Regolazione Genetica: Controllo dell'Espressione Genica in Procarioti e Eucarioti, Schemi e mappe concettuali di Biologia

Scarica Regolazione Genetica: Controllo dell'Espressione Genica in Procarioti e Eucarioti e più Schemi e mappe concettuali in PDF di Biologia solo su Docsity! REGOLAZIONE GENICA NEI PROCARIOTI La regolazione genica è il processo di attivazione o disattivazione dei geni in risposta a fattori ambientali. Infatti un gene attivato è una sequenza di DNA che viene trascritta in mRNA, ma l’espressione di geni non necessari è solo un consumo di energie. Il controllo dell’espressione genica serve per permettere alle cellule di produrre specifiche proteine solo quando sono necessarie. Operoni La sequenza operatore agisce da interruttore infatti determina se l’RNA polimerasi può proseguire con la trascrizione dopo essersi legata alla sequenza promotore. L’operatore è controllato da una proteina regolatrice detta repressore. Promotore, operatore e geni codificanti costituiscono l’operone (un esempio è l’operone lac; in presenza di lattosio E. coli sintetizza nello stesso momento tutti gli enzimi necessari per metabolizzare il lattosio). Il repressore può essere disattivato dall’induttore che in questo caso è il lattosio, e in tal caso l’RNA polimerasi può proseguire la trascrizione. Un operone tipo il lac è detto inducibile, poichè è acceso in presenza di un induttore, mentre gli operoni che sono normalmente inattivi sono chiamati reprimibili ad esempio l’operatore trp (triptofano). In questo caso, se il triptofano è presente nell’ambiente il batterio smette di sintetizzare poichè il trp si lega al repressore attivandolo e fermando la produzione. REGOLAZIONE GENICA NEGLI EUCARIOTI Tuti gli organismi regolano quali geni devono attivare o disattivare e questo processo di regolazione genica è fondamentale per specializzare le cellule per i vari tessuti, infatti i geni che codificano per proteine specializzate sono espressi solo in alcune cellule (ogni cellula esprime circa il 20% dei geni codificanti). Negli eucarioti, però, a differenza dei procarioti, la regolazione dell’espressione genica avviene secondo molti meccanismi in due momenti principali: durante la trascrizione e la traduzione. Il ripiegamento del DNA Nella cellula il DNA è avvolto e impacchettato in un sistema di spiralizzazione dove il DNA è avvolto attorno a proteine dette istoni che corrispondono a circa la metà della massa dei cromosomi. Il complesso di istoni e DNA è chiamato cromatina e questa può essere distinta in due forme diverse: - l’eucromatina: costituita da DNA scarsamente ripetitivo e trascritto attivamente; - l’eterocromatina: costituita da materiale cromosomico composto da sequenze ripetute. Per questa ragione, l’eterocromatina è soggetta ad essere trascritta di meno, facendo della spiralizzazione non solo un metodo di “impacchettamento” del DNA ma anche di regolazione genica. Modificazioni chimiche dei cromosomi I cromosomi possono essere modificati anche chimicamente tramite l’aggiunta di gruppi metili (-CH3) o gruppi acetili (-COCH3), infatti l’aggiunta di gruppi metili (metilazione) comporta un aumento della densità (> impacchettamento) e rallenta la trascrizione, mentre l’aggiunta di un gruppo acetile al contrario favorisce la trascrizione. I gruppi metili che si sono uniti alla cromatina sono molto spesso ereditati durante la duplicazione del DNA così che le cellule figlie hanno anche loro la stessa metilazione. Questo processo di trasmissione ereditaria di caratteristiche che non dipendono dal DNA è detto ereditarietà epigenetica. L’epigenetica degli individui può essere influenzata da molti fattori, come l’ambiene o l’alimentazione. Per quanto riguarda l’ambiente, l’oggetto degli studi sono i topi ed è stato osservato che il comportamento della madre influenza la metilazione di alcuni geni nei cuccioli portando ad una conseguente modificazione nell’espressione genica (i ratti non leccati dalla madre presentano alti livelli di stress). Tramite l’alimentazione, invece, introduciamo nel nostro organismo sostanze che producono gruppi metile che possono influenzare l’espressione genica. Ad esempio nei ratti un’alimentazione ricca di vit. B contribuisce alla metilazione del gene agouti che causa predisposizione a cancro e diabete. Anche le api utilizzano l’alimentazione come forma di regolazione genica, infatti la regina si distingue dalle operaie perchè assume sin dalla nascita la pappa reale che porta alla metilazione del gene dnmt3. Disattivazione del cromosoma X In tutti i mammiferi, il sesso femminile è geneticamente corrispondente al genotipo XX. Uno di questi due cromosomi, per evitare surplus genetici, viene quasi disattivato, avvolgendolo in una struttura chiamata corpo di Barr. Questo fenomeno è visibile nei gatti, dove la disattivazione casuale del cromosoma provoca una colorazione del pelo a macchie. Regolazione genica tramite proteine Come i procarioti, anche gli eucarioti hanno un sistema di regolazione genica che si basa su enzimi che si legano a particolari sequenze di DNA, sebbene in queste cellule il processo sia molto più complesso, poichè ogni gene degli eucarioti è dotato sequenza promotore e sequenze di controllo; e questa complessità fa si che la regolazione genica possa essere modulata di intensità. I fattori di trascrizione L’RNA polimerasi necessita di fattori di trascrizione (proteine). Le tappe dell’intervento dei fattori nella trascrizione sono 3: La trasduzione del segnale La comunicazione tra cellule fa sì che si possano scambiare messaggi tra di loro tramite proteine che partono da cellule emittenti e arrivano a cellule bersaglio. In questo modo le cellule rispondono a segnali esterni in maniera coordinata. Ogni gene possiede un elemento di controllo che è riconosciuto dai complessi ormone-recettore attivando la trascrizione di determinati geni. Le molecole segnale una volta legate ai recettori controllano l’espressione genica dando inizio alla trasduzione del segnale, ossia segnalazioni “a catena” che portano alla produzione di una determinata proteina in risposta a fattori ambientali. La trasduzione avviene in 6 passaggi: 1. la cellula trasmette il segnale; 2. il segnale si lega al recettore proteico; 3. il legame recettore-segnale attiva i ripetitori; 4. l’ultimo ripetitore attiva un fattore di trascrizione; 5. il fattore di trascrizione innesca la trascrizione di un gene; 6. la trascrizione porta alla formazione di una proteina. Estrazione del DNA L’estrazione del DNA ci serve per estrarre il materiale genetico da una cellula per diversi motivi come studi forensi o di malattie genetiche. PCR - Polymerase Chain Reaction La Reazione Polimerasica a Catena abbreviata PCR è un processo tramite il quale si può, in laboratorio, amplificare il materiale genetico presente in un campione tramite la stimolazione della duplicazione del DNA. Questa si compone di cicli di riscaldamento-raffreddamento nei quali: 1. il DNA viene denaturato e i filamenti si separano (si riscalda il materiale); 2. appaiamento dei primer ai filamenti separati (dopo che i filamenti si sono raffreddati); 3. si riscaldano e aggiunta di polimerasi e nucleotidi per creazione del nuovo filamento. A questo punto possiamo utilizzare il DNA amplificato per diversi scopi, come microarray, ricerche o tamponi. Microarray La tecnica del microarray a DNA è una tecnica che permette di studiare gruppi di geni che vengono espressi in maniera coordinata. Un microarray è costituito da un supporto sul quale sono fissati migliaia di frammenti di DNA a singolo filamento chiamati sonde, ognuna delle quali proviene da un gene particolare, cosi che un supporto contiene migliaia di geni. Il procedimento si divide in 4 parti: 1. per prima cosa si procede all’isolamento degli mRNA trascritti da una cellula; 2. si aggiunge a questa miscela l’enzima trascrittasi inversa (che si trova ad esempio nei retrovirus che fanno la trascrizione inversa poichè non contengono DNA ma RNA) in modo da ottenere una miscela di frammenti di DNA complementari resi fluorescenti (sono aggiunti nucleotidi fluorescenti); 3. una quantità di questi cDNA è aggiunta al microarray e le sonde si legano a questi; 4. il cDNA in eccesso viene rimosso e quello legato produce fluorescenza rivelando quali geni erano trascritti nelle cellule di partenza. L’identificazione dei pozzetti indica quali geni sono trascritti nella cellula di partenza. Possiamo capire in questo modo quali geni sono trascritti e come cambiano nel corso del tempo. Le basi del cancro Ci sono geni coinvolti nello sviluppo dei tumori, infatti cambiamenti nei geni che controllano l’espressione genica possono determinare una crescita cellulare incontrollata. Il cancro dipende da mutazioni nei geni che controllano la divisione cellulare. Numerose alterazioni geniche contribuiscono allo sviluppo del cancro. Proteine difettose possono interferire con i normali processi di trasduzione del segnale portando ad una incontrollata crescita cellulare. Uno stile di vita sano può ridurre l’incidenza del cancro, per questo motivo molti tumori dipendono dall’interazione di fattori genetici ambientali ed è importante ridurre fattori di rischio (fumo e alcol ad esempio) e l’esposizione ad agenti cancerogeni capaci di indurre mutazioni (es metilazione del gene agouti nei topi).