Regolazione genica negli eucarioti, Dispense di Chimica

Scarica Regolazione genica negli eucarioti e più Dispense in PDF di Chimica solo su Docsity! REGOLAZIONE GENICA negli EUCARIOTI Negli eucarioti la regolazione genica è un processo molto più complesso rispetto ai procarioti. Suddividiamo i meccanismi di regolazione in quattro passaggi principali. 1)Regolazione pre-trascrizionale: comprende i meccanismi attraverso i quali la cellula regola l’accessibilità del genoma. Per poter trascrivere un tratto di DNA occorre che quel tratto la cromatina si rimodelli a livello dei nucleosoma.Vi sono diversi meccanismi . a)Nel nucleo il DNA si trova avvolto attorno agli istoni,e altre proteine a formare una struttura detta cromatina (eucromatina con la forma più aperta ed è tipica dei geni attivamente trascritti; mentre eterocromatina presenta una forma più condensata in cui la trascrizione genica viene repressa). La famiglia di proteine e gli istoni formano dei complessi chiamati nucleosomi; questa organizzazione strutturale ,oltre a compattare il DNA nel nucleo, permette di modulare l’espressione dei geni,infatti rappresentano un impedimento alla trascrizione perché rendono il DNA non accessibile alla RNA polimerasi. Gli istoni hanno una porzione all’N-terminale ricca di amminoacidi carichi positivamente sopratutto lisine, che interagiscono con le cariche negative dello scheletro zucchero-fosfato del DNA avvolto attorno al nucleosoma queste interazioni mantengono la struttura della cromatina nella forma chiusa .Esistono degli enzimi detti acetilasi che aggiungono gruppi acetile (CH3CO-) carichi negativamente alle lisine delle code istoniche. In questo modo il legame tra istoni e DNA viene allentato , generando la forma aperta della cromatina(eucromatina), quindi l’acetilazione è in grado di favorire la trascrizione. Una volta trascritto, il DNA può compattarsi grazie agli enzimi deacetilasi che sono in grado di rimuovere i gruppi acetile dalle lisine. b) Un’altra modificazione è l’aggiunta di gruppi metilici (CH3) alle lisine ad opera degli enzimi metiltransferasi. Durante la duplicazione e la trascrizione se c’è un solo gruppo metile che si lega alla citosina allora l’appaiamento risulta normale con la guanina invece se abbiamo molti gruppi metilici sul promotore di un gene di conseguenza non avviene la trascrizione. La metilazione degli istoni ha un effetto inibitorio sulla trascrizione; però anche questa modificazione è reversibile grazie all’azione degli enzimi demetilasi; comunque anche le citosine possono essere metilate Alcune modificazioni degli istoni permangono durante la mitosi o la meiosi e vengono ereditate dalle cellule figlie per questo sono oggetto di studio dell’epigenetica. Un altro esempio di modifica epigenetica è l’inattivazione del cromosoma X ipotizzata nel 1961 da Mary Lyon, che agisce su un intero cromosoma anzicché su specifici geni. Secondo l’ipotesi di Lyon ,durante lo sviluppo embrionale di un individuo di sesso femminile (XX) uno dei due cromosomi viene inattivato.,cioè non trascritto e si condensa in eterocromatina compatta, questo meccanismo è ancora oggetto di studio, e viene chiamato corpo di Barr, dal nome del suo scopritore Murray Barr. Al m.o. è visibile come una passerella di cromatina addensata: questa struttura si evidenzia solo nelle femmine.A conferma dell’ipotesi di Lyon si è visto che nelle femmine affette da trisomia X (XXX) sono presenti due corpi di Barr. Allo stesso modo,è stata provata la presenza di un corpo di Barr negli individui XXY(sindrome di Klineffer) e l’assenza di corpi di Barr nelle femmine X0 (sindrome di Turner).Infine l’inattivazione casuale di uno dei due cromosomi X comporta che le cellule delle femmine dei mammiferi possano essere di due tipi: alcune esprimono i geni del cromosoma X di origine materna ,altre di quello di origine paterna. Attraverso la modulazione dell’attività dei geni per via epigenetica è possibile ottenere risultati diversi senza modificare l’informazione a monte ,cioè le sequenze geniche. 2) Regolazione trascrizionale:. a)L’informazione genetica contenuta nelle sequenze del DNA viene trasferita all’RNA e dall’RNA al polipeptide corrispondente. Durante la trascrizione, un complesso proteico, comprendente l’enzima RNA polimerasi, sintetizza le molecole di RNA sullo stampo delle sequenze di DNA che costituiscono le unità di trascrizione. La RNA polimerasi si lega al sito d’inizio della trascrizione insieme ad altre proteine, dette fattori di trascrizione. Questi fattori, mediante l’interazione con brevi sequenze di DNA presenti nella regione a monte dell’inizio della trascrizione (promotore), servono a posizionare la RNA polimerasi nel sito giusto e a separare i due filamenti di DNA per formare la bolla di trascrizione. Il processo continua fino a che la polimerasi incontra una sequenza di arresto. A questo punto si stacca e libera la catena di RNA, mentre la bolla di trascrizione si richiude e il DNA riassume la conformazione a doppia elica. L’RNA neosintetizzato ha la sequenza di basi identica a quella di uno dei due filamenti di DNA (il filamento senso), anche se la Timina è sostituita dall’Uracile. Da uno stesso gene possono essere trascritte consecutivamente numerose copie di RNA e il livello di trascrizione dipende da complessi meccanismi (vedi la regolazione della trascrizione). E’ importante ricordare che le cellule eucariotiche possiedono tre tipi di RNA polimerasi: - RNA polimerasi I trascrive i geni degli RNA ribosomiali - RNA polimerasi II trascrive i geni che codificano proteine sintetizzando i precursori degli RNA messaggeri - RNA polimerasi III trascrive i geni di tutti gli RNA transfer, un RNA ribosomiale e altri piccoli RNA. I precursori degli mRNA neosintetizzati (trascritti primari) devono subire una serie di modificazioni prima di essere trasferiti nel citoplasma per venire tradotti sui ribosomi. Questo processo di maturazione degli mRNA include le seguenti modificazioni: • Aggiunta all’estremità 5’ di un cappuccio (cap). Al primo nucleotide all’estremità 5’ della molecola di RNA nascente viene rimosso il fosfato terminale e viene aggiunta una molecola di Guanosina monofosfato (GMP) metilata in posizione 7’. Il capping serve per proteggere il trascritto dall’attacco delle esonucleasi che lo degraderebbero, e per facilitare il trasporto dal nucleo al citoplasma. • Rimozione di alcune sequenze che non vengono tradotte (processo di splicing). Quasi tutti i geni eucariotici sono divisi in sequenze codificanti, chiamate esoni, e sequenze non tradotte, dette introni. Questi ultimi vengono rimossi dai trascritti primari mediante il processo di splicing. Gli introni sono quindi sequenze di DNA, situate tra due esoni, le quali sono trascritte ma non tradotte. Salvo rare eccezioni, gli introni iniziano sempre con i nucleotidi GT e terminano con i nucleotidi AG (regola GT-AG). Nel processo di splicing si verifica prima la scissione all’inizio dell’introne (5’), poi l’estremità libera dell’introne si ripiega su se stessa formando una struttura simile ad un laccio e infine avviene il taglio a livello della giunzione 3’ dell’introne. Quindi i due esoni si uniscono mentre l’introne va perso. Una struttura macromolecolare (costituita da varie subunità di molecole di piccoli RNA nucleari, gli snRNP, e da una serie di proteine specifiche) promuove e controlla le reazioni dello splicing. • Aggiunta all’estremità 3’ di una coda poli-A. La maggior parte delle unità di trascrizione hanno una breve sequenza (AATAAA) che specifica il sito di termine della trascrizione. Circa 15-30 nucleotidi a valle di questo sito, l’RNA neosintetizzato viene scisso da un enzima, una endonucleasi, e alla molecola di RNA vengono aggiunti circa 200 residui di Adenosina monofosfato (AMP). Questa coda di poli-A ha lo scopo di stabilizzare le molecole degli mRNA maturi e di facilitare il loro trasporto dal nucleo al citoplasma. b) STRUTTURA ED ESPRESSIONE DEI GENI Dal punto di vista della genetica molecolare per gene s’intende una sequenza di DNA potenzialmente trascrivibile in RNA funzionalmente attivo. Tale RNA può svolgere direttamente una funzione strutturale e/o catalitica (rRNA, tRNA) oppure trasportare l’informazione per la sintesi di una proteina (mRNA). Nel genoma umano si stima che siano presenti circa 23.000 geni codificanti proteine e 1000-2000 geni codificanti RNA strutturali. Da recenti studi emergerebbe stadio dello sviluppo. Il meccanismo più frequente con il quale si generano delle isoforme diverse è lo splicing alternativo, che consiste nell’assemblaggio differenziale di esoni durante la maturazione dell’RNA. Si stima che oltre il 60% dei geni umani produca due o più proteine mediante questo meccanismo. Il meccanismo dello splicing alternativo consente agli eucarioti di ottenere diversi tipi di mRNA maturo da uno stesso trascritto primario: in questo modo ,a partire dalla stessa sequenza genica si possono ottenere proteine differenti nei diversi tipi cellulari. Come sappiamo ,i trascritti primari eucariotici contengono particolari sequenze, dette introni , che vengono rimosse , mentre le restanti sequenze,dette esoni si assemblano(splicing) per formare l’mRNA maturo.Lo splicing alternativo si basa sull’eliminazione selettiva ,oltre che degli introni , di alcuni esoni. 4) Regolazione post-traduzionale Una volta che la traduzione si è conclusa , le proteine devono essere attivate per diventare funzionali:spesso avviene eliminando una parte della catena proteica(clivaggio) .Un es. è rappresentato dalla proinsulina , che è convertita nell’ormone attivo, insulina, dopo il taglio di 33aa. Dopo la traduzione,inoltre, le proteine possono essere demolite avviandole verso il proteosoma,un complesso proteico che ha il ruolo di degradarle. L’eliminazione avviene per mezzo dell’ubiquitina, un enzima che,legandosi alle proteine da demolire le segnala al proteosoma. Es: La regolazione genica è il processo che permette ad una cellula di esprimere un determinato gruppo di geni in un contesto e di silenziarne altri. Per esempio, una cellula nervosa di coniglio ha lo stesso genoma di una cellula muscolare dello stesso coniglio, eppure le due cellule sono diverse, sia a livello funzionale che morfologico. Questo è dovuto al fatto che non tutti i geni sono sempre espressi: la cellula nervosa ne attiverà alcuni silenziandone altri, e lo stesso farà la cellula muscolare con altri geni. Questo porta a sottolineare che le cellule di uno stesso organismo che fanno parte di tessuti diversi presentano lo stesso genoma (perché hanno origine comune, ad esempio tutte le cellule umane hanno origine dalla divisione per mitosi di un'unica cellula: lo zigote), ma differente proteoma, cioè una differente serie di proteine prodotte a seguito dell'espressione selettiva di un gene o gruppo di geni. Questo è il processo su cui si fonda la differenziazione all'interno di organismi eucarioti pluricellulari. Una cellula tumorale esprime geni all'infuori del contesto in cui è sita, e nel caso di un tumore maligno, spesso perde le caratteristiche istologiche di quel determinato tessuto, quindi capirne i processi della regolazione genica potrebbe aiutare a curare i tumori.