La regolazione dell’espressione genica negli eucarioti, Dispense di Genetica

Scarica La regolazione dell’espressione genica negli eucarioti e più Dispense in PDF di Genetica solo su Docsity! Le differenze della regolazione genica fra procarioti ed eucarioti sono dovute diversità in: - Dimensione e complessità del genoma; - Compartimentazione del genoma; - Organizzazione strutturale del genoma; - Stabilità dell’mRNA; - Modificazione post-traduzionale delle proteine; - Turnover delle proteine. I meccanismi di controllo usati per regolare l’espressione dei geni umani devono essere molto più complessi da quelli utilizzati dagli altri organismi. Negli eucarioti si ha: • Regolazione trascrizionale • Regolazione post-trascrizionale • Meccanismi epigenetici e controllo dell’espressione genica a lunga distanza (Quando si parla di controllo si intende che ad ogni passaggio potrebbe esserci un blocco) Si è visto che una cellula esprime circa 5000 geni, tutti gli altri no. Perciò, anche negli eucarioti sono presenti geni housekeeping e geni tessuto-specifici. La maggior parte dei geni negli eucarioti è espressa solo nello sviluppo embrionale. Dopo di che sono una parte di questi geni resta attiva, e in base a quali geni restano attivi si differenzia il tessuto per la produzione di una piuttosto che un'altra proteina. Si parla così di espressione tessuto- specifica. N.B. È un espressione tessuto specifica anche l'espressione dello stesso gene in quantità differenti in diversi tessuti. A QUESTA ESPRESSIONE SELETTIVA NON CORRISPONDE (IN GENERE) UNA VARIAZIONE DEL CONTENUTO DI DNA. L'inizio della trascrizione di geni codificanti per proteine è sotto il controllo del promotore, immediatamente s monte del gene, e gli enhancer, che sono posizionati distanti dal gene, sia a monte sia a valle rispetto al sito di inizio della trascrizione. Infatti, il macchinario generale di trascrizione, che si assembla a livello del “core” del promotore, è capace solo di un livello trascrizionale basale. La trascrizione regolata fino al massimo livello possibile per il gene dipende da proteine regolatrici (attivatori) che si legano agli elementi prossimali del promotore e agli elementi distagli, gli enhancer. Questo legame determina il reclutamento di proteine necessarie a rendere la cromatina accessibile al macchinario di trascrizione e poi al reclutamento del macchinario di trascrizione sul promotore e, quindi, alla preparazione per la trascrizione. Le proteine regolatrici (repressori) possono anche legarsi a sequenze di regolazione per indurre la diminuzione o lo spegnimento della trascrizione. I nucleosomi devono essere spostati per permettere l'esposizione del promotore, e di altre sequenze consenso, alle proteine d'inizio della trascrizione. Questo processo prende il nome di rimodellamento della cromatina e, negli eucarioti, è fondamentale per la regolazione dell'espressione genica. I geni trascrizionalmente attivi rispetto ai geni trascrizionalmente inattivi, hanno in vitro un'aumentata sensibilità alla Dnasi I, enzima in grado di degradare il DNA. Questo, in generale, non significa che le regioni regolative dei geni trascrizionalmente attivi siano prive di nucleosomi, ma solo che la cromatina in queste regioni è meno condensata, rendendo il DNA più accessibile all'azione dell'enzima degradativo. Questo tipo di cromatina viene definito cromatina aperta. trascrizione è repressa. La metilazione di una regione di DNA può essere analizzata in un esperimento di Southern blot mediante digestione del DNA genomico con i due enzimi, che digeriscono DNA metilato e DNA non metilato rispettivamente. Tuttavia, è più utile usare i metodi di sequenziamento per stabilite il patten. Fino a poco tempo fa si credeva che il pattern dell’epigenoma si stabilizzasse nelle prime fasi dello sviluppo fetale. Studi recenti hanno dimostrato che esso cambia in risposta all’ambiente per tutta la vita dell’individuo. In Spagna uno studio ha preso in esame 80 coppie di gemelli monozigoti, maschi e femmine, con un range di età dai 3 ai 74 anni, di età media di circa 30 anni. I ricercatori hanno riscontrato differenze epigenetiche significative in circa un terzo delle coppie di gemelli, e hanno notato che la discordanza cresceva con il crescere dell’età e con la diversificazione delle abitudini e degli ambienti di vita L’importanza della metilazione del DNA per lo sviluppo e il differenziamento dei Mammiferi è testimoniata dal fatto che topi transgenici privi di uno dei tre geni codificanti per le tre DNA metiltransferasi (DNMT3A, DNMT3B e DNMT1) presenti nelle nostre cellule muoiono precocemente durante lo sviluppo embrionale o pochi giorni dopo la nascita. Il silenziamento genico mediante metilazione del DNA è alla base dell'imprinting genomico, un importante fenomeno epigenetico per cui l'espressione di specifici geni dipende dalla loro trasmissione ereditaria, cioè dalla provenienza dal genitore femminile o dal genitore maschile. Si presume, in genere, che i geni ereditati dalla madre o dal padre equivalenti, infatti, nel calcolare i rapporti mendeliani, non consideriamo se i geni provengono dall'uovo o dallo spermatozoo. Tuttavia, per circa 80 geni dei mammiferi il contributo paterno o materno non è equivalente: di ognuno di questi specifici geni viene espressa solo la copia materna o solo quella paterna, mentre l'altra copia genica è silente, e ciò avviene in modo preciso e non casuale. Una delle più importanti sfide della genetica contemporanea: la ricerca dei caratteri e delle condizioni che non seguono l’ereditarietà secondo Mendel. L'imprinting genomico è il processo che fa si che per un particolare gene venga espresso solo un allele. Lorenz utilizzò il termine per descrivere alcune osservazioni sul comportamento animale (attraverso lo studio delle prime fasi di vita degli anatroccoli), egli infatti definì imprinting l’apprendimento istintivo di una specie che si realizza nei primi istanti di vita non è condizionato dall’esperienza ma è innato e si innesta con alcuni precisi stimoli. Termine deriva dal verbi “to imprint” che significa “imprimere”. L’imprinting è il processo che determina la realizzazione di questa IMPRONTA, che nel caso trattato avviene nel genoma. Il termine imprinting genomico è utilizzato in maniera specifica per indicare che qualcosa accade durante un periodo “critico o sensibile” dello sviluppo. Imprinting è un esempio di cambiamento epigenetico, poiché è un cambiamento ereditabile che non deriva da una mutazione nella sequenza nucleotidica del DNA. L’imprinting è causato da un’alterazione della cromatina: Modificazione covalente delle citosine, che porta all’alterazione dell’espressione del gene stesso e non alla modifica della sua sequenza nucleotidica. IMPRINTING MATERNO: viene silenziato l’allele paterno ed espresso l’allele materno IMPRINTING PATERNO: viene silenziato l’allele materno ed espresso quello paterno Nei topi il gene Igf2, che codifica per il fattore di crescita simile all’insulina 2, è un gene ad effetto paterno. La mutazione di questo gene porta allo sviluppo di topi nani. Se la mutazione viene ad interessare l’allele materno ciò porta ad un regolare sviluppo del topo. Nell’uomo sono stati trovati circa 100 loci sottoposti a imprinting genomico. Il fatto che un locus sia soggetto ad imprinting, non significa che anche quello adiacente ne sia affetto. Può accadere anche che se un locus è soggetto a imprinting paterno, quello adiacente potrebbe essere soggetto a imprinting materno, e viceversa. Esempio di geni umani sottoposti ad imprinting sono il fattore di crescita insulino-simile 2, ad effetto paterno, situato sul cromosoma 11, e il gene adiacente H19, sottoposto invece ad imprinting materno. I geni Igf2 e H19 sono sullo stesso cromosoma. Un singolo enhnacer controlla l'espressione di entrambi i geni. Quando gli attivatori si legano all'enhancer, il macchinario di trascrizione potrebbe essere richiamato su entrambi i geni. Tuttavia un altro elemento di regolazione, situato tra i geni, influenza questa attivazione. Questo tratto di DNA, detto regione di controllo dell'imprinting è un isolatore, così denominato perchè, se funziona, blocca l'attivazione del promotore situato a monte rispetto alla propria sequenza che potrebbe interagire con attivatori legati all'enhancer situato a valle. Sul cromosoma materno, i geni e le sequenze regolatrici non sono metilati, e ciò contente alla proteina denominata CTCF di legarsi all'isolatore. Il fattore CTCF, legato alla sequenza, funziona come repressore della trascrizione di Igf2, impedendo l'attivazione della trascrizione da parte di attivatori legati all'enhancer. Tuttavia l'attivatore legato all'ehnancer può attivare la trascrizione di H19. In altri termini: -sul cromosoma materno Igf2 è inattivo, mentre H19 è attivo; -sul cromosoma paterno Igf2 è attivo e H19 è inattivo. Sul cromosoma paterno, il DNA è metilato per un segmento del cromosoma che comprende il promotore del gene H19 e l'isolatore. Eventi chiave dell'imprinting sono la metilazione di specifiche sequenze di DNA e la trasmissione di queste sequenze metilate. Nelle divisioni mitotiche cellulari questa ereditarietà è diretta. Dopo la replicazione del DNA, ciascuna doppia elica del DNA figlia è emimetilata, cioè un filamento conserverà la metilazione del genitore e l'altro sarà privo di metilazione. Metilasi di mantenimento riconoscono l'emimetilazione e metilano di nuovo il filamento di DNA per ripristinare il profilo fi metilazione del genitore. Mentre durante la gametogenesi l'imprinting viene resettato e gli spermetozoi avranno imprinting paterno e le uova imprinting materno. Alcune malattie genetiche dell'uomo, come la sindrome di Prader-Willi e quella di Angelman, sono la conseguenza di effetti legati all'imprinting. In entrambi i casi si osserva la perdita di un particolare segmento del braccio lungo del cromosoma 15, ma la conseguenza è la manifestazione di una sindrome differente a seconda di quale cromosoma, paterno o materno, sia interessato dalla mutazione. Se il cromosoma con delezione è di derivazione paterna, il figlio sarà affetto da sindrome di Prader-Will. Se il cromosoma mutato è di derivazione materna, il bambino avrà la sindrome di Angelman. Perciò in questo pezzo del cromosoma a seconda dei geni che vengono a mancare si sviluppa una o l'altra malattia.