Espressione genica e biogenesi mitocondriale

Complessità della biologia mitocondriale: ruoli biologici dei mitocondri, loro morfologia, aspetto e dinamiche nelle cellule. Composizione, permeabilità e proprietà di potenziale elettrico della Membrana Interna Mitocondriale. Processi di trasporto attraverso membrane. Meccanismi di biogenesi mitocondriale: fusione, fissione e mitofagia. Siti di contatto tra mitocondri e altri organuli. Trasferimento mitocondriale: le cellule animali scambiano mitocondri usando vari meccanismi con rilevanti conseguenze biologiche: quadro naturale e applicazioni in terapie. Breve introduzione alla forza proto-motrice mitocondriale: definizioni operative e proprietà. Generazione nei mitocondri di ROS, loro detossificazione con enzimi specifici e possibili ruoli funzionali. Genomi negli organuli a doppia membrana. Evoluzione del mtDNA: mtDNA di mammifero, mappa genetica del mtDNA umano; impaccamento del mtDNA nel nucleoide. Eredità materna del mtDNA e un meccanismo plausibile per questa regola quasi inflessibile. Motivi biologici per l’eredità unigenitoriale del mtDNA e l’omoplasmia ideale. Strettoia mitocondriale nell’oogenesi del mammifero. Mutazioni del mtDNA: l’eteroplasmia è una condizione tipica. Replicazione del mtDNA e suoi modelli alternativi. Espressione del proteoma mitocondriale. Trascrizione dei filamenti L e H dai promotori HSP e LSP: inizio, allungamento, terminazione. Elaborazione dei trascritti primari dai filamenti H e L. Geni nucleari che codificano componenti per la biogenesi mitocondriale. Traduzione mitocondriale: ciclo traduttivo di un mitoribosoma umano. Importare proteine mitocondriale a sintesi citosolica: compartimenti mitocondriali e complessi che importano proteine a codifica nucleare. Montaggio di complessi ETC a molte subunità: Complesso I, con modello quasi completo per la sua via di montaggio. Super-complessi: respirasoma e suo possibile significato funzionale. Espressione coordinata di proteine mitocondriali: uno studio cinetico mostra come sia sincronizzata l’espressione del sistema bigenomico. L’orario dei pasti può sincronizzare i ritmi dei trascritti mitocondriali: guide da regolatori circadiani e metabolici. Le dinamiche mitocondriali negli animali sono coinvolte nei comportamenti adattativi di sonno e stress? Biogenesi mitocondriale locale nelle cellule neuronali. Esperimenti dimostrano che replicazione del mtDNA, fusione e fissione mitocondriali avvengono in assoni di neuroni periferici; organuli differenti spostano granuli di RNA, mRNA per proteine mitocondriali a codifica nucleare raggiungono compartimenti neuronali distali con endosomi tardivi e particelle ribonucleoproteiche; granuli di RNA possono spostarsi con lisosomi tramite aggancio con un’annexina. Bioenergetica. Termodinamica dell’equilibrio chimico. Flusso stazionario in una sequenza di reazioni e sua forza termodinamica traente. Processi redox e loro relazioni termodinamiche. Il sistema adenilati: carica energetica e rapporto di concentrazioni nel pool adenilati. Il sistema adenilati trasferisce e distribuisce energia dal metabolismo dei nutrienti. Turnover dell’ATP in vivo. Coenzimi redox ed estrazione/trasferimento di energia chimica nella cellula. Fosforilazione ossidativa: complessi e trasportatori nella catena di trasporto elettronico (ETC) mitocondriale. La forza proto-motrice (Δp) generata dalla ETC è il potenziale elettrochimico del protone attraverso la MIM. Misure di potenziali mitocondriali: uso di sonde fluorescenti per stimare il Δp dal Δψ della MIM. Gli elettroni si spostano tra centri redox per effetto tunnel; complessi con più centri redox orientano così i trasferimenti elettronici in uno schema funzionale. Reazioni redox con chinoni/chinoli nei Complessi II e III. Ciclo Q. formazione di O2•– nel Complesso III. Ciclo catalitico della COX: il pompaggio protonico accoppiato al processo redox genera la forza proto-motrice. Il complesso V o ATP sintasi: catalisi rotazionale e modelli per accoppiare gradiente di protoni e sintesi di ATP. Differenze in subunità per ATP sintasi da varie fonti. Aspetti specifici dell’energetica mitocondriale e cellulare. Energia chimica convertita in calore: tessuto adiposo bruno e suoi meccanismi, altri modelli di termogenesi. Brevi discussioni su trasporto elettronico inverso e generazione di Δp per idrolisi di ATP. Proteina Inibitrice che blocca l’attività dell’oligomicina sulla ATP sintasi mitocondriale e sue conseguenze. Il Test a Punto Zero dell’Oligomicina e alcune sue applicazioni. I mitocondri sono coinvolti nell’invecchiamento: un problema crescente nella biologia mitocondriale. La biologia dei tumori e i mitocondri: una connessione di grande interesse. Genome editing sui mitocondri: tentativi per terapie geniche delle malattie da mutazione nel mtDNA usando Zinc-Finger Nucleases e Transcriptional Activator-Like Effector Nucleases. Criticità dei sistemi CRISPR–Cas9 e –Cas12a nell’editing del mtDNA. Editing del mtDNA con i CRISPR-free base editors, e loro evoluzione.