Il documento tratta la regolazione dell’espressione genica nei procarioti e negli eucariot, Dispense di Biologia

Scarica Il documento tratta la regolazione dell’espressione genica nei procarioti e negli eucariot e più Dispense in PDF di Biologia solo su Docsity! Il concetto di regolazione dell’espressione genica fa riferimento alla necessità di indurre o di reprimere certe attività in relazione a ciò che richiede la cellula. Affinché non ci siano sprechi di energia, e dunque affinché sia massima l’efficienza dei processi cellulari, l’evoluzione ha premiato una serie di meccanismi che regolano l’espressione di un determinato gene, che quindi determinano quando quel determinato gene deve essere trascritto e poi tradotto o meno. ad esempio, sappiamo che il genoma all’interno di tutte le cellule di uno stesso organismo è il medesimo, tuttavia non tutti geni sono necessari a tutte le cellule. Per questo motivo nelle cellule nervose, che non necessitano dell’enzima pepsina, specializzato a digerire le proteine, il gene che codifica per questo enzima è disattivato; è invece attivo nelle cellule dello stomaco. Nei procarioti, poiché trascrizione e traduzione avvengono contemporaneamente, la regolazione dell’espressione genica avviene unicamente a livello della trascrizione. Nei procarioti invece la regolazione dell’espressione genica può avvenire: Modulando la compattazione della cromatina, la trascrizione, la traduzione e gli eventi post-traduzionali. Ovviamente, accanto ai geni che codificano per proteine regolatrici, vi sono i cosiddetti geni costitutivi, ovvero i geni che vengono sempre trascritti e tradotti in quanto codificano per proteine necessarie allo sviluppo e alla crescita della cellula. Sono dunque geni costitutivi quelli che codificano per le proteine che permettono l’assimilazione dei nutrienti, quindi ad esempio quelle che permettono che il processo della glicolisi avvenga. A livello trascrizionale, la cellula batterica regola l’espressione di un determinato gene attraverso il modello dell’operone. Questo è definito come un tratto di DNA comprendente i geni che concorrono all’espressione di un’unica attività. Geni e non gene perché nei batteri i geni che codificano per proteine coinvolte nello stesso processo metabolico o in funzioni strettamente correlate sono disposti uno adiacente all’altro e vengono trascritti insieme in un mRNa unico, che per questo motivo viene chiamato poligenico o policistronico. I geni nell’operone si trovano dunque uno adiacente all’altro e sono preceduti da una sequenza che non codifca per alcuna proteina che prende il nome di operatore, e condividono un stesso promotore. Entrambi, promotore e operatore, sono tratti regolativi che non vengono mai trascritti che rappresentano i siti di legame per le proteine regolatrici. Infatti,a notevole distanza dall’operone, si trova un tratto di dNa che contiene il gene che codifica per le proteine regolatrici dell’operone. Queste sono più specificatamente dei repressori i cui geni vengono sempre codificati. Quando il repressore è legato all’operatore la trascrizione è bloccata, in quanto rappresenta un ostacolo fisico per la RNA polimerasi. Viceversa, se non si trova legato all’operatore di un operone, la trascrizione è permessa. In condizioni standard gli operoni possono trovarsi legati o non legati al repressore e vengono definiti rispettivamente inducibili, poiché da una condizione standard di inattività è possibile indurre l’espressione dei suoi geni, e reprimibili, perhé da una condizione standard in cui i geni vengono trascritti l’attività della polimerasi può essere repressa. Dunque gli operoni vengono definiti inducibili o reprimibili a seconda se possono essere attivati o o repressi. Gli stessi sono anche detti rispettivamente catabolici o Anabolici, a seconda se presiedono a processi di degradazione o di sintesi di un substrato (a seconda se codificano per enzimi coinvolti nella degradazione o nella sintesi di un substrato). Gli operoni inducibili sono quindi normalmente spenti e sono catabolici, mentre gli operoni reprimibili sono normalmente accesi e sono anabolici. (CAP.5) Regolazione dell’espressione genica L’Operone Il nome dell’operone che codifca per gli enzimi coinvolti nel metabolismo del lattosio si chiama operone lAC. Se ai batteri viene fornita come fonte di carbonio il lattosio, al posto del glucosio, viene sintetizzato un certo numero di enzimi necessari per metabolizzare questo disaccaride, che però risultano inattivi in sua assenza. I geni che codificano per questi enzimi sono quindi geni regolati, i cui prodotti sono necessari solo in certi momenti: in questo caso solo quando è presente il lattosio come unica fonte di carbonio disponibile nel terreno. L’operone LAc è costituito da: 1. LAcz: gene che codifica per la β-Galattosidasi Si tratta dell’enzima che catalizza la scissione del lattosio in glucosio e galattosio: galattosio sarà poi convertito in glucosio e il glucosio viene utilizzato tramite gli enzimi prodotti costitutivamente (per la glicolisi). L’enzima permette poi l’isomerizzazione del lattosio ad allolattosio. Quest ultimo è il protagonista della Regolazione dell’espressione dei geni dell’operone Lac. 2. LacY: gene che codifica la permeasi (o proteina M) Questa si trova nella membrana plasmatica ed è necessaria per il trasporto attivo del lattosio all’interno della cellula. 3. LacA: gene che codifica per la β-Galattosidasi transacetilasi Si tratta di un enzima la cui funzione è poco chiara: diversi studi hanno dimostrato che è responsabile del trasferimento di un gruppo acetilico dall’acetil-coA ai β-Galattosidi. In un ceppo di E.coli selvatico che cresce in un terreno che contiene glucosio, la trascrizione di questi geni è minima e inefficiente, pertanto vengono prodotte poche molecole di ciascuna di queste tre proteine. Il loro numero aumenta in modo coordinato di circa mille volte quando nel terreno di coltura è presente il lattosio. Infatti il lattosio, convertito in allolattosio, agisce da induttore. Questo è in grado di legarsi al repressore, che in un operone inducibile è in condizioni standard legato all’operatore, determinandone un cambiamento conformazionale. Questo permette il distacco del repressore dall’operatore e quindi permette la trascrizione dei geni coinvolti nel metabolismo del lattosio. In questo caso il gene che codifica per il repressone dell’operone Lac è chiamato LacI. Operone LAC · Mutazioni del gene del repressore LAc Per determinare il ruolo del gene LAcI fu seguito lo stesso procedimento. Venne dapprima isolato un diploide parziale contenente le due regioni lac costituite da: Una LacI+ , LacO+, LacZ- e LacY+, l’altra LacI-, quindi mutato in grado di codificare per un repressore incapace di legarsi all’operatore, LacO+ LacZ+ e LacY-. fu di nuovo analizzata la presenza degli enzimi sia in assenza sia in presenza di induttore: • In presenza di induttore il repressore non è legato a nessuno dei due operatori. In questa condizione complessivamente venivano prodotte Galattosidasi e permeasi attive . • In assenza di induttore il repressore si trova legato solo all’operatore regolato dal gene LacI wild type. In questa condizione si notò che non venivano prodotti ne Galattosidasi ne permeasi. Ciò significa che mutazioni del gene LacI, nonostante comportino la produzione di repressori non funzionanti, non implicavano un’attiva trascrizione dei geni strutturali. Di conseguenza il difetto dovuto alla mutazione del gene LaCI è stato dominato dal gene LacI wild type. Per questo motivo il gene LacI+ viene denominato trans—dominante sul gene LacI-. Mutazioni nel promotore Dagli esperimenti si notò che i promotori mutanti alterano l’espressione di tutti e tre i geni strutturali.anche in presenza dell’induttore, gli enzimi per l’utilizzo del lattosio non vengono sintetizzati o vengono prodotti solo in quantità molto ridotta.dato che il promotore è la sequenza riconosciuta dall’RNA polimerasi non codifica però alcun prodotto l’effetto di una mutazione è limitata ai geni che esso controlla sullo stesso filamento di DNA. Di conseguenza le mutazioni del promotore sono ulteriori esempio di mutazioni cis-dominanti. La proteina repressore Lac, codificata dal gene LacI, esercita un effetto negativo sull’espressione dei geni necessari per il metabolismo del lattosio. Infatti in assenza di induttore blocca il legame della RNA polimerasi al promotore e quindi blocca la trascrizione di quei geni. Più avanti altri ricercatori scoprirono un sistema di controllo positivo, scoperto attraverso alcuni studi sul fenomeno chiamato effetto da glucosio. Se le cellule batteriche vengono fatte crescere in presenza sia di glucosio sia di lattosio nel terreno, esse metabolizzano il glucosio e ignorano gli altri composti. Questo perché il glucosio determina la soppressione della produzione degli enzimi catabolici necessari per degradare il lattosio. In particolare riduce notevolmente il livello cellulare di AMP ciclico. Questo è un composto prodotto dall’enzima adenilato ciclasi che legandosi alla proteina attivatrice del catabolismo CAP forma il complesso CAP-cAMP, ovvero una proteina regolatrice positiva che legandosi a monte del promotore nel sito CAP permette all’RNa di legarsi al promotore e di dare inizio alla trascrizione. Quindi senza la presenza di questo complesso l’Rna polimerasi non può legarsi al promotore e la trascrizione non può iniziare. Il trasporto di glucosio all’interno della cellula scatena una serie di eventi che portano all’inattivvazione dei geni che codificano per l’adenilato ciclasi, determinando la riduzione dei livelli di cAMP. Regolazione positiva dell’operone LAc L’operone TRP L’esempio più studiato di un operone reprimibile è l’operone TRP. Questo è costituito da un promotore, un operatore e i geni che codificano per gli enzimi coinvolti nell’anabolismo dell’amminoacido triptofano, quindi nella sua biosintesi. In situazioni standard l’operone non si trova legato al repressore, quindi la trascrizione del triptofano è attiva. Quando la quantità di amminoacido è abbondante questo agisce da corepressore: si lega al repressore libero e inattivo e modificandone la conformazione gli permette di legarsi al promotore. In questo modo l’RNa polimerasi non può iniziare la trascrizione. Dunque sia nell’operone lac sia l’operone TRp il gene che codifica per il repressore è costitutivo: nel LAC nasce attivo e si disattiva dopo l’interazione con l’induttore, nel TRP nasce disattivo e si attiva dopo l’interazione con il prodotto finale. La particolarità dell’operone TRp è che la produzione di triptofano è controllata anche a livello traduzionale. Più specificatamente questo meccanismo regolatorio agisce a trascrizione già iniziata e stabilisce se essa debba proseguire verso i geni strutturali o se debba essere interrotta prematuramente. A differenza del primo sistema regolatorio, che agisce quando c’è una grande quantità di triptofano, questo agisce quando il triptofano manca o è presente in scarsa quantità) in particolare in quantità insufficienti per funzionare da corepressore) Se manca completamente i geni dell’operone sono altamente trascritti, se è presente in quantità limitata i geni sono espressi a un livello inferiore. Questa variazione della velocità dell’espressione dei geni è possibile grazie a un processo che prende il nome di attenuazione, il cui protagonista è il gene trpL. Questa si trova Tra la regione promotore-operatore e il primo dei cinque geni strutturali (TRPE). Questa sequenza contiene quattro regioni che possono ripiegarsi e formare delle strutture secondarie a forcine. L’appaiamento delle regioni 1 e 2 dà luogo a un segnale di pausa nella trascrizione, l’appaiamento delle regioni 3 e 4 è un segnale di terminazione della trascrizione e la sua struttura prede il nome di attenuatore. Infine l’appaiamento delle regioni 2 e 3 è un segnale di antiterminazione che permette il proseguimento della trascrizione. Inoltre A monte di queste regioni è presente una sequenza che codifica per un mRNA che se tradotto da luogo a un corto polipeptide costituito da due residui di triptofano. Dunque all’inizio dell’ mRNA del gene TRPL ci sono due triplette che codificano per il triptofano. Attenuazione dell’operone triptofanoB Una caratteristica distintiva del DNA è quella di essere organizzato in cromatina. Infatti per essere contenuto nel nucleo il DNa è associato a proteine istoniche, a formare i nucleosomi, e a proteine non istoniche, al fine di assumere un grado di compattazione di 30 nm. I livelli di compattazione cambiano nel corso del ciclo cellulare. La fase di minor grado di impacchettamento corrisponde all’inizio della fase S, quando i cromosomi sono in procinto di duplicarsi, mentre in fase M (in particolar modo nella mitosi) si osserva il maggior grado di impacchettamento. Infatti la duplicazione richiede che il DNa sia accessibile alle proteine coinvolte nel processo, mentre la divisione cellulare richiede un DNa super condensato Affinché sia permessa una distribuzione equa del materiale genetico alle cellule figlie. Inoltre la condensazione varia da una regione all’altra del cromosoma, in modo direttamente correlabile alla trascrizione genica. Durante l’Interfase infatti le regioni cromosomiche contenenti geni trascrizionalmente attivi hanno un minor grado di condensazione rispetto alle regioni inattive. La percentuale della cromatina che rimane particolarmente condensata anche durante l’Interfase è pari al 10% e viene detta eterocromatina per distinguerla dall’eucromatina, che invece presenta uno stato meno condensato. Vi sonno due tipi di eterocromatina: • l’eterocromatina costitutiva, presente in tutte le cellule nella identica posizione su entrambi i cromosomi omologhi di una coppia, ovvero nelle regioni centro eriche e telomeriche. • L’eterocromatina facoltativa varia da cellula a cellula (nello specifico a seconda del differenziamento) e talvolta da un cromosoma omologo all’altro (ad esempio il corpo di barr) l’eucromatina invece è meno condensata, in maniera tale che i geni in essa contenuti possano essere espressi. Le regioni cromosomiche che presentano questo tipo di condensazione sono quelle che contengono le sequenze dei geni housekeeping (o costitutivi) e dei geni tessuto-specifici. Quindi negli eucarioti un gene può essere attivato attraverso un processo denominato rimodellamento della cromatina, nel quale specifici complessi proteici si occupano di modificare la cromatina a livello del promotore di un gene in modo da facilitare il legame del macchinario ddi trascrizione. Più precisamente si occupano di riposizionare i nucleosomi, che infatti ostacolando fisicamente l’accesso alle sequenze regolative hanno un effetto di repressione dell’espressione genica. I complessi proteici possono: far scorrere un nucleosoma lungo il DNA, ristrutturare il nucleosoma in loco o trasferire il nucleosoma da una molecola di DNA a un’altra, il tutto per rendere esposti i siti per le proteine leganti i DNA. Una classe fondamentale è costituita dai complessi di rimodellamento dei nucleosomi ATP-dipendenti. Tra questi il complesso ‘switch sniff’ SWI/SNF, capace di catalizzare tutti e tre gli eventi di rimodellamento. I nucleosomi, oltre che essere riposizionati, possono anche subire delle modificazioni chimiche attraverso quindi una modifica epigenetica. La porzione N-terminale di ogni molecola istonica, che protrude dal nucleosoma, può essere infatti soggetta all’azione di differenti enzimi che catalizzano l’aggiunta o la rimozione di specifici gruppi chimici su specifici residui che vengono denominati modificatori della cromatina. In generale gli enzimi coinvolti in questo processo alterano la forza di associazione tra nucleosomi e DNA, inducendo pertanto il rilassamento Tra questi: • istone acetiltransferasi (HAt) recentemente rinominate lisina acetiltransferasi (KAT), che operano con le istone deacetilasi (HDAC) • Istone metiltransfersi (HMT) che operano con le istone demetilasi (HDM) L’acetilazione da parte di KAt neutralizza le cariche positive dei residui di lisina. Queste quindi perdono l’affinità per il DNA carico positivamente e l’istone H1 cambia conformazione permettendo l’alla fibra spessa 30 nm di passare a una fibra di 10 nm. Il processo è reversibile, in quanto possono intervenire in risposta ai segnali di attivazione delle proteine istone deacetilasi che rimuovono i gruppi acetile aggiunti. L’azione delle HDM, che rimuovono gruppi metilici da residui di lisina e arginina accompagna l’azione delle acetiltransferasi, determinando una cromatina aperta. Al contrario, la mancata acetilazione insieme alla metilazione, è generalmente associata a una cromatina trascrizionalmente repressa. Inoltre altri specifici enzimi coinvolti nelle modifiche della struttura della cromatina operano fosforilando e defosforilando residui di treonina e serina. Rimodellamento della cromatina Metilazione del DNA Un’altra modifica epigenetica che gioca un ruolo chiave nel controllo dell’espressione genica a livello trascrizionale è la metilazione del DNA in corrispondenza di alcuni basi azotate. In particolare in questo processo è coinvolta la citosina, che in seguito a metilazione da parte di DNMT (DNA metiltransferasi) diventa 5 metilcitosina. Si tratta di un meccanismo di silenziamento genico che non avviene in maniera casuale. Infatti le zone maggiormente colpite sono le cosiddette GpG island, ovvero zone costituite da numerosi segmenti ricchi di CPC, ovvero di dinucleotidi costituiti l’uno da citosina e l’altro da guanina. Queste zone si trovano nei promotori di numerosi geni del genoma umano e uniti quando sono metilate la cromatina corrispondente è aperta e l’inizio della trascrizione è facilitato. Al contrario, la trascrizione è repressa, in quanto il macchinario trascrizionale non è in grado di riconoscere le sue sequenze di legame sul DNA. Quando poi il dna deve duplicare La molecola figlia non è metilata perciò per mantenere tale condizione Una metilasi di mantenimento va ad aggiugere un gruppo metilico nella citosina complementare alla guanosina della stessa sequenza cpG che non era stata metilata nel filamento stampo. Poliadenilazione alternativa e splicing alternativo A livello post-trascrizionale la regolazione dell’espressione genica viene attuata da meccanismi che regolano la produzione di molecole di mRNA maturo. Nello specifico a partire da uno stesso gene la poliadenilazione alternativa e lo splicing alternativo possono lavorare singolarmente o insieme al fine di produrre proteine diverse. Tali proteine sono definite iso-forma e la loro sintesi può essere tessuto specifica. Ad esempio a partire dal gene della calcitonina (CALC) questi due processi danno origine a prodotti tessuto specifici.Infatti il gene è costituito da 5 esoni e da 4 introni e viene trascritto sia nelle cellule della tiroide in alcuni neuroni cerebrali. • Nelle cellule della tiroide la poliadenilazione alternativa avviene a un sito di poliadenilazione accanto all’esone 4, di conseguenza lo splicing alternativo che avviene al successivo stadio permetterà la rimozione dei primi tre introni e l’unione dei primi quattro esoni. • Nei neuroni cerebrali la poliadenilazione avviene in un sito accanto all’esone 5, di conseguenza allo stadio successivo gli introni vengono rimossi insieme all’esone 4 e si avrà quindi il ricongiungimento dei primi tre esoni insieme al quinto. Gli mRNA così formati vengono tradotti generando dei polipeptidi precursori, quindi dei pre ormoni. In seguito a tagli post tradizionali per mezzo di proteasi i due prodotti saranno la calcitonina nella tiroide, che riduce la concentrazione di ioni calcio nel plasma prodotto dalla tiroide stessa, e il CGrP, che interviene nella trasmissione del dolore, nei neuroni. In questo caso il risultato di poliadenilazione alternativa e splicing alternativo è la sintesi, in due diversi tessuti, di due diversi polipeptidi codificati dallo stesso gene Un altro tipo di controllo si ha quando l’mRNA, una volta maturato, deve essere trasportato nel citoplasma dal nucleo. Questo attraversa i pori nucleari solo quando viene processato (capping e poliadenilazione). Dei fattori proteici andranno a controllare se l’mRNA ha subito una maturazione corretta. A questo punto può essere trasportato grazie a proteine di trasporto che hanno la capacità di discriminare un mRNA non maturo o danneggiato da quello maturato correttamente. Ad esempio il complesso proteico costituito dalle cbc è in grado di riconoscere il capping Nel citoplasma viene riconosciuto nei ribosomi. Si forma una sorta di mRNA circolare permessa dall’interazione della coda con il cappuccio grazie ai fattori di traduzione. Una volta assunta questa forma può iniziare la traduzione. (ELF4) L'RNA editing è un processo cellulare che modifica le sequenze di nucleotidi presenti negli RNA dopo che sono stati trascritti dal DNA ma prima che vengano tradotti in proteine. Durante l'editing dell'RNA, possono verificarsi modifiche come la deaminazione, la rimozione o l'aggiunta di nucleotidi, che alterano la sequenza di RNA originale. L'RNA editing è importante perché può influenzare la funzione e la stabilità dell'mRNA, la codifica delle proteine e la diversità proteica. Ad esempio l’mRna che codifica per l’alibpproteina B è soggetto all’RNa editing.In questo caso si ha una conversione specifica di un residuo di citosina in uracile trasformando un codone di glutamina in uno di stop prematuro. Si forma un isoforma della apoB , sempre coinvolta nel metabolismo dei lipidi, ma più corta e quindi funzionale nell’intestino. RNa Editing Trasporto attraverso i pori nucleari