Helena Curtis N. Sue Barnes Invito alla Biologia

IL CONTROLLO DELL’ESPRESSIONE GENETICA INDICE Scopo della regolazione genica Geni costitutivi e non costitutivi Regolazione genica dei procarioti Il modello dell’operone Operone del triptofano e del lattosio Regolazione genica negli eucarioti Cromosoma eucariote Splicing Regolazione della traduzione Link a: sintesi proteica nei procarioti, geni strutturali, geni regolatori

La regolazione genica La regolazione genica è il processo che permette alla cellula di esprimere alcuni geni e di silenziarne altri Nel 2002 Sydney Brenner fu insignito del premio Nobel per la Medicina. I suoi studi sulla regolazione genica hanno aperto la strada alla comprensione dei meccanismi cellulari che portano alla formazione di un organismo adulto

Geni costitutivi e non costitutivi Nel genoma sono presenti geni costitutivi e geni non costitutivi: Geni costitutivi (housekeeping) → sono sempre attivi ↓ esprimono proteine indispensabili alla cellula per tutto l’arco della loro vita L’espressione dei geni non costitutivi è sottoposta a diversi meccanismi di regolazione

Importanza della regolazione genica Sia nei procarioti che negli eucarioti i meccanismi di regolazione genica consentono alle cellule di “rispondere” alla variazione degli stimoli provenienti dall’esterno Per non sprecare energia ogni cellula sintetizza solo le proteine necessarie in quel momento Negli organismi più complessi ogni tessuto si specializza per svolgere una determinata funzione e non sono espressi i geni che codificano per altre funzioni

Regolazione nei procarioti La regolazione genica nei procarioti avviene durante la sintesi proteica, prevalentemente a livello di trascrizione La trascrizione ha inizio quando l’RNA-polimerasi si lega a una sequenza denominata promotore Esistono geni regolatori che codificano per molecole in grado di impedire o facilitare il legame dell’RNA-polimerasi con il promotore L’insieme dei geni che vengono regolati in modo strettamente coordinato è chiamato operone

Operone Secondo il modello di F. Jacob e J. Monod, un operone è un sistema costituito da: un promotore, un operatore e uno o più geni strutturali. L’operone è controllato dal gene regolatore

Operone del triptofano I geni strutturali dell’operone “triptofano” codificano per gli enzimi che catalizzano la sintesi di questo amminoacido. Quando il triptofano è presente, non è necessario produrlo: il repressore si lega all’operatore e la trascrizione è bloccata

Operone del lattosio I geni strutturali dell’operone del lattosio sintetizzano enzimi necessari per la sua demolizione. Quando è presente il lattosio, il repressore libera l’operatore e la trascrizione è attivata

Differenziamento negli eucarioti pluricellulari Negli eucarioti le cellule specializzate dei vari tessuti contengono tutte lo stesso genoma ma il proteoma è diverso, cioè le cellule esprimono proteine differenti Il differenziamento cellulare consiste quindi nell’attivazione di geni differenti arancione = gene attivo violetto = gene inattivo

Espressione del genoma eucariote Cellule di organismi della stessa specie contengono la stessa quantità di DNA. Nel genoma umano solo il 2% del DNA di ogni cellula codifica per le proteine

Espressione genica negli eucarioti Nelle cellule eucariote, soprattutto negli organismi pluricellulari, i meccanismi della regolazione genica sono molto più complessi che nelle cellule procariote e si realizzano in vari modi: favorendo o impedendo la trascrizione del DNA rielaborando il trascritto primario dell’mRNA inibendo la traduzione

Regolazione della sintesi proteica Nelle cellule eucariote la trascrizione e la traduzione avvengono separatamente nel tempo e nello spazio Il trascritto primario di RNA subisce un processo di maturazione detto splicing Da un singolo gene si possono formare diversi mRNA (splicing alternativo)

Gene eucariote Un gene eucariote è costituito da un promotore, da un sito di riconoscimento per l’RNA polimerasi, e da sequenze codificanti (esoni) e non codificanti (introni)

Promotore degli eucarioti Il promotore controlla la trascrizione tramite un complesso sistema costituito da una sequenza nucleotidica ricca di timina (T) e adenina (A), dal TATA box, da fattori di trascrizione (GTF) e da un sito di riconoscimento per l’RNA polimerasi II

A monte del promotore si trovano siti regolatori chiamati: Enhancer e silencer A monte del promotore si trovano siti regolatori chiamati: enhancer silencer ↓ ↓ che sono posti sotto il controllo di proteine dette: ↓ ↓ attivatori inibitori

Ruolo del mediatore Spesso i siti enhancer e silencer si trovano lontani dal sito di attacco dell’RNA-polimerasi e, pertanto, interviene un mediatore che mette in comunicazione questi geni

Maturazione dell’RNA mediante splicing Tutto il gene viene trascritto in mRNA Viene aggiunto un cappuccio necessario per indirizzare l’mRNA sui ribosomi e una coda di poli A Vengono rimossi gli introni, e gli esoni si legano tra loro formando l’mRNA maturo

Spicing alternativo Il processo di splicing può avere diverse varianti: l’informazione portata da un gene può infatti determinare la formazione di RNA maturi diversi e la conseguente sintesi di polipeptidi differenti (spicing alternativo)

Regolazione a livello della traduzione Anche la traduzione può essere regolata; per esempio, è possibile ostacolare l’attacco dell’mRNA ai ribosomi tramite: la modificazione della sequenza di attacco (chiamata sequenza leader) l’attivazione di un repressore che si lega all’mRNA impedendone la lettura da parte dei ribosomi

IL CONTROLLO DELL’ESPRESSIONE GENETICA Fine presentazione Torna all’Indice

Sintesi proteica nei procarioti Nei procarioti quasi tutto il DNA viene espresso e i processi di trascrizione e di traduzione avvengono quasi simultaneamente

Caratteristiche della sintesi proteica dei procarioti I gruppi di geni strutturali vengono spesso trascritti in un singolo filamento di mRNA La traduzione può avvenire a partire dall’estremità 5’ anche quando la molecola di mRNA è ancora in fase di trascrizione L’RNA trascritto è distrutto velocemente Più polipeptidi sono sintetizzati contemporaneamente

Geni strutturali Il gene strutturale è un segmento di DNA che codifica per un polipeptide Nel cromosoma batterico i geni strutturali portano spesso l’informazione per funzioni correlate e lavorano in sequenza Sono esempi di geni strutturali quelli che codificano per i polipeptidi che costituiscono un particolare enzima o quelli che codificano per gli enzimi che fanno parte di una sequenza biochimica

I GENI REGOLATORI CODIFICANO PER: REPRESSORI ATTIVATORI Effettuano un controllo negativo impedendo la trascrizione Effettuano un controllo positivo favorendo la trascrizione

Regolazione del repressore IL REPRESSORE PUÒ ESSERE: attivato inattivato ↓ ↓ da un corepressore da un induttore ↓ ↓ Il triptofano è un corepressore: attiva il repressore e blocca la trascrizione Il lattosio è un induttore: disattiva il repressore e avvia la trascrizione

Caratteristiche del cromosoma eucariote Per genoma si intende il corredo di cromosomi contenuto in ogni cellula di un organismo Nelle cellule eucariote i cromosomi sono formati da una doppia elica di DNA che si avvolge intorno a proteine dette istoni, costituendo una struttura chiamata nucleosoma I nucleosomi si dispongono in maniera compatta formando un lungo filamento che si attorciglia più volte su se stesso assumendo varie configurazioni di diverso diametro

Eucromatina ed eterocromatina L’eucromatina è la forma di DNA despiralizzato, che viene trascritto L’eterocromatina è la forma di DNA compatto, che non viene trascritto Durante la divisione cellulare, per esempio, il compattamento è massimo e la trascrizione non avviene Un cromosoma durante la divisione