“ Oltre il DNA: alla scoperta dei m eccanismimolecolari che regolano lo svilup po e lafisiologia della cellula ”

Prof. Paolo Macchi, PhDLab of Molecular and Cellular Neurobiology - CIBIO Univ. Trento – www.unitn.it/cibiomacchi@science.unitn.it

�Trasporto di RNA

�DNA, RNA e miRNA revolutions

�Controllo traduzionale

�Domande, approfondimenti

�Differenziamento

�Mantenimento della diversita’

�Alterazioni

Gli spazi “omici”

Gli spazi “omici”

genomagenoma (DNA)(DNA)

trascrittomatrascrittoma ((mRNAmRNA))

proteomaproteoma (proteine)(proteine)

metabolomametaboloma (piccole molecole)(piccole molecole)

DNA ProteinamRNA(RNA messaggero)

“Dogma” centrale della Biologia molecolare:

J. Watson & F. Crick“Molecular structure of nucleic acids: a structure for deoxyribose nucleic acid.”

Nobel prize in Physiology or Medicine, 1962

- Maurice Wilkins

mRNATrascrizione

(nucleo)

Funzione XProteinaTraduzione(Citoplasma)

Ribosoma

DNA

~ 3*109

~ 100*106

~ 2,7*109

~ 120*106

~ 180*106

~ 12*106

~ 1*109

Grandezza del genoma in differenti organismi

~ 3*109

~ 590*103

~ 140*109

~ 670*109Piramide della complessita’?

Piramide della longevita’?

Grandezza α α α α Complessita’ ?Grandezza αααα Longevita ????

Un paradosso? Il numero dei geni codificanti protei ne non può giustificare le differenze evolutive tra gli eu carioti.

~25k~15k

~20k

~6,5k

~31k

>30k

<30k

� Stesso genoma � Stesso numero di geni espressi

La spiegazione della differenza evolutiva (e differe nziativa) sembra legata all’espressione dei geni in:

� Quantità� Luogo (cellule, tessuti)� Tempi diversi

• trascrizionale• post-trascrizionale• post-traduzionale (fosfo e defosforilazioni, metilazoni, acetilazioni, ubiquitinazioni e sumoilazioni)

Controllo combinatorio:

1

2

1. Splicing2. Controllo traduzionale

The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1993"for their discoveries of split genes"

Phillip Sharp Richard J. Roberts

Aumentare la complessità aumentando l’uso combinator io di esoni mediante splicing alternativo

Trascrittoprimario Splicing

alternativo

Funzione A

Funzione B

Rilascio extra-cellulare (gradiente)

Ancoraggio membrana (contatto mediata)

Membrana

OUT IN

1. Splicing2. Controllo traduzionale: microRNA

DNA mRNA

Traduzione(Citoplasma)

Proteina

Trascrizione(nucleo)

microRNA

+/-

- - -

Nobel prize in Physiology or Medicine, 2006

Craig Mello Andrew Fire

microRNA world

RISC: RNA-induced silencing complex

Origine e meccanismo di azione

•302 (1/3) are neurons• Accumulation around the ring•Simple NS ���� hope to model & understand an entire NS

Zebrafish come organismo modello: The “vertebrate C. elegans”

•Embrioni trasparenti che si sviluppano in un

chorion trasparente

•sviluppo embrionale estremamente rapido

(molti organi si formano in 24 ore)

• organi composti da un numero

relativamente basso di cellule

• grande numero di progenie :

1 femmina: >200 uova/ sett.

• tempo generazionale: 2-3 mesi

Nüsslein-Volhard Lab, Max Planck Institute, Tübingen

10 cm Petri dish

microRNA world: non solo C. elegans…..

Laboratory tool:

- Silenziamento specifico

- Veloce

- Usi terapeutici

miR- Rnd

1. Splicing2. Controllo traduzionale: trasporto RNA

Esempi di localizzazione di RNA.

gurken mRNA nell’oocita (defining the dorsal, anterior and posterior

regions of the embryo)

Oskar mRNA in oocita

bicoid mRNA in embrione

Actin mRNA nei fibroblasti

ASH1 mRNA in lievito (S. cerevisiae)

Esempi di localizzazione di RNA...non solo Drosophil a....

RNA che NON localizza nei dendriti RNA che localizza nei dendriti

....ma anche neuroni

Movimento di RNA nei dendriti neuronali

Perche‘ le cellule localizzano RNA?

�Efficiente : 1 molecola mRNA ���� 10-100 proteine

�Sicuro : previene l‘interazione aspecifica di proteine con al tre proteine

�Rapido : Permette di avere dei cambiamenti rapidi locali della concentrazione di una determinata proteina

Come fa l‘RNA a localizzare in maniera specifica in un determinato compartimento cellulare?

1. Sequenze specifiche (codice postale)

2. Proteine (proteine che legano RNA, motor proteins)

Regione codificante

ATG……… ….STOP

5’ non tradotta3’ non tradotta

Proteina

Trasporto

Come la Come la memoriamemoria vieneviene immagazzinataimmagazzinata a a livellolivello cellularecellulare ??

QualiQuali molecolemolecole sonosono coinvoltecoinvolte in in questoquesto processoprocesso ??

Come Come fafa ilil neuroneneurone a a crearecreare nuovenuove specifichespecifiche sinapsisinapsi ??

Ramon y Cajalca. 1890

Axon

Cell Body

Dendrites

Formazione di nuove sinapsi in un neurone Engert and Bonhoeffer , Nature 1999

Apprendimento e Memoria Modifiche di specifiche sinapsi

Modificami,Sto imparando!

Lasciami riposare!

Come il neurone modifica alcune sinapsi ma non altre?

Localizzando mRNA!Localizzando mRNA!

Apprendimento e Memoria Modifiche di specifiche sinapsi

GFP

Assone

Dendriti

3 GFP / siRNA

Assone

Dendriti ??

Neurone normale Neurone normale??

�SMA: s pinal m uscular a trophy

�SCA: s pinoc erebellar a taxia

�ALS: a myotrophic l ateral s clerosis

Grazie dellGrazie dell‘‘ attenzione!attenzione!