segnali extracellulari
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Punto 1
Organizzazione della cromatina
Inizio della trascrizione
Regolazione dell’espressione genica
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La trascrizione di singoli geni è accesa o spenta nelle cellule da proteine
regolatrici.
Fattori di trascrizione
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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
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Liver cells
Mammarygland cells
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Molti dei STF sono segnali esterni
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L’espressione di una singola proteina regolatrice può scatenare l’espressione di un
intera batteria di geni a valle
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La trascrizione di singoli geni è accesa o spenta nelle cellule da proteine
regolatrici.
Gli attivatori e i repressori agiscono con una varietà di meccanismicausando generalmente:
• La modificazione locale della struttura della cromatina
• L’assemblaggio dei fattori generali di trascrizione al promotore
• Il reclutamento della RNA polimerasi
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DNA PACKAGING
Chromatin structure is hyerarchic
NUCLEOSOME
Heterochromatin (more compact organization)
Euchromatin (less compact organization)
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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
STF
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GENE ACTIVATOR PROTEIN
Covalent histone modifications
Acetilazione degli istoni
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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
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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
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Come la metilazione del DNA può spegnere i geni
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Ereditabilità degli schemi di metilazione durante la duplicazione del DNA
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Inattivazione del cromosoma X nelle cellule di mammifero
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La determinazione del sesso in Drosophila dipende da una serie ordinata di eventi di
splicing dell’RNA
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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.
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Il differenziamento cellulare dipende generalmente da
cambiamenti nell’espressione genica
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• 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.
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A
B
D
Genes Functions
C
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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
Create cellular complexity by differential genes expression
Hobert (2004) TIBS
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MiRNA & SiRNAMiRNA & SiRNA
Small RNAs With a Big Role in Small RNAs With a Big Role in Gene RegulationGene Regulation
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MicroRNAs (miRNAs) are a family of 21–25-nucleotide MicroRNAs (miRNAs) are a family of 21–25-nucleotide small RNAs that, at least for those few that have small RNAs that, at least for those few that have characterized targets, negatively regulate gene expression characterized targets, negatively regulate gene expression at the post-transcriptional levelat the post-transcriptional level
Members of the miRNA family were initially discoveredMembers of the miRNA family were initially discoveredas small temporal RNAs (stRNAs) that regulate as small temporal RNAs (stRNAs) that regulate developmental transitions in developmental transitions in Caenorhabditis elegansCaenorhabditis elegans
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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
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
Targets
Probe
Matches
GENE EXPRESSION ANALYSIS
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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
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49 - 400 chips/wafer
DNA microarrays consist of thousands of individual gene sequences bound to closely spaced regions on the surface of a glass microscope slide.
1.28cm
up to ~ 400,000 features/chip
Millions of identical oligonucleotide
probes per feature
20 - 50 µm
20 - 50 µm
GENE EXPRESSION ANALYSIS
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Array
Before labelling
Schematically
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Array
Labelled but before hybridization
Schematically
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After hybridization
Schematically
Array
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4 2 0 3
Quantification
Schematically
Array
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GENE EXPRESSION ANALYSIS