1
H. Curtis, N. S. Barnes, A. Schnek, G. Flores
Invito alla
biologia.blu
B – Biologia molecolare, genetica
ed evoluzione
2
La regolazione
dell’espressione
genica
3
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
L’importanza della regolazione
 La regolazione genica è la capacità di una cellula di controllare
l’espressione dei suoi geni;
 i geni possono essere attivati o disattivati al momento
opportuno per evitare un inutile dispendio energetico.
4
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
L’importanza della regolazione
 In E. coli la presenza di
lattosio come alimento
induce la sintesi dell’enzima
beta-galattosidasi, che lo
scinde;
 la presenza
dell’amminoacido
triptofano nel terreno di
crescita inibisce invece la
sua sintesi interna.
5
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
L’importanza della regolazione
 Il genoma è lo stesso
per tutte le cellule di un
organismo. Ciò che
cambia è il proteoma:
l’insieme delle proteine
espresse da una cellula;
 durante il
differenziamento i geni
vengono espressi in
sequenza temporale
controllata.
6
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
L’importanza della regolazione
Durante le diverse fasi dello sviluppo vengono espressi geni
diversi per la globina.
7
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
L’importanza della regolazione
Nelle cellule mature non si
perde DNA funzionale e i
geni non sono inattivati in
modo definitivo.
8
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Il controllo genico nei procarioti
Il controllo può
avvenire in una delle tre
fasi che portano alla
sintesi proteica.
Avviene soprattutto
durante la trascrizione.
9
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Il controllo genico nei procarioti
I fattori di regolazione della trascrizione:
sono proteine codificate da geni regolatori;
si legano vicino alla sequenza promotore di un gene;
possono reprimere o attivare la trascrizione;
agiscono a volte con piccole molecole effettrici che ne
modificano la conformazione.
I geni costitutivi non subiscono questo controllo, sono sempre
attivi perché codificano per proteine indispensabili durante
l’intera vita della cellula.
10
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Il controllo genico nei procarioti
11
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2011
Il controllo genico nei procarioti
Nei procarioti i geni strutturali che codificano per polipeptidi con
funzione correlata vengono spesso trascritti sullo stesso
segmento di mRNA.
12
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Il controllo genico nei procarioti
Operone: promotore + operatore + geni strutturali.
I geni regolatori sono sparsi nel cromosoma, non fanno parte
dell’operone, ma codificano per attivatori e repressori della
trascrizione.
13
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Il controllo genico
nei procarioti
I corepressori:
il triptofano, se presente nel
terreno di coltura, si lega al
repressore trp, ne cambia la
conformazione permettendogli
di legarsi al sito dell’operatore;
insieme bloccano la sintesi di
triptofano.
14
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Il controllo genico nei procarioti
Gli induttori:
il lattosio, se presente nel
terreno di coltura, si lega
al repressore lac inibendo
la sua capacità di legarsi
all’operatore;
vengono sintetizzati gli
enzimi utili alla
degradazione del lattosio.
15
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
La regolazione negli eucarioti
Come i procarioti:
attivatori e repressori;
molecole effettrici.
Solo eucarioti:
maggior numero di proteine e cellule diverse;
non ci sono gli operoni;
inibizione attraverso l’aggiunta di un gruppo metile al DNA;
attivatori che alterano la struttura della cromatina.
16
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
La regolazione negli eucarioti
 Eterocromatina: cromatina più condensata;
 eucromatina: cromatina distesa, permette la
trascrizione, presente solo in interfase;
 istoni: proteine che mantengono la cromatina
spiralizzata;
 il grado di condensazione varia da un tipo di cellula
all’altro;
 eterocromatina permanente: corpi di Barr, centromeri,
telomeri e regioni non codificanti.
17
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
La regolazione negli eucarioti
 Istone acetitransferasi: attacca gruppi acetili alle code N
terminali delle proteine istoniche, che si allentano, lasciando
libero il DNA per la trascrizione.
 Nei mammiferi ci sono 50 enzimi che modificano gli istoni, per
compattare o despiralizzare la cromatina.
18
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
La regolazione negli eucarioti
Il promotore è costituito da tre unità:
TATA box, localizza il punto in cui la trascrizione può avere
luogo;
inizio della trascrizione, si inserisce la RNA polimerasi;
sito degli elementi regolatori: enhancer e silencer.
19
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
La regolazione negli eucarioti
TATA box + inizio della trascrizione = promotore basale
Fattori di trascrizione generali: si legano al promotore basale
per consentire l’attacco della RNA polimerasi.
20
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
La regolazione negli eucarioti
 La trascrizione ha
inizio quando un
attivatore si lega
all’enhancer;
 gli enhancer sono
specifici per ogni tipo
di cellula.
21
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
La regolazione negli eucarioti
Se gli enhancer sono lontani dal
promotore è necessaria la
presenza di un mediatore.
22
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Regolazione post-trascrizionale
 Splicing alternativo: da un unico gene posso ottenere
diversi trascritti e quindi diverse proteine;
 modifiche chimiche alla sequenza leader che impediscono
l’attacco dell’RNA ai ribosomi;
 repressore traduzionale: si lega all’mRNA quando la
proteina è presente in quantità sufficiente;
 RNA interference: piccole molecole di RNA, dette
microRNA (miRNA) o short-interfering RNA (siRNA), che
interferiscono con l’mRNA, lo neutralizzano o degradano.
 dopo la traduzione: blocco reversibile o rottura della
proteina non più necessaria.
23
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Regolazione post-trascrizionale
RNA interference:
queste brevi sequenze
possono essere
sintetizzate in
laboratorio e offrono
prospettive in campo
medico.
24
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2011
La genetica dello sviluppo
• Studio dei cambiamenti da zigote a età adulta degli organismi
pluricellulari;
• il genoma di ogni individuo contiene le informazioni per la
differenziazione delle cellule e lo sviluppo dell’organismo;
• fattori di regolazione inducono i geni a spegnersi e
accendersi: regolazione genica differenziale.
25
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
La genetica dello sviluppo
Lo sviluppo di Drosophila melanogaster:
Fase I - cellule specializzate trascrivono un gene detto bicoide
che si accumula nella parte anteriore, polarizzando la cellula e
quindi l’embrione dopo la fecondazione.
Fase II - si attivano geni che inducono la formazione di un
modello corporeo segmentato. Ogni segmento dà origine a
parti del corpo dell’adulto (15 segmenti: 3 cefalici, 3 toracici e
9 addominali).
26
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
La genetica dello sviluppo
 Fase III - si attivano i geni omeotici che stabiliscono quali
parti del corpo si originano da ogni segmento. Tutti questi
geni conservano la stessa sequenza di 180 paia di basi dette
homeobox: codificano per proteine che si legano a enhancer
specifici, attivando o inibendo gruppi di geni.
 Fase IV - le cellule si differenziano. Le cellule staminali
totipotenti danno origine a tutti i tipi di cellule. Le cellule
adulte sono in grado di originare solo cellule del proprio tipo
(cellule unipotenti).
27
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
La proteomica
 Proteomica (termine coniato da Mark Wilkins, 1994):
comprendere le proteine espresse in una data cellula e
metterle in relazione con i geni;
 i proteomi di individui diversi presi dallo stesso tipo cellulare
saranno simili;
 ogni gene può codificare per più di una proteina (splicing
alternativo);
 trascrittoma: insieme degli mRNA di una cellula, spesso è
sufficiente per comprendere le proteine sintetizzate.
28
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
La proteomica
Per capire quali proteine sono sintetizzate da una cellula in un
dato momento si usa l’elettroforesi su gel bidimensionale:
le proteine vengono separate in base alla carica netta a un
determinato pH;
le proteine vengono poi denaturate e separate in base alla loro
massa.
Le proteine sono quindi tagliate con enzimi specifici, le proteasi,
e identificate con la spettrometria di massa.
29
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
La proteomica
Confrontare i proteomi di
cellule sane e malate aiuta
nello studio delle malattie
genetiche
30
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012