La regolazione dell’espressione genica
Quali sono i meccanismi che determinano
l’accensione o lo spegnimento dell’espressione
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
– La regolazione avviene a vari livelli
Regolazione genica nei procarioti
• 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 che la quantità del
corrispondente prodotto (proteina o RNA) è
controllata in relazione al fabbisogno
cellulare (es. sintesi adattativa di enzimi)
I batteri utilizzano strategie diverse per
regolare la sintesi degli enzimi
• Vie cataboliche e induzione da substrato
• Vie anaboliche e repressione da prodotto finale
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
Vie cataboliche e induzione da substrato
Vie anaboliche
e repressione da prodotto finale
La sintesi del triptofano
Caratteristiche comuni ai due processi
1. Il controllo è effettuato a livello genomico
2. 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)
I geni coinvolti nel catabolismo del lattosio sono
organizzati in un operone inducibile
La delezione del gene lac I origina cellule che producono sempre
le tre proteine indipendentemente dalla presenza dell’induttore
Lac I codifica per un repressore
Regolazione dell’operone lac
I repressori e gli attivatori sono molecole proteiche che legano il DNA
Regolazione della sintesi del triptofano: operone reprimibile
Gli operoni lac e trp spiegano
il controllo negativo della trascrizione
• Per le vie cataboliche la forma attiva del
repressore (che si lega al DNA) è rappresentata
dalla proteina repressore libera dall’effettore
• Per le vie anaboliche la forma attiva è quella della
proteina repressore legata all’effettore che in
questo caso può definirsi corepressore
In entrambi i casi il risultato è lo stesso: il repressore
attivo previene la trascrizione dell’operone bloccando il
legame della RNA polimerasi al DNA
Controllo positivo della trascrizione
La forma attiva della proteina regolativa
“accende” l’espressione dell’operone
Esempio: repressione da catabolita
Il glucosio ha la capacità di inibire la
sintesi degli enzimi catabolici prodotti
dagli operoni batterici inducibili
Il glucosio agisce inibendo indirettamente
l’adenilato ciclasi l’enzima che catalizza
la sintesi di cAMP da ATP.
Quindi più è alta la concentrazione di
glucosio meno cAMP è prodotto.
Il cAMP agisce legando la proteina
recettore del cAMP (CRP) che è un
attivatore della trascrizione
Il Fenomeno dell’attenuazione permette la regolazione
della trascrizione dopo la fase di inizio
Yanofsky: l’operone trp possiede un nuovo sito di regolazione
negativa chiamato sequenza leader (o L) che viene trascritta per
produrre un segmento di mRNA leader di 162 nucleotidi,
localizzato al 5’ dell’mRNA poligenico trp.
La sequenza leader dell’mRNA del triptofano
L’attenuazione nell’operone trp
Differenze della regolazione
genica fra procarioti ed eucarioti
•
•
•
•
•
•
Dimensione e complessità del genoma
Compartimentazione del genoma
Organizzazione strutturale del genoma
Stabilità dell’mRNA
Modificazione post-traduzionale delle proteine
Turnover delle proteine
Livelli multipli di
regolazione
dell’espressione genica
degli eucarioti
I meccanismi di controllo usati per regolare l’espressione
dei geni umani devono essere molto più complessi da quelli
utilizzati dagli altri organismi.
•Regolazione trascrizionale
•Regolazione post-trascrizionale
•Meccanismi epigenetici e controllo
dell’espressione genica a lunga distanza
Cellula umana contiene circa 30000 geni
RNA genes
Geni per proteine
Ogni cellula in un determinato momento esprime solo una piccola parte
di questo potenziale (˜ 5000 geni)
Geni housekeeping
metabolismo
biosintesi
membrana
istoni
ribosomali
Geni tessuto - specifici
DIFFERENZIAMENTO
CELLULARE
A QUESTA ESPRESSIONE SELETTIVA NON CORRISPONDE (IN GENERE)
UNA VARIAZIONE DEL CONTENUTO DI DNA
Esistono molteplici livelli di regolazione
dell’espressione genica negli eucarioti
NUCLEO
Meccanismi epigenetici: controllo a lungo
DNA
raggio mediante rimodellamento della struttura
della cromatina
controllo trascrizionale: legame di
fattori trascrizionali tessuto specifici,
legame diretto di ormoni, fattori di
crescita o elementi intermedi a elementi
risponsivi di geni inducibili
Trascritto primario
(precursore)
controllo post-trascrizionale: splicing
alternativo, polyA alternativo, RNA editing tessutospecifico
mRNA
controllo del trasporto
CITOPLASMA
controllo
traduzionale
traduzione
mRNA
controllo della stabilità
degradazione
PROTEINA
controllo post-traduzionale
PROTEINA attiva o inattiva
CROMATINA
•EUCROMATINA -> TRASCRIZIONE POTENZIALE
a) geni housekeeping
b) geni tessuto-specifici
•ETEROCROMATINA FACOLTATIVA -> inattiva quando condensata.
Fornisce un meccanismo di compensazione:
rapporto geni autosomici/geni X-linked
maschi = 2/1
donne = 1/1
•ETEROCROMATINA COSTITUTIVA ->
sempre inattiva; Localizzata nelle regioni
peri - e centromeriche
Meccanismi epigenetici
Fattori che vengono trasmessi alla progenie, ma che non
sono direttamente attribuibili alla sequenza del DNA.
•Metilazione del DNA;
Nelle cellule eucariotiche la metilazione è a carico della C. Solo
il 3% delle C sono metilate ed in genere è bersaglio della
metilazione la C della doppietta CpG.
•Modificazioni degli istoni;
Acetilazioni, fosforilazioni e metilazioni, responsabili
cambiamenti conformazionali della cromatina.
di
Meccanismi epigenetici: Metilazione del DNA
La metilazione del DNA è un processo post-replicativo. L’estensione delle modificazioni
riguardanti la metilazione del DNA è fondamentalmente decisa durante lo sviluppo. La
metilazione del DNA è quindi uno dei meccanismi correlati con il differenziamento cellulare,
tramite l’inibizione dell’espressione genica a livello trascrizionale.
Meccanismi epigenetici: Modificazioni degli
Istoni
I residui amminoacidici all’N-terminale di ciascun istone (20-60 residui)
si estendono al di fuori della superficie del nucleosoma.
Queste regioni sono particolarmente ricche in lisina (K) che può essere
reversibilmente modificata mediante acetilazione, fosforilazione e
metilazione.
Modificazioni degli istoni H3 e H4
La lisina 9 di H3 può essere sia acetilata che metilata.
L’acetilazione è associata alla cromatina trascrizionalmente
attiva, ma se la regione cromatinica viene metilata a livello
del DNA (CpG), le proteine che si legano al DNA metilato
richiamano le deacetilasi istoniche, che rimuovono i gruppi
acetile e le metil transferasi istoniche, legate alle CpG
binding protein, metilano gli istoni. Il risultato è la
condensazione della cromatina.
CARATTERISTICHE DELLA
CROMATINA
Caratteristic a
Cromatina
attiva
Cromatina
inattiva
Conformazione Estesa, aperta
della cromatina
Condensata
Metilazione del Poco metilata
DNA
specialmente
nelle regioni
del promotore
Acetilazione
Istoni acetilati
degli istoni
Metilata
Istoni non
acetilati
Repressori e attivatori possono dirigere la
deacetilazione/acetilazione degli istoni a
livello di specifici geni
Importanza della struttura modulare
e delle interazioni proteina-proteina
• Una serie di fattori trascrizionali deve legarsi al
promotore prima che possa farlo la RNA
polimerasi. Quindi se la RNA polimerasi potrà
iniziare la trascrizione dipenderà anche dal legame
di proteine regolatorie, attivatori e repressori.
Elementi distali
Elementi
prossimali
Promotore
basale