La regolazione genica nei procarioti ed eucarioti, Appunti di Biologia

Scarica La regolazione genica nei procarioti ed eucarioti e più Appunti in PDF di Biologia solo su Docsity! LA REGOLAZIONE GENICA NEI PROCARIOTI I geni dei procarioti sono attivati e disattivati in risposta a modificazioni ambientali La regolazione genica è l’attivazione o disattivazione dei geni. Essa permette agli organismi di rispondere ai cambiamenti ambientali. Gene attivato: sequenza di DNA che viene trascritta in mRNA, il quale è poi tradotto in specifici polipeptidi. L’espressione genica è il processo con cui l’informazione genica fluisce dai geni alle proteine (dal genotipo al fenotipo): - È controllata principalmente attraverso attivazione o disattivazione della trascrizione; - Il controllo dell’espressione genica permette agli organismi di produrre specifiche proteine nel momento e nel luogo in cui sono necessarie. Le prime informazioni relative al controllo dei geni furono acquisite grazie  batterio Escherichia coli, che modifica le proprie attività metaboliche adeguandole ai cambiamenti ambientali. La seleziona naturale favorisce i batteri che esprimono solo i geni i cui prodotti sono effettivamente necessari, in modo da risparmiare risorse ed energie. Nel nostro intestino Escherichia coli trova alimenti diversi a seconda di ciò che noi mangiamo. Deve adattarsi ad un flusso vario di risorse. Quando nel nostro intestino è presente lattosio, per esempio, E. coli sintetizza gli enzimi necessari per digerirlo e usarlo come fonte di energia. Quando il lattosio scarseggia, il batterio non spreca energia per produrli. L’operone lac Lwoff, Jacob e Monod propongono un modello che spiega come una cellula di E. coli attiva o disattiva i geni codificanti per gli enzimi coinvolti nel metabolismo del lattosio, in base alla disponibilità dello zucchero nell’ambiente. Tre enzimi sono coinvolti nel metabolismo del lattosio, i cui geni sotto attivati insieme, come se si trattasse di una singola unità. Adiacenti a questi geni vi sono due sequenze di controllo, brevi segmenti di DNA che contribuiscono alla loro regolazione e che non vengono trascritti: - Promotore, il sito a cui si lega l’enzima RNA polimerasi per iniziare la trascrizione; - Operatore, un segmento di DNA che agisce da interruttore. Un operone è un gruppo di geni con funzioni collegate e controllo coordinato presente nei procarioti. L’operone lac in E. Coli è costituito da - Tre geni adiacenti che codificano per enzimi responsabili della metabolizzazione del lattosio; - Una sequenza promotore dove si lega la RNA polimerasi; - Una sequenza operatore che agisce da interruttore della trascrizione dei tre geni. L’operatore determina se l’RNA polimerasi può attaccarsi al promotore e iniziare la trascrizione dei geni. L’operatore è a sua volta sotto il controllo di una proteina regolatrice  repressore, che si lega all’operatore e impedisce il legame tra RNA polimerasi e promotore. Promotore, operatore e geni che codificano per il metabolismo del lattosio costituiscono un operone. Gli operoni si trovano quasi esclusivamente nei procarioti. Per la regolazione dell’operatore lac, un gene regolatore sempre attivo codifica per una proteina repressone: - In assenza di lattosio, il repressore si lega all’operatore impedendo alla RNA polimerasi di trascrivere i tre geni dell’operatore – l’operatore lac è inattivo egli enzimi del lattosio non vengono prodotti; - In presenza di lattosio, il lattosio funge da induttore e si lega al repressore disattivandolo, accendendo così l’operone. Nei batteri sono presenti differenti tipi di operoni Tutti gli operoni batterici noti hanno un promotore, un operatore e diversi geni adiacenti ma differiscono per le modalità di controllo dell’operatore. - Gli operatori inducibili entrano in gioco nelle vie metaboliche che scindono un nutriente in molecole più semplici; - Gli operatori reprimibili normalmente sono accesi, ma possono essere repressi quando una specifica molecole è presente in abbondanza nell’ambiente. L’operone trp è un esempio di operone reprimibile. Per esempio: E. coli è in grado di sintetizzare il triptofano usando gli enzimi codificati dai geni dell’operone trp; ma se il triptofano è già presente nell’ambiente, il batterio smette di sintetizzarlo e lo assorbe. Il triptofano si lega al repressore dell’operone trp; il legame attiva il repressore, che cambia conformazione. Il repressore attivato può legarsi all’operone e bloccarlo, impedendo la sintesi del triptofano. Al contrario di quanto accade per l’operone lac (che è attivo quando è libero e viene inattivato dal legame con il lattosio), il repressore dell’operone trp è inattivo quando è libero e per attivarsi deve combinarsi con il 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 GENICA NEGLI EUCARIOTI L’espressione genica negli eucarioti è regolata a vari livelli Negli eucarioti le cellule dei diversi tessuti sono specializzate, ciascuna svolge la sua funzione. È importante che determinate proteine vengano sintetizzate solo in alcune cellule e solo in alcuni momenti. Il differenziamento è il processo attraverso il quale le cellule acquisiscono una specializzazione strutturale e funzionale. È una diretta conseguenza dell’attivazione e della disattivazione di geni specifici (espressione differenziale dei geni). Nonostante tutte le cellule posseggano lo stesso genoma, ogni tipo di cellula esprime un set preciso di geni. Tutte le cellule metabolicamente attive esprimono i geni che codificano per gli enzimi coinvolti nel metabolismo cellulare, ma gli altri geni che codificano per proteine specializzate sono espressi solo in particolari cellule. Anche un particolare tipo di cellula può modificare il proprio modello (o pattern di espressione genica) in risposta a segnali legati allo sviluppo dell’organismo o ad altri cambiamenti nell’ambiente. Una cellula umana esprime circa il 20% dei geni codificanti proteine contenute nel suo genoma. Cellule specializzate come i neuroni esprimono una frazione ancora più ridotta dell’interno DNA codificante. Il ripiegamento del DNA prima della trascrizione contribuisce alla regolazione dell’espressione genica - 1,5% codifica per proteine; - Una piccola frazione codifica per rRNA e tRNA; - Fino a poco tempo fa, gran parte del rimanente DNA non codificante si riteneva fosse inutile, era definito junk DNA. Nella realtà una quantità significativa del genoma può essere trascritta in molecole di RNA che svolgono un ruolo importante nella regolazione genica  ncRNA (non coding RNA), tra cui gli small RNA, cui appartengono i microRNA (miRNA).  MicroRNA (miRNA)= brevi sequenze di RNA a singolo filamento (circa 20 nucleotidi), si legano alle sequenze complementari sull’mRNA. Sono responsabili della regolazione dell’espressione di almeno metà del genoma umano. Formano complessi miRNA-proteina in grado di degradare l’mRNA bersaglio o bloccarne momentaneamente la traduzione. Interferenza dell’RNA (RNAi): meccanismo d’azione dei mRNA sfruttato in laboratorio per controllare l’espressione genica. Per esempio, iniettando un miRNA in una cellula è possibile inibire l’espressione di un gene che possiede la sequenza nucleotidica complementare. Il complesso miRNA-proteina può legarsi a qualsiasi molecola di mRNA provvista della corretta sequenza complementare. Il complesso miRNA proteina può - degradare l’mRNA bersaglio; - bloccarne momentaneamente la traduzione, se non ha una perfetta complementarietà. Anche la traduzione e gli stadi successivi della sintesi proteica sono soggetti a regolazione La cellula eucariote può regolare l’espressione genica anche demolendo l’mRNA, agendo sull’inizio della traduzione, tagliando le proteine (clivaggio) di una parte del polipeptide, ottenendo come prodotto finale la proteina attiva. L’insulina è un ormone proteico sintetizzato dalle cellule del pancreas come un lungo polipeptide privo inizialmente di attività ormonale. Al termine della traduzione di formano legami covalenti tra atomi di S degli amminoacidi. Si formano ponti disolfuro (S-S) che piegano alcune parti della molecola. Una parte della molecola è tagliata e la proteina risulta attiva. Dopo la traduzione, l’ultimo meccanismo di controllo è la degradazione selettiva delle proteine. Un enzima, l’ubiquitina, funge da segnale e si lega alla proteina da demolire rendendola riconoscibile. L’ubiquitina si lega ad un complesso proteico (complesso poliubiquitinico), riconosciuto a sua volta dal complesso chiamato proteosoma. È nel proteosoma che avviene la degradazione vera e propria della proteina, che per idrolisi viene demolita in piccoli frammenti e amminoacidi liberi. Quindi l’ubiquitina si stacca e viene riciclata. Negli eucarioti l’espressione di un gene può passare attraverso diversi controlli: - regolazione della trascrizione (despiralizzazione e altre modifiche del DNA; sequenze e proteine di controllo della trascrizione); - maturazione dell’mRNA; - passaggio dell’mRNA dal nucleo al citoplasma; - demolizione dell’mRNA; - traduzione dell’mRNA; - attivazione e degradazione delle proteine. Lo sviluppo embrionale di un animale è controllato e orientato da una cascata di eventi che regolano l’espressione genica. Negli eucarioti, il differenziamento cellulare deriva dell’attivazione o disattivazione selettiva dei geni. Nel ciclo vitale di un organismo eucariote pluricellulare, il differenziamento mediato dall’espressione genica è più attivo nelle fasi di sviluppo embrionale che accompagnano il passaggio dallo zigote all’embrione. “Cascate” di espressione genica, nelle quali i prodotti proteici di un insieme di geni attivano altri insiemi di geni, sono un meccanismo comune che regola lo sviluppo. Molti studi su questi processi sono stati effettuati sulla Drosophila, utilizzando geni mutati. Questi fenomeni sono stati scoperti grazie alle osservazioni effettuate sullo sviluppo embrionale della drosofilia. Le prime fasi dello sviluppo embrionale dipendono da geni espressi dalle cellule dell’ovaio materno durante la maturazione della cellula uovo. I prodotti di questi geni (mRNA e proteine), concentrandosi differentemente nel citoplasma dell’uovo, predispongono l’orientamento dell’asse antero-posteriore. L’ESPRESSIONE GENICA NELLO SVILUPPO DELLA DROSOFILA: - L’asse anteroposteriore= La sua definizione è stata stabilita dai geni della cellula uovo; - I geni omeotici = controllano l’anatomia del corpo, specificando le strutture che si svilupperanno in ogni segmento corporeo (zampe, antenne), - I segmenti corporei = una cascata di segnali chimici che si sposta da una cellula all’altra porta alla divisione dell’embrione nei segmenti corporei. Nella Drosophila, la perdita di geni omeotici (per mutazione o delezione) porta alla comparsa di un’appendice o di una struttura del corpo normale in posizione non appropriata. Ne derivano “mutanti” con sostituzione antenne/zampe (antennapedia) o con un paio di ali extra.