Regolazione Genica e Espressione Genetica in Procarioti, Appunti di Biologia

Scarica Regolazione Genica e Espressione Genetica in Procarioti e più Appunti in PDF di Biologia solo su Docsity! La regolazione genica nei procarioti La regolazione genica è l’attivazione o la disattivazione dei geni ed è uno dei processi che permette agli organismi di rispondere ai cambiamenti ambientali. Un gene attivato è una sequenza di DNA che viene trascritta in mRNA, il quale viene tradotto in specifici polipeptidi. L’intero processo attraverso il quale l’informazione fluisce dai geni alle proteine è detto espressione genetica. Il controllo di quest’ultima permette alle cellule di tutti gli organismi di riprodurre specifiche proteine; questo controllo avviene proprio mediante l’attivazione e la disattivazione dei geni e della loro trascrizione. Le prime informazioni relative al controllo dei geni furono acquisite grazie a studi sul batterio Escherichia coli. Questo batterio può modificare le proprie attività metaboliche adeguandole ai cambiamenti dell’ambiente; in questo modo il batterio non spreca risorse preziose per sintetizzarla. Le cellule batteriche in grado di conservare risorse ed energia presentano un vantaggio rispetto alle altre. La selezione naturale favorisce i batteri che esprimono soltanto geni i cui prodotti sono effettivamente necessari. Prendiamo una cellula di E. Coli che vive nel nostro intestino; per rifornirsi di sostanze nutritive, essa dipenderà dalle nostre scelte alimentari. Se facciamo colazione, dopo qualche ora prendiamo un tipo di alimento, l’E. coli si troverà in un ambiente modificato. Gli enzimi, come tutte le proteine, rappresentano il risultato tangibile dell’espressione genetica: E. coli può sintetizzarli all’occorrenza perché possiede i geni che codificano per essi. Per assorbire e cominciare a metabolizzare il lattosio, E. coli utilizza tre enzimi i cui geni sono attivati insieme. Adiacenti a questi vi sono due sequenze di controllo, brevi segmenti di DNA, che contribuiscono alla loro regolazione e che non vengono trascritti. Una di queste sequenze è il promotore, ovvero il sito a cui si lega l’enzima RNA polimerasi per iniziare la trascrizione. Tra la ragione di DNA del promotore e i geni codificanti per gli enzimi del lattosio si trova un segmento di DNA denominato operatore, che agisce da interruttore. È l’operatore a determinare se l’RNA polimerasi può attaccarsi al promotore e iniziare la trascrizione dei geni. L’operatore è controllato da una proteina regolatrice, detta repressore, che funziona legandosi a esso e impedisce il legame tra l’RNA polimerasi e il promotore. Promotore, operatore e i geni costituiscono insieme un operone. Salve rare eccezioni, gli operoni esistono soltanto nei procarioti. Il loro vantaggio è evidente: un solo “interruttore” può controllare l’intero gruppo trascritti in un’unica molecola di mRNA; l’operatore in questione è l’operone lac (operone del lattosio). Quando l’operone lac è inattivo, la trascrizione è bloccata dal repressore. La sintesi del repressore. La sintesi del repressore è codificata da un gene regolatore sempre espresso ed esterno all’operone, perciò la cellula può contare in ogni momento su una piccola riserva di repressione. Un operone del tipo lac è definito inducibile, ovvero è acceso in presenza di un interruttore. In questo caso l’interruttore è il lattosio; se questo non è presente, l’operone è spinto dal repressore. Il lattosio si lega al repressore e ne altera la forma, che di conseguenza rimane “acceso”. L’RNA polimerasi può legarsi al promotore e procedere alla trascrizione che codificano per tutti e tre dagli enzimi cellulari quando il lattosio non è più presente nell’ambiente cellulare e la sintesi dell’mRNA viene bloccata. Tutti gli operoni batterici noti hanno un promotore, anche se differiscono per le modalità di controllo dell’operatore. Gli operoni inducibili entrano in gioco nelle vie metaboliche che scindono un nutriente in molecole più semplici. Altri operoni, detti reprimili, sono normalmente accesi, ma possono essere spenti (repressi) quando una specifica molecola è presente in abbondanza nell’ambiente. È il caso per esempio dell’operone trp (operone del triptofano); E. coli è in grado di sintetizzare il triptofano usando gli enzimi codificati dai geni dell’operatore trp; se però il triptofano è già presente, il batterio smette di sintetizzarlo e lo assorbe dall’ambiente circostante. Il triptofano, si lega al repressore dell’operatore trp; il legame attiva il repressore che cambia conformazione. Quest’ultimo attivato può legarsi all’operone e bloccarlo, impendendo la sintesi del triptofano. Molti operoni sono controllati anche da speciali proteine, dette attivatori, che si legano al DNA. Queste proteine agiscono facilitando il legame dell’RNA polimerasi al promotore, al contrario di quanto fanno i repressori che, legandosi all’operatore, bloccano l’RNA polimerasi. La regolazione genetica negli eucarioti La regolazione genica negli eucarioti pluricellulari è fondamentale per la specializzazione di cellule e tessuti. Ogni tipo cellulare ha caratteristiche specifiche a seconda della funzione che svolge ed è fondamentale che determinate proteine siano sintetizzate solo in alcune cellule. Durante le continue divisioni cellulari, le singole cellule vanno incontro a differenziamento, cioè acquisiscono una specializzazione a livello strutturale e funzionale. Il differenziamento è una diretta conseguenza dell’espressione differenziale dei geni, ovvero dell’attivazione e della disattivazione di geni specifici. Il set di geni espressi in una cellula di ciascun tipo è unico e determinato dalla funzione che svolge. I geni che codificano per gli enzimi coinvolti nel metabolismo cellulare sono espressi in tutte le cellule metabolicamente attive. I geni che codificano per altre proteine specializzate sono espressi soltanto in particolari tipi di cellule. Anche un particolare tipo di cellula può modificare il proprio modello o pattern di espressione genetica in risposta a segnali legati allo sviluppo dell’organismo. Una tipica cellula umana esprime all’incirca il 20% dei geni codificanti proteine contenuti nel suo genoma. Se il meccanismo di espressione differenziale dei geni si inceppa, si possono verificare gravi squilibri e patologie come il cancro. La trascrizione del DNA è per tutti gli organismi un punto di controllo cruciale per la regolazione dell’espressione genica, mentre nelle cellule degli eucarioti esistono anche altri punti di controllo. Esiste una regolazione dell’espressione genica prima, durante e dopo i due processi cruciali: trascrizione e traduzione. Nella cellula, il DNA è strettamente associato a un folto numero di proteine che “impacchetta” la doppia elica all’interno del nucleo secondo un elaborato sistema di spiralizzazione, cioè di avvolgimento e ripiegamento di ciascun cromosoma. Oltre al DNA, cromosomi degli eucarioti contengono anche piccole proteine chiamate istoni. Queste proteine corrispondono a circa la metà della massa dei cromosomi della cellula eucariote. I procarioti hanno proteine simili agli istoni, ma il loro DNA presenta un grado di ripiegamento inferiore a quello degli eucarioti. Il complesso di DNA e istoni è chiamato cromatina. Durante il ciclo cellulare la cromatina va incontro a cambiamenti diverse a seconda del gene. Infatti, ogni enhancer è in media composto di circa dieci sequenze di controllo. L’attivazione della trascrizione di un determinato gene in un dato momento dipende, da due fattori principali: la particolare combinazione delle sequenze di controllo che compone il suo enhancer (e/o il suo silencer) e la presenza o meno delle proteine attivatrici che le legano. Per esempio, sia le cellule del fegato sia quelle del cristallino dell’occhio possiedono i geni per sintetizzare le proteine albumina e cristallina, ma solo le cellule del fegato producono albumina (una proteina del sangue) e solo le cellule del cristallino producono le cristalline (le proteine principali che costituiscono la lente principale dell’occhio). I geni per l’albumina e per le cristalline hanno per ciascuno un enhancer composto di tre elementi diversi di controllo, uno dei due dei quali è in comune tra i due geni, mentre gli altri due differiscono: quindi, ciascun enhancer possiede una combinazione unica di elementi di controllo. L’insieme degli attivatori richiesti è presente solo nelle cellule del fegato, mentre gli attivatori necessari all’espressione delle cristalline sono presenti solo nelle cellule del cristallino: nel fegato il gene dell’albumina viene espresso e quello delle cristalline no e viceversa nel cristallino. Nei genomi degli eucarioti gli operoni sono rari; i geni che codificano per gli enzimi di una medesima via metabolica sono spesso sparsi nell’interno genoma e distribuiti su cromosomi diversi. La regolazione simultanea di più geni è possibile grazie al fatto che questi condividono la stessa combinazione di sequenze di controllo. Il coordinamento dell’espressione genica sembra dipendere, dalla presenza di uno specifico enhancer (o gruppo di enhancer) per ognuno dei geni coinvolti in una data via metabolica. Copie dei fattori di trascrizione che riconoscono queste sequenze di DNA si legano a esse contemporaneamente, a prescindere dal luogo in cui si trovano nel genoma. Quando in una cellula eucariote di una molecola di RNA è completa, essa subisce l’aggiunta di un “cappuccio” e di una “coda”; si introni vengono rimossi mediante lo splicing. Questo processo offre diverse possibilità di regolazione dell’espressione genica. Alcuni scienziati ritengono che possa contribuire a controllare il flusso dell’mRNA; fintando che tale processo è in corso, l’RNA è legato alle molecole che seguono lo splicing e quindi non può passare attraverso i pori nucleari. In alcuni casi la cellula può compiere splicing diversi, generando molecole differenti di mRNA a partire dallo stesso trascritto iniziale. Sottoponendo l’RNA a uno splicing alternativo, un organismo può ottenere polipeptidi diversi a partire da un singolo gene. Lo splicing alternativo è uno dei sistemi usati dagli eucarioti per disporre di un gran numero di proteine. Un esempio di splicing alternativo si osserva nella drosofila, il comune moscerino della frutta, in cui le differenze tra maschi e femmine sono dovute in massima parte a diverse modalità di splicing dell’RNA. Recenti ricerche suggeriscono che lo splicing alternativo sia comune nella specie umana e che circa metà dei geni vada incontro a questo processo. Soltanto l’1,5% del genoma umano codifica le proteine. Un’altra frazione piccola di DNA è costituita dai geni codificanti per l’RNA ribosomiale (rRNA) e l’RNA di trasporto. Oggi i biologi ritengono che una quantità significativa del genoma possa essere trascritta in molecole di RNA e svolgono un ruolo nella regolazione genica. Questi RNA prendono il nome di non coding RNA (ncRNA o RNA non codificanti). Tra questi, vi è un’ampia gamma di RNA di piccole dimensioni (small RNA), che ha appena cominciato a rivelarci le sue funzioni. A questa famiglia di small RNA appartengono molecole di RNA, lunghe circa venti nucleotidi e chiamate microRNA (miRNA). I miRNA possono legarsi a sequenze complementari di mRNA interferendo con le loro funzioni: 1) ogni miRNA si associa a una o più proteine; 2) il complesso miRNA-proteina può legarsi a qualsiasi molecola di mRNA provvista della corretta sequenza complementare; 3) quindi il complesso miRNA-proteina può degradare l’mRNA bersaglio. Si pensa che le molecole di miRNA siano responsabili della regolazione dell’espressione di almeno la metà del genoma umano. Gli scienziati hanno imparato a sfruttare il meccanismo di azione dei miRNA per controllare in laboratorio l’espressione genica; questa procedura si chiama interferenza dell’RNA (RNAi). Quando un mRNA è stato trascritto, non è ancora detto che verrà tradotto in una proteina funzionale. La cellula eucariote può ancora regolare l’espressione genica agendo sul processo di demolizione dell’mRNA. Le molecole di mRNA non si conservano per sempre, quando hanno esaurito la loro funzione vengono “smontate” da enzimi presenti nel citoplasma. Gli mRNA che hanno una vita più lunga possono essere tradotti in un numero di molecole proteiche assai più elevato rispetto a quelli di vita breve. Nei procarioti le molecole di mRNA hanno vita brevissima e sono degradate dagli enzimi circa pochi minuti dopo essere state sintetizzate. Questa è una delle ragioni con cui i batteri riescono a cambiare le proteine da sintetizzare in risposta a modificazioni ambientali. Un classico esempio di mRNA a vita lunga si trova nei globuli rossi dei vertebrati, che sintetizzano grandi quantità di emoglobina. Gli mRNA codificano per l’emoglobina sono stabili; con ogni probabilità la loro durata è pari a quella dei globuli rossi che li contengono, pertanto sono tradotti in continuazione. L’emoglobina è una proteina globulare (simbolo Hb) la cui struttura quaternaria consta di quattro subunità (due catene alpha e due catene beta); è presente nei globuli rossi del sangue dei vertebrati ed è responsabile del trasporto dell’ossigeno. Il processo di traduzione dell’mRNA offre altre opportunità di regolazione della sintesi proteica in base alle condizioni presenti nella cellula. Tra le molecole vi sono moltissime proteine che controllano l’inizio della sintesi del polipeptide. I globuli rossi allo stadio immunitario contengono una proteina inibitrice che impedisce la traduzione dell’mRNA e quindi la sintesi di emoglobina, a meno che la cellula non disponga di una quantità di gruppi eme (complessi che contengono ferro e porfirina), essenziali per il suo funzionamento. In questo modo i globuli rossi evitano un dispendio inutile di energia. Negli eucarioti le modifiche comportano spesso il taglio, detto clivaggio, di una parte del polipeptide; il prodotto finale rappresenta la proteina attiva, in grado di eseguire una funzione specifica. L’insulina è un ormone proteico sintetizzato dalle cellule del pancreas come un lungo polipeptide privo all’inizio di attività ormonale. Al termine della traduzione si formano alcuni legami covalenti tra gli atomi di zolfo dei gruppi sulfidrilici (-SH) degli amminoacidi solforati del polipeptide, con perdita di due atomi di idrogeno (H) per ogni legame S-S (ponte disolfuro). Alla fine, una grossa porzione viene tagliata, lasciando due catene più brevi, che rappresentano la forma attiva dell’ormone insulina. Molte proteiche subiscono altri tipi di modifiche che le rendono funzionali: le proteine con funzione regolatrice vengono attivate o inattivate dall’aggiunta reversibile di un gruppo fosfato, mentre alcune proteine di membrana, devono possedere specifiche sequenze polipeptidiche affinché possano essere trasportate alle rispettive sedi cellulari. L’ultimo meccanismo è la degradazione selettiva delle proteine, svolta da un complesso multiproteico chiamato proteasoma, che è presente nel citoplasma ed è in grado di riconoscere le singole proteine da degradare. Questo è possibile al legame di un enzima apposito, detto ubiquitina. La sua funzione è quella di marcare le proteine da degradare, per questo è proteina “segnale”. A essa si lega un complesso proteico chiamato complesso poliubiquitinico, che viene riconosciuto dal proteoasoma. Qui avviene la degradazione, la proteina è degradata per idrolisi da alcuni enzimi che la riducono in alcuni frammenti; quindi l’ubiquitina si stacca e viene riciclata in un nuovo ciclo. Questo meccanismo regola la concentrazione cellulare di proteine implicate in processi chiave che devono subire una rapida degradazione: alcune proteine sono degradate da qualche minuto o da qualche ora. Ciò permette alla cellula di adeguare il tipo e la quantità di proteine ai cambiamenti ambientali e di mantenerle in uno stato di funzionamento ottimale. La comunicazione tra le cellule è fondamentale nel coordinamento delle attività cellulari. Avviene grazie a proteine o altri tipi di molecole che portano i messaggi dalle cellule emittenti alle cellule riceventi (cellule bersaglio). Per esempio un ormone steroideo (come il testosterone o l’estrogeno), sono liposolubili e riescono a formare una membrana dai fosfolipidi; può entrare in una cellula e legarsi a uno specifico recettore proteico intracellulare, formando un complesso ormone-recettore che serve da attivatore della trascrizione. Ogni gene la cui trascrizione sia stimolata, possiede un elemento di controllo che è riconosciuto dal complesso ormone-recettore. Molte molecole segnale, si legano ai recettori proteici posti sulla superficie cellulare (membrana plasmatica) e non entrano mai nella cellula. Queste molecole controllano l’espressione genica dando inizio alla trasduzione del segnale (interpretazione del messaggio), un messaggio che innesca molte segnalazioni che influenzano la trascrizione: 1) la cellula che trasmette il messaggio secerne una molecola segnale, 2) questa molecola si lega a un recettore proteico nella membrana plasmatica della cellula bersaglio; 3) il legame attiva il primo “ripetitore”, costituito da una proteina della cellula bersaglio, 4) l’ultimo ripetitore proteico della serie attiva un fattore di trascrizione; 5) quest’ultimo innesca la trascrizione di un gene specifico 6) 6la traduzione dell’mRNA porta alla sintesi di una proteina. Gli ormoni non steroidei non passano nella membrana e si legano sui recettori proteici posti sulla superficie.