La regolazione dell’espressione
genica
meccanismi che determinano l’accensione o
lo spegnimento
di un gene?
La regolazione dell’espressione
genica
• Nei procarioti:
– un’espressione genica selettiva permette alle
cellule di risparmiare energia
– La regolazione avviene prevalentemente a
livello trascrizionale
• Negli eucarioti:
– l’espressione genica selettiva permette alle
cellule di svolgere ruoli specializzati
(differenziamento cellulare)
– La regolazione avviene a vari livelli
Il processo di differenziamento dà origine a una grande
varietà di cellule specializzate
– La regolazione dell’espressione genica negli organismi
eucariotici, soprattutto nei pluricellulari, è più
complicata che nei batteri.
– Durante le ripetute divisioni cellulari che portano uno
zigote a diventare un organismo pluricellulare adulto, le
singole cellule vanno incontro al differenziamento e
diventano cellule specializzate nella struttura e nelle
funzioni.
– Differenti tipi di cellule umane producono differenti tipi di
proteine a seconda delle combinazioni di geni che sono
attivi in ciascuna di esse.
– A seconda dei geni attivi, ciascuna cellula assume una
specifica struttura e funzione.
Fenotipi diversi ßàEspressione di geni specifici
Cellule muscolari
Cellule del pancreas
Cellule del sangue
• Geni costitutivi: sono costantemente attivi (es.
geni che codificano per gli enzimi della glicolisi)
• Geni regolati: la loro espressione è regolata in
modo tale che la quantità del corrispondente
prodotto (proteina o RNA) è controllata in
relazione al fabbisogno cellulare (es. sintesi
adattativa
di
enzimi)
e/o
alla
sua
specializzazione.
Il flusso dell’informazione genetica o
espressione genica:
genotipo
à fenotipo
DNA à RNA à à proteine à proteine attive
Il controllo sull’espressione genica puo’ avvenire a diversi livelli
Principale controllo a liv. Trascrizionale!
I batteri usano strategie diverse per regolare la sintesi degli
enzimi
• Vie cataboliche (degradazione)à induzione da
substrato
• Vie anaboliche
prodotto finale
(biosintesi)àrepressione
da
Gli enzimi che catalizzano queste vie sono spesso regolati in modo
coordinato: la sintesi di tutti gli enzimi coinvolti in una particolare via
viene attivata o repressa simultaneamente
La regolazione a livello trascrizionale si basa su proteine
che interagiscono con il DNA attivando e disattivando i
geni dei procarioti in risposta ai cambiamenti ambientali
Colorizzata SEM 7000´
•I primi risultati nel campo del controllo genico furono ottenuti grazie a esperimenti condotti sul
batterio Escherichia coli.
Spesso, nei procarioti, i geni con funzioni interconnesse sono aggregati in strutture
chiamate operoni.
Vantaggio à l’espressione di questi geni può essere facilmente coordinata.
Un operone è definito un’associazione di geni, l’espressione dei quali è regolata
contemporaneamente dall’interazione operatore-proteina regolatrice, oltre che dalla stessa
regione dell’operatore e dal promotore
Proteine di regolazione si legano a sequenze di controllo nel DNA (operatori)
e attivano o disattivano gli operoni in risposta a cambiamenti ambientali.
OPERONE
Gene
regolatore Promotore Operatore
Geni per metabolizzare il lattosio
DNA
mRNA
Proteina
Repressore
attivo
Operone del lattosio disattivato (lattosio assente)
L’RNA-polimerasi non può attaccarsi
al promotore
DNA
mRNA
Proteina
Lattosio
L’RNA-polimerasi
si lega al
promotore
Repressore
inattivo
Enzimi per l’utilizzo del lattosio
Operone del lattosio attivato (il repressore è disattivato dal lattosio)
Risultato: il batterio produce enzimi necessari all’uso del lattosio solo quando
lattosio è presente!
•Altri tipi di operone
–L’operone trp è simile all’operone del lattosio (operone lac) ma funziona
in modo un po’ differente.
–Questo operone controlla la sintesi degli enzimi per la produzione del
triptofano. Il Trp, prodotto finale, reprime l’espressione genica.
Promotore Operatore
Geni
DNA
Repressore
attivo
Repressore
attivo
Triptofano
Repressore
inattivo
Repressore
inattivo
Lattosio
Operone lac
Operone trp
OPERONE REPRIMIBILE:
Espressione dell’operone trp in presenza di alte quantità di triptofano:
Caratteristiche comuni ai due processi
1.
2.
Il controllo è effettuato a livello genomico
Il controllo viene indotto da piccole molecole
(effettori) che modificano la conformazione di
molecole che controllano l’espressione genica
Per le vie cataboliche i substrati (lattosio)
Per le vie anaboliche i prodotti finali (triptofano)
in eucarioti controllo +complesso, a vari livelli
Impaccamento del DNA
Inizio trascrizione
Modificazioni dell’RNA
Degradazione dell’ mRNA
Inizio di traduzione
Modificazione e degradazione delle proteine
Compattamento del DNA
Spiralizzazione del DNA in un cromosoma eucariotico
L’impaccamento “stretto”del DNA impedisce l’espressione dei geni in quanto
non consente all’enzima RNA-polimerasi (e ad altre proteine che
contribuiscono alla trascrizione) di prendere contatto con il DNA.
Embrione
Divisione
cellulare
e inattivazione
casuale del
cromosoma X
Cromosomi X
Allele
per il pelo Allele per
arancione il pelo nero
Due cellule nella
popolazione adulta
X attivo
X inattivo
X inattivo
X attivo
Pelo
arancione
Pelo
nero
Inattivazione del cromosoma Xàmanto variegato
Nelle femmine di mammifero uno dei 2 cromosomi X si presenta fortemente condensato in
tutte le cellule somatiche e quasi del tutto inattivo (disattivazione del cromosoma X).
Inizio trascrizione
anche gli eucarioti usano proteine di regolazione, chiamate fattori di
trascrizione, che legandosi a sequenze di DNA regolatore (amplificatori e/o
silenziatori) distanti dal gene, attivano o disattivano la trascrizione (sistemi
più complessi di quelli dei procarioti)
Intensificatori
Promotore
Gene
DNA
Induttori
Fattori di
trascrizione
Altre
proteine
RNA-polimerasi
Ripiegamento
del DNA
Trascrizione
Coordinazione dell’espressione genica negli eucarioti
– Negli eucarioti la coordinazione dell’espressione genica sembra
dipendere dalla presenza di una specifica sequenza enhancer (o di
diversi enhancer) in tutti i geni appartenenti allo stesso «gruppo di
lavoro».
– Diverse copie di fattori di trascrizione che riconoscono queste
sequenze di DNA si legano a esse promuovendo la trascrizione
simultanea dei geni.
Modificazioni dell’RNA
–Completata la trascrizione, i segmenti non codificanti (introni) vengono
rimossi grazie al processo di splicing.
–SPLICING ALTERNATIVO: in alcuni casi la cellula svolge lo splicing in
maniera differente e genera diverse molecole di mRNA a partire dallo
stesso trascritto di RNA.
Esone
DNA
Trascritto
di RNA
Splicing dell’RNA
oppure
mRNA
2 diversi mRNA partendo dallo stesso gene!
Anche la traduzione e le ultime fasi dell’espressione
genica sono soggette a regolazione
Dopo che l’RNA è stato modificato e trasferito dal nucleo al citoplasma,
avvengono altre forme di controllo dell’espressione genica:
–demolizione più o meno rapida dell’mRNA; Il tempo di
sopravvivenza delle molecole di mRNA è un fattore importante che
regola la quantità di proteine assemblate dalla cellula.
–attivazione della traduzione; vi sono numerose proteine che
hanno la funzione di regolare l’inizio della sintesi proteica.
–modificazione dei polipeptidi tradotti; in seguito a modifiche
chimiche la proteina acquista funzionalità
–demolizione delle proteine. le proteine possono “vivere” ed
essere attive per pochi minuti o diversi giorni.
Attivazione delle proteine mediante modificazione chimica
I polipeptidi che si formano dopo la traduzione non sempre sono già
pronti ad agire: spesso devono essere modificati per diventare funzionali.
Es: formazione di una molecola attiva di insulina
Ripiegamento del polipeptide
e formazione dei legami S—S
Taglio
S S
Polipeptide iniziale
(inattivo)
Polipeptide ripiegato
(inattivo)
S S
Insulina
(ormone attivo)
Regolazione dell’espressione genica
e comunicazione cellulare
Sequenze di trasduzione del segnale trasformano i messaggi
ricevuti dalla membrana plasmatica in reazioni di risposta all’interno
della cellula
– certe proteine o altri tipi di molecole (es ormoni o fattori locali)
portano i messaggi dalle cellule che li producono alle cellule
(bersaglio) che li ricevono.
– Questo consente di coordinare meglio le attività cellulari in un
organismo adulto.
Una sequenza di trasduzione
del segnale trasforma un
segnale che arriva sulla
membrana di una cellula
bersaglio in una risposta
specifica all’interno della cellula.
Cellula che trasmette il segnale
Molecola segnale
1
Membrana
Recettore
plasmatica
proteico
3
2
Cellula bersaglio
Ripetitori proteici
Il segnale puo’ accendere o
spegnere geni specifici nella
cellula bersaglio
Fattore di
trascrizione
(attivato)
4
Nucleo
DNA
5
mRNA
Trascrizione
Nuova
proteina
6
Traduzione
Molti recettori intracellulari sono fattori trascrizionali che, in seguito al
legame col messaggero, inibiscono o attivano l’espressione di specifici geni
La risposta cellulare si realizza come
attivazione o spegnimento di
specifici geni
→risposte fisiologiche varie
Le cellule differenziate esprimono solo una piccola percentuale
dei loro geni, ma possono conservare tutto il loro potenziale
genetico, perché comunque hanno, tutte, un genoma completo
Cambia il fenotipo ma non il genotipo!
Radice di una pianta
di carota
Singola cellula
Cellule radicali
coltivate in una soluzione
nutritiva
Le cellule
Germoglio Pianta adulta
si dividono
nel terreno di coltura