Espressione genica e biogenesi mitocondriale

Ruoli biologici, morfologia/aspetto nelle cellule e dinamica dei mitocondri. Struttura/funzioni di membrane mitocondriali. Membrana interna mitocondriale (MIM): composizione e permeabilità, proprietà elettriche. Trasporto attraverso membrane cellulari. Meccanismi di biogenesi mitocondriale: fusione e fissione. Mitofagia. Siti di contatto tra mitocondri e altri organuli. Bioenergetica. Basi termodinamiche dell’equilibrio chimico. Flusso stazionario in una sequenza di reazioni e forza termodinamica traente del processo reattivo. Processi redox e relazioni termodinamiche. Il sistema adenilati: carica energetica cellulare e rapporti di concentrazioni nel pool adenilati. Il sistema adenilati trasferisce e distribuisce energia dal metabolismo dei nutrienti. Turnover di ATP in vivo. Coenzimi redox ed estrazione/trasferimento di energia chimica nella cellula. La fosforilazione ossidativa (OXidative PHOSphorylation, OXPHOS). Complessi e trasportatori nella catena mitocondriale di trasporto elettronico (ETC). La forza protomotrice (Δp) generata dalla ETC è il potenziale elettrochimico di H+ attraverso la MIM. Misure dei potenziali nei sistemi mitocondriali: uso di sonde fluorescenti per stimare Δp dal potenziale elettrico (Δψ) della MIM. Moto di elettroni tra centri redox per effetto tunnel, che orienta i trasferimenti elettronici nei complessi con più centri redox in uno schema funzionale. Reazioni redox con chinoni/chinoli nei Complessi II e III. Il ciclo Q. Formazione di superossido nel Complesso III. Specie reattive dell’ossigeno (ROS) generate nei mitocondri e loro detossificazione con enzimi specifici: “non tutto il ROS viene per nuocere”. Il ciclo catalitico di COX: pompaggio protonico accoppiato al processo redox genera la forza protomotrice. Complesso V o ATP sintasi: catalisi rotazionale e modelli per accoppiare il trasferimento di protoni alla sintesi di ATP. I genomi negli organuli a doppia membrana. Evoluzione del DNA mitocondriale (mtDNA); mtDNA di mammifero. Mappa genetica del mtDNA umano. Impaccamento del mtDNA nel nucleoide. mtDNA ed eredità materna. Meccanismo plausibile per impedire eccezioni alla regola. Motivi biologici per l’eredità unigenitoriale del mtDNA e l’omoplasmia ideale. La strettoia mitocondriale nell’oogenesi di mammifero. Mutazioni del mtDNA: l’eteroplasmia è una condizione tipica. Modelli alternativi per la replicazione del mtDNA. Trasferimento di mitocondri: le cellule condividono mitocondri con diversi meccanismi e conseguenze biologiche rilevanti. Espressione del proteoma mitocondriale. Trascrizione dei filamenti L e H dai promotori HSP e LSP: inizio, allungamento, terminazione. Maturazione dei trascritti primari da HSP e LSP. Geni nucleari che codificano componenti della biogenesi mitocondriale. Traduzione nei mitocondri: mitoribosomi e ciclo traduttivo di un mitoribosoma umano. Importazione di proteine mitocondriali sintetizzate nel citosol: compartimenti mitocondriali e complessi traslocativi per importare proteine a codifica nucleare. Espressione coordinata di proteine mitocondriali: studio cinetico sulla sincronizzazione per esprimere il sistema bigenomico. Processi di montaggio per complessi OXPHOS con molte subunità proteiche: il Complesso I e modello per la sua via di montaggio quasi completa. Super-complessi: il respirasoma e il suo possibile significato funzionale. Applicare le tecnologie di editing genomico ai mitocondri: prospettive per la terapia genica di malattie causate da mutazioni nel mtDNA tramite ZFN (Zinc-Finger Nucleases) e (mito)TALEN (Transcriptional Activator-Like Effector Nucleases). Fattori critici per l’uso di sistemi CRISPR–Cas9 e –Cas12a nell’editing del mtDNA: problemi nel localizzare RNA guida nei mitocondri e il punto sulla specificità di scissione delle nucleasi. Nuove frontiere dell’editing sul mtDNA tramite editor di basi senza CRISPR e loro evoluzione. Biogenesi mitocondriale locale in cellule neuronali: esperimenti che mostrano replicazione del mtDNA, fissione e fusione mitocondriali in assoni di neuroni periferici, dove differenti organuli muovono granuli di RNA; mRNA per proteine mitocondriali a codifica nucleare raggiungono compartimenti distali del neurone su endosomi tardivi e particelle ribonucleoproteiche per essere tradotti in loco. Altri granuli di RNA, in assoni o dendriti neuronali, si possono muovere su lisosomi tramite aggancio a una annexina. Alcuni aspetti specifici dell’energetica mitocondriale e cellulare. Energia chimica convertita in calore: il tessuto adiposo bruno e i suoi meccanismi, e altri modelli di termogenesi a confronto. Breve discussione sul trasporto elettronico inverso e sulla formazione di Δp per idrolisi di ATP, come notevoli eccezioni. La Proteina Inibitrice (IF1) che blocca l’attività idrolitica sulla ATP sintasi mitocondriale e le sue conseguenze. Il Test a Punto zero con Oligomicina e le sue applicazioni. Mitocondri e invecchiamento: un argomento in crescita nella biologia mitocondriale.