regolazione dell'espressione genica negli eucarioti e procarioti, Appunti di Biochimica Medica

Scarica regolazione dell'espressione genica negli eucarioti e procarioti e più Appunti in PDF di Biochimica Medica solo su Docsity! REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICA NEGLI EUCARIOTI E PROCARIOTI La sopravvivenza di ogni organismo dipende dalle sue capacità di rispondere alle variazioni dell’ambiente un metodo efficacie per adattarsi consiste nel modificare l’espressione di specifici geni. Regolazione espressione nei procarioti Il DNA di Escherichia coli è lungo circa 4,6x106 pb + qualche palsmide. Il suo genoma presenta 4300 geni; non è necessario che tutti siano espressi nello stesso momento, perciò la loro produzione è regolata. Molti di questi geni non sono distribuiti a caso, ma sono raggruppati in zone specifiche a seconda della loro funzione. *Operon: geni raggruppati in unità trascrizionale (=contiene i geni correlati e adiacenti che vengono regolati in modo strettamente coordinato + la regione di controllo a monte, nella quale è contenuto il promotore e delle sequenza che regolano l’espressione genica). Anatomia di un operon -Geni regolatori (codificanti per proteine di regolazione) -Siti di controllo (operatore, promotore) -Geni strutturali (codificanti per enzimi o proteine correlati funzionalmente) In condizioni ottimali E.coli utilizza come substrato energetico il glucosio. Per questa ragione normalmente l’operon del lattosio è represso, o comunque funziona a velocità molto bassa: in assenza di lattosio vengono prodotte circa 5 molecole dei singoli enzimi codificati dai geni strutturali. In presenza di lattosio l’operon viene indotto, consentendo la produzione di circa 5000 molecole proteiche. Analizzeremo l’operon del lattosio, che regola l’assunzione e il metabolismo del lattosio in E. coli. L’operon contiene: • Un gene regolatore, lacI, che codifica per una proteina repressore. Il repressore per essere attivo deve formare un tetramero (insieme di 4 molecole di repressore), in questo modo può legarsi direttamente al sito lacO (cioè al gene operone, che si trova sulla zona di controllo). E’ importante tener presente che il regolatore ha un’alta affinità anche per un’altra molecole: l’induttore. • Un sito lacC per il legame con la proteina CAP (Catabolite Activator Protein), che regola l’operone e quindi la trascrizione. • Promotore lacP , sito di legame per RNA polimerasi. • 3 geni strutturali, lacZ, lacY, lacA. L’enzima ᵦ-galattosidasi scinde il lattosio, la permeasi permette l’entrata del lattosio a livello della membrana plasmatica e la transacetilasi non si conosce la sua funzione nel metabolismo del lattosio (normalmente quest’ultimo tipo di enzima trasferisce acetili). I tre geni strutturali vengono trascritti insieme dando origine all’RNAm policistronico, tuttavia non è detto che le 3 proteine siano in quantità uguale (vanno incontro a molteplici trasformazioni post-traduzionali, alcune proteine hanno vita lunga, altre molto breve) – inoltre questo RNAm è nudo e viene subito attaccato dalle esonucleasi. Lac operon può trovarsi in tre condizioni: 1. Represso → in presenza di glucosio e assenza di lattosio. Il repressore viene espresso, forma le tetradi e si lega alla sequenza dell’operatore. Ciò impedisce all’RNA polimerasi di attaccarsi al promotore, di conseguenza si avrà il blocco della trascrizione. 2. Attivo → in presenza di lattosio e in assenza di glucosio. In queste condizione l’induttore (allo- lattosio) si lega al repressore, ciò determina un cambiamento della conformazione del repressore. Quest’ultima conformazione non risulta più affine all’operatore, perciò si stacca rendendo possibile il legame tra il promotore e l’RNA polimerasi. Il promotore del Lac operone è DEBOLE e la trascrizione sarebbe troppo lenta – per ovviare a ciò interviene la proteina CAP attivata dall’AMPc (AMP ciclico), che va a legarsi al suo sito specifico e questo fa si che il promotore acquisti la forza necessaria per far partire la trascrizione. AMPc deriva dalla AMP per formazione di un legame fosfodiestere tra il 3’ e il 5’ della molecola. In E. Coli rappresenta una carenza di glucosio (un segnale di fame sostanzialmente), quando aumenta a livello cellulare urge trovare substrati alternativi al glucosio: il lattosio. Questa molecola è stata mantenuta anche negli eucarioti come uno dei più importanti secondi messaggeri! *l’allo-lattosio si forma grazie alle 5 molecole prodotte a bassa velocità dall’operone represso. Regolazione dell’espressione genica negli eucarioti Gli eucarioti presentano lo stesso genoma, ma diverso trascrittoma (insieme dei trascritti, cioè di tutti gli RNA) e proteoma (insieme delle proteine). La regolazione dell’espressione genica può avvenire a diversi livelli: •livello trascrizionale → accendere o spegnere la trascrizione. •livello post-trascrizionale (interferenza e silenziamento genico) → agisce sugli RNA, modificandoli/ degradandoli. •livello tradizionale → agisce sulla sintesi proteica. •livello post-traduzionale •Epigenetica *Regolazione a livello della trascrizione Si potrebbero riportare moltissimi esempi di regolazione dell’espressione genica in risposta a segnali endogeni ed ambientali; in particolare analizzeremo la regolazione espressione della metallotioneina in risposta a esposizione a un metallo pesante tossico (Cd). La metallotioneina (MT) è una piccola proteina (62-65 aa) ricca in cisteine* (20), con elevata affinità per alcuni metalli essenziali (fondamentali per il metabolismo) come Cu e Zn e non essenziali come Cd e Hg (tossici). Dopo aver legato i metalli si formano due domini o «cluster» che legano rispettivamente 3 e 4 cationi bivalenti oppure legano 5 e 6 di ioni monovalenti. I mammiferi contengono quattro principali isoforme di MT. •Il gene presenta 3 esoni e 2 introni e un promotore forte. Anatomia del promotore: -Elementi di risposta → sono sequenze specifiche del promotore che interagiscono con particolari fattori di trascrizione in risposta a determinati segnali intracellulari. Esempi tipici comprendono: GRE, l’elemento che risponde ai glucocorticoidi; MRE, l’elemento che risponde ai metalli; CRE, l’elemento che risponde a AMPc; ARE, l’elemento di risposta antiossidante. -Enhancer → sequenza deputata ad aumentare i livelli di trascrizione, in seguito al legame di specifici attivatori. In altre parole stimola la trascrizione. Trascrizione della metallometionina aumenta in risposta a condizioni di stress ossidativi. Funzioni della metallotioneina: deposito di elementi essenziali (Zn e Cu), detossificazione da metalli tossici (Cd e Hg), attività antiossidante e altre ancora oggetto di studio. Regolazione espressione del gene MT in presenza di metalli Supponiamo che un organismo sia esposto al cadmio ambientale o alimentare (si trova ad esempio nel fegato e nei molluschi, nel tabacco, etc). Un volta introdotto il cadmio si accumula nel fegato e nel rene grazie alla metallotioneina che lo lega e lo deposita in questi due organi. In seguito a ciò aumenta la concentrazione di Cd all’interno della cellula; questo è segnale d’allarme che fa partite l’induzione della metallotioneina. Entra in gioco la proteina MTF1 (metal trascription factor) fattore di trascrizione attivato dai metalli. Quindi aumenta il Cd si attiva questo fattore, che ha il compito di legarsi alla sua sequenza di consenso (elemento di risposta al metallo MRE) nel promotore del gene della metallotioneina. Questo legame richiama tutte le proteine che formano il complesso d’inizio sulla tata box, che richiama la RNA polimerasi. Quest’ultima comincia a trascrivere il gene. Si forma l’RNAm immaturo, avverrà lo splicing, che forma l’RNAm maturo. Esso viene tradotto in proteina, viene in parte degradato se prodotto in eccesso. La proteina sintetizzata senza metallo (in tali condizioni è definita apo-proteina= apo-metallotioneina). A questo punto la proteina è pronta per legare il cadmio formando la proteina completa.