L’importanza del controllo dell’espressione dei geni
Geni “housekeeping”, che devono essere espressi in tutti i tipi
cellulari sempre allo stesso livello
(es. Fattori di trascrizione “generali” o GTFs, DNA e
RNA polimerasi, actina, istoni….)
Geni specializzati/tessuto-specifici/specifici di un certo stadio di
sviluppo embrionale
(es. Recettori di membrana, Immunoglobuline, enzimi
specifici)
Geni inducibili, tessuto-specifici o meno
(es. Fattori di trascrizione, enzimi, mediatori dell’
infiammazione, ormoni)
Attivazione/inattivazione dell’espressione genica
Procarioti: risposte cellulari all’ambiente esterno
Eucarioti:



Decisioni cellulari durante lo sviluppo -> differenziamento
Regulazione del ciclo cellulare
Attivazione cellulare -> in risposta a mediatori esterni quali fattori di
crescita, ormoni etc. (reversibile, rapida)
La regolazione dell’espressione genica avviene a numerosi
livelli:
Il controllo della trascrizione avviene a numerosi livelli:

Pre-attivazione
(Induzione di uno stato trascrizionalmente
competente)

Inizio/re-inizio della trascrizione

Elongazione del trascritto

Terminazione del trascritto
 Fattori di trascrizione legati a specifici
promotori/enhancers
 Co-attivatori (acetilasi degli istoni,
attivita’ che rimodellano la cromatina)
 Fattori “generali” di trascrizione (GTFs)
e RNA polimerasi
Diversamente dai procarioti, la trascrizione dei geni eucarioti e’
controllata da numerosi elementi
TBP
TFIIs
Pol.II
TATA
~ -200
ENHANCER
(~ 100 bp)
Perche’?
~ -50
PROSSIMALE
PROMOTORE
LA CROMATINA
CORE
Il DNA nei cromosomi non e’ lineare
fibra di 30 nm
cromatina
decondensata
(collana di perle)
I nucleosomi sono costituiti da DNA avvolto attorno a un ottamero
costituito da 2 copie degli istoni H2A, H2B, H3 e H4
I nucleosomi sono compattati insieme dall’istone H1 a
formare la fibra da 30 nm (cromatina)
Il modello “a solenoide” della cromatina condensata
(fibra da 30 nm)
Acetilazione degli istoni
 Gli istoni nel nucleosoma contengono code aminoterminali flessibili che sporgono
dalla loro porzione globulare, ricche in lisine (aa con carica positiva)
 in virtu’ della carica positiva, le lisine interagiscono con i gruppi fosfato del DNA
-> COMPATTAMENTO
 le lisine possono essere reversibilmente acetilate e deacetilate da enzimi specifici
(HAT, HDAC)
 l’acetilazione neutralizza la carica positiva eliminando l’interazione con il DNA e
rendendo meno facile la compattazione dei nucleosomi.
La cromatina viene ulteriormente compattata nel cromosoma
metafasico
• La complessita’ del macchinario trascrizionale di un gene eucariote e’ in
buona parte correlato alla natura repressoria della cromatina.
• Tale repressione deve essere rilasciata prima che la trascrizione possa avvenire.
• Cio’ avviene ad opera dei numerosi attivatori e co-attivatori coinvolti
in particolare
- acetilasi degli istoni
- proteine che rimodellano/riposizionano i nucleosomi
TBP
TFIIs
Pol.II
TATA
~ -200
ENHANCER
(~ 100 bp)
~ -50
PROSSIMALE
PROMOTORE
CORE
Esempio di come i diversi elementi di controllo di un gene
possono integrarsi a livello del promoter “core”
L’inizio della trascrizione da parte dell’RNA Pol II richiede multipli fattori

Fattori di trascrizione generali (GTF) insieme con l’RNA Pol II formano
l’apparato trascrizionale basale, sufficiente alla trascrizione in vitro
 TBP (che con i fattori associati a TBP (TAF) forma -> TFIID)
 TFIIA, TFIIB, TFIIF, TFIIE, TFIIH

Co-attivatori, che sono richiesti per la trascrizione in presenza di cromatina
(trascrizione attivata)
 TAFs
 Acetilasi di istoni (HATs)
 Proteine che rimodellano la cromatina (SWI/SNF)

Fattori di trascrizione specifici, anche richiesti per la trascrizione attivata:
servono per reclutare e assemblare l’apparato trascrizionale
 Si legano a elementi di riconoscimento sul promotore e sull’enhancer
 Multipli fattori di trascrizione sono normalmente coinvolti nell’attivazione
di un gene
Il promotore essenziale (core promoter)

Determina il sito di inizio della trascrizione e dirige il legame dell’
RNA Pol II

Il promotore essenziale più frequente per l’RNA Pol II è la
 TATA box: la sua sequenza e’ altamente conservata (TATAAA); si
trova prevalentemente in geni che vengono trascritti rapidamente,
ed e’ localizzata ~25-30 bp a monte del sito di inizio della
trascrizione.
la TATA box dirige l’inizio della trascrizione a siti ben definiti
 Isole CpG: proprio di molti geni “house-keeping”. La trascrizione
comincia a siti multipli disseminati in una regione di circa 20-200bp.
Il complesso trascrizionale dell’RNA polimerasi II viene
assemblato a tappe successive (in vitro)
TBP + TAFs=TFIID
Lodish
co-attivatori

Richiesti per la funzione dei fattori di trascrizione specifici (aumentano
~30x le risposte agli attivatori)

NON richiesti per la trascrizione basale (ma la stimolano ~10x)

NON legano specificamente il DNA
Co-attivatori: TAF
Un modello per le funzioni associate a TFIID
Naar, 2001, Ann. Rev. Biochem. 70, 475
La trascrizione dei geni eucarioti e’ controllata da diversi elementi
TBP
TFIIs
Pol.II
TATA
~ -200
~ -50
PROSSIMALE
ENHANCER
(~ 100 bp)
CORE
PROMOTORE
 La funzione principale dei fattori di trascrizione e’ di facilitare l’assemblaggio del
macchinario basale di trascrizione sul promotore essenziale (core).
 Questo avviene - tramite reclutamento di GTF
- tramite reclutamento di HAT oppure di attivita’ che rimodellano
la cromatina
- tramite attivita’ acetilasiche intrinsiche
I fattori trascrizionali sono proteine modulari
Struttura modulare dei fattori di trascrizione:
il dominio di attivazione

Una sequenza polipeptidica che attiva la trascrizione quando fusa con
un motivo di legame al DNA

Sono essenzialmente superfici adatte a mediare interazioni proteinaproteina attraverso le quali puo’ avvenire il reclutamento dei diversi
componenti del macchinario trascrizionale (altri fattori di trascrizione,
co-attivatori, GTFs, HAT, SWI/SNF)

Spesso comprendono aa acidici
Il dominio di attivazione favorisce l’assemblamento del
macchinario trascrizionale
10.7 Activators stimulate the highly cooperative assembly of
initiation complexes
Binding sites for activators that control transcription of the mouse TTR gene
Lodish
Figure 10-60
10.7 Model for cooperative assembly of an activated transcription-initiation
complex in the TTR promoter
Lodish
Figure 10-61
I repressori trascrizionali sono spesso l’inverso funzionale
degli attivatori
Esempio di reclutamento di de-acetilasi o acetilasi degli istoni
da parte di attivatori/repressori della trascrizione
Concetti addizionali: come controllare gli attivatori?

Espressione tessuto-specifica o inducibile di fattori di trascrizione costitutivamente
attivi

Attivazione post-traduzionale di fattori inattivi (es. tramite fosforilazione)

Regolazione della localizzazione cellulare (e.s sequestramento nel citoplasma)

Attivazione mediata da ligando (es. ormoni steroidei)