regolazione dell'espressione genica negli eucarioti, Dispense di Biologia

Scarica regolazione dell'espressione genica negli eucarioti e più Dispense in PDF di Biologia solo su Docsity! REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICA NEGLI EUCARIOTI: A differenza dei procarioti, in cui la regolazione dell’ espressione genica viene sfruttata per il nutrimento, negli eucarioti viene utilizzata per il differenziamento cellulare : tutte le cellule del nostro corpo hanno lo stesso DNA, le specializzazioni differenti si basano sull’ accensione o spegnimento dei geni. Dei 20.000 geni che troviamo nelle nostre cellule, ogni cellula specializzata ne ha circa 5.000 accesi e gli altri spenti. Il differenziamento consiste quindi nel fatto che una cellula, pur possedendo l’informazione genetica completa, esprima soltanto i geni che codificano per le sue proteine caratteristiche. Distinguiamo:  Geni housekeeping  espressi in tutte le cellule, sono quei geni che codificano per proteine importanti per il metabolismo, gli istoni, le proteine ribosomiali ecc..  Geni tessuto-specifici  importanti per il differenziamento cellulare Una cellula, oltre che cambiare la sua espressione genica per il differenziamento cellulare, può farlo anche a causa di segnali esterni. Infatti questi alterano l’attività dei geni, senza però modificare l’informazione contenuta nel DNA. Inoltre nei procarioti la regolazione è esclusivamente della trascrizione, negli eucarioti la regolazione avviene su più livelli: 1. CONTROLLO DELLA TRASCRIZIONE  REGOLAZIONE DELLA TRASCRIZIONE TRAMITE I long non-coding RNA REGOLAZIONE DELLA TRASCRIZIONE TRAMITE I MECCANISMI EPIGENETICI: 1. METILAZIONE DEL DNA 2. MODIFICAZIONE DEGLI ISTONI Le modifiche epigenetiche determinano il rimodellamento della cromatina e quindi una maggiore o minore trascrizione del genoma. Il nostro DNA è compattato insieme agli istoni a formare la cromatina. Distinguiamo: - eterocromatina  compattazione massima , TRASCRIZIONALMENTE INATTIVA - eucromatina  filamento più rilassato, TRASCRIZIONALMENTE ATTIVA Nei punti in cui abbiamo eucromatina troveremo dei geni che dovranno essere trascritti, in altri punti troviamo eterocromatina e i geni che si trovano in questo tratto non verranno trascritti, perché i fattori di trascrizione generali non possono accedere ai geni per trascriverli, e di conseguenza non si può attivare l’RNA polimerasi. 1. METILAZIONE DEL DNA Nucleotidi di citosina vengono metilati da un enzima , la metil-trasferrasi, che aggiunge un gruppo CH3. Queste metilazioni possono essere ereditate. Sono metilate soprattutto le citosine che si trovano associate a guanine (CG), a formare siti dette isole CpG (p è il gruppo fosfato che partecipa al legame fosfodiesterico): le sequenze CG non sono distribuite uniformemente nella sequenza, ma sono raggruppate in isole. Le isole CpG spesso circondano i promotori dei geni. Le isole metilate a livello del promotore determinano l’inibizione della trascrizione, se le sequenze non vengono metilate il gene risulta attivo. 2. MODIFICAZIONE DEGLI ISTONI Le code N-terminali degli istoni possono essere metilate o acetilate:  METILAZIONE DEGLI ISTONI  inibisce la trascrizione (maggiore compattazione della cromatina)  ACETILAZIONE DEGLI ISTONI  attiva la trascrizione (minore compattazione della cromatina)  DE-ACETILAZIONE DEGLI ISTONI  inibisce la trascrizione (maggiore compattazione della cromatina) Negli esseri umani le mutazioni più pesanti portano alla letalità, quindi quelle che riusciamo a vedere sono malformazioni che non intaccano la sopravvivenza: piccole mutazioni delle vertebre, a livello delle mani ecc.  ELICA-GIRO-ELICA : è composto da due alpha eliche connesse da una breve catena amminoacidica, che costituisce il “giro”. Anche qui una delle due eliche è definita elica di riconoscimento, infatti le catene laterali dei suoi amminoacidi hanno un ruolo importante nel riconoscimento della sequenza di DNA. Lega il DNA a livello del solco maggiore. Le due eliche sono mantenute ad un angolo fisso. Di solito si lega con legami a idrogeno al DNA e le due eliche sono tenute insieme sempre da interazioni idrofobiche.  ELICA- ANSA-ELICA (nell’immagine c’è un dimero, una verde e una blu) dominio formato da una corta alpha elica connessa attraverso un’ansa ad un'altra alpha elica più lunga. Quest’ ultima alpha elica si attacca al DNA. I fattori di trascrizione contenenti il motivo elica-ansa-elica giocano un ruolo nella regolazione del differenziamento dei tessuti e della proliferazione cellulare. Si ipotizza quindi siano implicati in alcuni tipi di tumori.  CERNIERE A LAMPO DI LEUCINA : formate da due alpha eliche tenute insieme nella parte superiore da interazione fra le leucine delle catene laterali degli amminoacidi idrofobici. Lungo le alpha eliche le leucine sono presenti ogni 7 amminoacidi. Le due eliche si dispongono a formare una struttura a forma di Y, che permette alle catene laterali di stabilire contatti con il solco maggiore del DNA.  MOTIVO A DITA DI ZINCO : E’ un dominio costituito da un’alpha elica e due beta foglietti, tenuti insieme grazie all’interazione tra residui di CISTEINA e/o ISTIDINA legate a loro volta ad un atomo di zinco. Le proteine che si legano al DNA non si legano strettamente ad una singola sequenza di DNA perché una singola sequenza non contiene le informazioni sufficienti per essere selezionata dalla proteina. Per questo alcuni regolatori formano dimeri, in modo che questo raddoppi la sequenza riconosciuta dalla proteina e aumenti l’affinità del legame. Dimerizzano i domini ELICA-ANSA-ELICA e le CERNIERE A LAMPO DI LEUCINA. REGOLAZIONE DELLA TRASCRIZIONE MEDIANTE MEDIATORI EXTRACELLULARI: La trascrizione può essere regolata anche da mediatori extracellulari come gli ormoni steroidei che sono prodotti a partire dal colesterolo, tra questi abbiamo il cortisolo, un glucocorticoide (aumenta la concentrazione di glucosio nel sangue). 1. Il cortisolo viene rilasciato in seguito a stress fisici dal surrene e ha tra le cellule bersaglio quelle del fegato. 2. A livello cellulare attraversa la membrana cellulare in quanto apolare e nel citosol trova il recettore per i glucocorticoidi a cui si lega. 3. Entra nel nucleo assieme al suo recettore. 4. Il cortisolo è legato al recettore. Il recettore si lega al DNA. Il recettore ha il dominio con cui si lega al DNA a dita di zinco del tipo cisteina per 4. Attiva la trascrizione, i prodotti della trascrizione saranno enzimi responsabili della sintesi del glucosio nella gluconeogenesi. 2. CONTROLLO DELLE MODIFICAZIONI SULL’ mRNA  consiste nello splicing alternativo, infatti l’mRNA subisce delle modifiche prima di andare nel citoplasma per essere tradotto. Dallo stesso filamento possiamo ottenere proteine diverse, tralasciando alcuni esoni o combinandoli diversamente. Lo splicing alternativo può essere regolato:  negativamente, cioè da una molecola regolatrice che impedisce allo spliceosoma di accedere al sito di splicing.  Positivamente, cioè da una proteina regolatrice che che aiuta a dirigere lo spliceosoma verso un sito di splicing che altrimenti verrebbe saltato. 3.CONTROLLO DEL TRASPORTO DELL’mRNA  Negli eucarioti la trascrizione avviene nel nucleo e la traduzione nel citoplasma. L’ mRNA deve quindi passare attraverso il complesso dei pori nucleari, questo passaggio è selettivo e regolato da esportine. L’ mRNA è complessato con proteine, alcune rimangono nel nucleo poiché sono specifiche per il legame dell’ mRNA nel nucleo, altre lo seguono nel citoplasma. Tra queste proteine che lo seguono nel citoplasma troviamo:  Proteina CBC, un segnale di esporto posto sul cappuccio al 5’, che viene eliminato subito dopo che la proteina viene esportata nel citoplasma.  Proteina Eif-4E, che lega il CAP dopo che la proteina CBC è stata eliminata.  Proteina Eif-4G, che lega le proteine che legano la coda di poli A e il CAP. A questo punto si forma il fattore di iniziazione eucariotica eIF4F , è un complesso proteico che lega il cappuccio per promuovere l' inizio della traduzione eucariotica. Il complesso eIF4F è composto da tre subunità non identiche:  eIF4E  eIF4G  l’elicasi eIF4A che funziona per svolgere l’RNA a doppio filamento  PABP (Poli A blinding proteins proteine che legano la coda di poli-A)  IRP PER L’mRNA DELLA FERRITINA Questo si verifica ad esempio nella traduzione dell’mRNA che codifica per la ferritina. Il ferro è un cofattore fondamentale per molti enzimi, ma ad alti livelli è tossico. Per prevenire la tossicità, le cellule sintetizzano la proteina ferritina, che è in grado di immagazzinare il ferro in eccesso. Nell’ mRNA che codifica per la ferritina c’è , al 5’, una sequenza detta IRE.  Se la concentrazione di ferro è bassa, quindi non vogliamo la ferritina, la proteina IRP (un repressore traduzionale) si lega a IRE, questo legame produce un ripiegamento dell'mRNA che inibisce la sintesi della ferritina perché il ribosoma non può legarsi.  Se la concentrazione di ferro è alta, vogliamo la ferritina. Lo ione Ferro stesso si lega a IRP e ciò fa staccare IRP da IRE, quindi l’mRNA non è piegato, il ribosoma si può attaccare e verrà prodotta la ferritina. REGOLAZIONE DELLA TRADUZIONE CON i microRNA I precursori dei micro RNA sono sintetizzati dalla RNA polimerasi II nel nucleo, poi subiscono maturazione e successivamente un particolare tipo di processamento: il microRNA si assembla con le proteine RISC a formare il complesso MI-RISC. Il MI-RISC si lega alla regione 3’ UTR dell’ mRNA e in base al fatto che l’appaiamento sia completo o incompleto sono possibili due destini:  Degradazione dell’ mRNA se c’è un appaiamento completo alla regione 3’- UTR.  Repressione della traduzione se c’è un appaiamento parziale (nel senso che si appaia solo una parte del mi RNA) con le sequenze complementari nella regione 3’ UTR degli mRNA. Infatti i microRNA possono legarsi a sequenze complementari di mRNA bersaglio della regione 3’ UTR, provocando la repressione della traduzione poiché creano ingombro sterico bloccando la sintesi da parte dei ribosomi. Si tratta quindi di meccanismi di silenziamento genico.Un solo messaggero può avere tanti micro RNA. Come si fa a capire quando l’m RNA è sotto il controllo traduzionale? Ad esempio confrontando la variazione di quantità di m RNA e quella delle proteina: se consideriamo due situazioni diverse in cui c’è lo stesso mRNA, se non ci fosse il controllo traduzionale ci si aspetterebbe la stessa quantità di proteina. Se troviamo diverse quantità di proteina, ma diversa quantità di proteina vuol dire che il messaggero sarà più attivo in una condizione rispetto che in un’altra (un esempio di questo è il messaggero che codifica per la ferritina, il quale è più attivo in condizioni in cui c’è più ferro, meno attivo quando c’è meno ferro) 5.CONTROLLO DELLA DEGRADAZIONE DELL’ m RNA  Terminata la traduzione, le molecole di mRNA che hanno esaurito la loro funzione vengono degradate da specifici enzimi, come le RIBONUCLEASI. NB  Esonucleasi tagliano le estremità dei messaggeri. Ribonucleasi degradano completamente l’RNA. La velocità di degradazione rappresenta un fattore di regolazione. CONTROLLO TRAMITE LEGAME CON SPECIFICHE PROTEINE La velocità di degradazione può essere ostacolata o accelerata dal legame con specifiche proteine. Per esempio queste proteine potrebbero alterare la suscettibilità dell’mRNA all'attacco delle ribonucleasi. CONTROLLO IN BASE ALLA LUNGHEZZA DELLE 5’ e 3’ UTR. Regioni UTR sono untraslated regions, regioni non tradotte poste alle estremità del filamento:  5’ UTR va dal CAP ad AUG (nei procarioti contiene la sequenza di shine-dalgarno)  3’UTR va dal codone di stop alla coda di poli-A. Più queste sequenze sono lunghe, più vive l’ mRNA nel citosol. 6.CONTROLLO DELLE MODIFICHE POST-TRADUZIONALI  Le proteine derivanti dalla traduzione non sono sempre immediatamente funzionanti. Sono necessarie delle modifiche della struttura o delle modifiche chimiche. Inoltre per potersi ripiegare correttamente le proteine necessitano dell’intervento dei chaperoni. Infine, se le proteine sono correttamente modificate andranno incontro al loro destino post-sintetico, se non sono correttamente modificate verranno indirizzate al proteasoma per essere degradate.