REGOLAZIONE DELL'ESPRESSIONE GENICA

La regolazione dell’espressione

genica

Le mutazioni possono cambiare il significato dei geni

• Qualsiasi variazione nella sequenza nucleotidica del DNA rispetto alla sua conformazione originale è detta

mutazione.

• Le mutazioni sono causate da errori nella duplicazione del DNA, da ricombinazione o da agenti mutageni.

C T T C A T

Emoglobina normale

DNA di emoglobina mutante

G A A G U A

Emoglobina dell’anemia falciforme DNA di emoglobina normale

mRNA mRNA

La sostituzione, l’inserzione o la delezione di nucleotidi

alterano un gene con varie conseguenze sull’organismo.

Gene normale mRNA

Sostituzione di una base azotata

Delezione di una base azotata Mancante

Met Lys Phe Gly Ala

Met Lys Phe Ser Ala

Met Lys Leu Ala His

A U G A A G U U U G G C G C A A U G A A G U U U A G C G C A A U G A A G U U G G C G C A U U Proteina

MUTAZIONI PUNTIFORMI

Le mutazioni indotte sono

invece prodotte dall'azione di particolari agenti fisici o chimici detti appunto agenti mutageni. Sostituzione delle basi con molecole con struttura analoga a quelle comunemente presenti nel DNA ma che formano

appaiamenti diversi e quindi errati. Aggiunta di gruppi sostituenti alle basi azotate: anche in questo caso generando molecole con capacità di appaiamento non corrette.

Danneggiamento delle basi: rompendo legami o aggiungendone di nuovi rispetto alla condizione normale

Cellula Diversi tessuti umani sono formati da cellule che si comportano in modo diverso

Ogni cellula contiene una esatta copia del

genoma (che non e’ altro che l’intera sequenza del DNA dell’organismo)

All’interno del nucleo della cellula ci sono i cromosomi: 22 paia di autosomi e un paio di

cromosomi sessuali XY

Nei cromosomi si possono individuare porzioni di DNA codificante chiamati geni

La genomica

Il Progetto Genoma Umano

Il Progetto Genoma Umano (Detto anche HUGO, Acronimo di HUman Genome Organization) è un progetto

internazionale di ricerca. Lo scopo del progetto è di mappare il genoma umano, ovvero descrivere la struttura, la posizione e la funzione dei circa 30.000 geni (25.000 secondo le ultime ricerche) che caratterizzano la specie umana

•

Il genoma umano comprende circa 35 000 geni

che codificano per varie proteine, nonché per i

tRNA e gli rRNA.

•

Oltre a questi geni, come quello della maggior

parte degli eucarioti complessi, il genoma

umano include un’enorme quantità di DNA non

codificante (circa il 97% del totale).

Il Genoma umano in numeri

• 23 paia di cromosomi;

• circa 2 metri di DNA;

• 3,000,000,000 di paia di basi azotate;

• 20,000-50,000 geni.

• Nella porzione di DNA non codificante sono comprese le sequenze regolatrici, come i promotori e gli enhancer.

• Il restante DNA, che comprende gli introni, e il DNA non

codificante localizzato tra i geni, è stato chiamato junk DNA, ossia «DNA spazzatura».

Geni contenuti in una cellula umana

Geni per sintetizzare RNA

Geni per proteine

Ogni cellula in un determinato momento esprime solo una piccola parte di

questo potenziale (_˜ 5000 geni)

Geni costitutivi o housekeeping Geni tessuto - specifici

metabolismo biosintesi membrana istoni ribosomali DIFFERENZIAMENTO CELLULARE

Il Genoma umano

Perché ci sono cellule different

Se ogni cellula contiene una copia dell’intero genoma

ma le cellule sono di diversi tipi (cellule muscolari, cellule cardiache, cellule della pelle, cellule del sangue …)

Che cosa le rende differenti ?

per comprenderlo si studia

l’Espressione genica differenziale cioè

Il processo di differenziamento dà origine a una grande varietà di cellule specializzate

• _{Durante le ripetute}

divisioni cellulari che portano uno zigote a diventare un organismo pluricellulare adulto, le singole cellule vanno incontro al

differenziamento e diventano cellule specializzate nella

struttura e nelle funzioni.

•

Differenti tipi di cellule umane producono differenti

tipi di proteine a seconda delle combinazioni di

geni che sono attivi in ciascuna di esse.

•

A seconda dei geni attivi, ciascuna cellula assume

una specifica struttura e funzione.

Cellule muscolari Cellule del pancreas Cellule del sangue

Differenziamento cellulare

Radice di una pianta di carota

Cellule radicali

coltivate in una soluzione

Le cellule

si dividono Germoglio Pianta adulta Singola cellula

Le cellule differenziate possono conservare tutto il

loro potenziale genetico

Le cellule differenziate esprimono solo una piccola

percentuale dei loro geni.

Spiralizzazione del DNA in un cromosoma eucariotico:

Doppia elica di DNA (2 nm di diametro) Istoni Linker «Perle di una collana» Nucleosoma (10 nm di diametro)

Fibra elicoidale compatta

(30 nm di diametro) Superavvolgimento (300 nm di diametro)

Cromosoma in metafase 700 nm T E M T E M

• _{Questa fibra elicoidale compatta}

si avvolge e ripiega ulteriormente.

• _{Presumibilmente, la}

spiralizzazione del DNA

impedisce l’espressione dei geni in quanto non consente

all’enzima RNA-polimerasi (e ad altre proteine che

contribuiscono alla trascrizione) di prendere contatto con il DNA.

Un nucleosoma è formato da un filamento di DNA avvolto attorno a un nucleo proteico centrale costituito da otto istoni

.

L’avvolgimento del DNA intorno agli istoni consente

l’impacchettamento di 176 cm di DNA in un nucleo del diametro di pochi µm

Gli istoni sono proteine cariche positivamente. Essi

interagiscono con il DNA, che è carico negativamente per

l'abbondanza di gruppi fosfato. Ciascun istone presenta una lunga

coda che si estende fuori dal nucleosoma, queste code possono subire numerose modificazioni che influiscono sulla struttura della cromatina, ad esempio facilitando la

trascrizione di un gene oppure contribuendo alla sua inibizione

La cromatina è formata da DNA, avvolto su gruppi di istoni (proteine basiche), formando un nucleosoma, e da proteine non-istoniche (proteine neutre o acide); essa è poi ripiegata in vario modo

eucromatina: meno condensata e corrisponde a zone in cui vi è un'intensa attività di trascrizione per la sintesi proteica

eterocromatina: più condensata, non sembra presentare attività di trascrizione.

Telomeri

Il telomero è la regione terminale del cromosoma, da cui deriva il nome stesso, composta di DNA altamente ripetuto, che non codifica per alcun prodotto

proteico.

Ha un ruolo determinante nell'evitare la perdita di informazioni durante la duplicazione dei cromosomi. La DNA polimerasi, infatti, non è in grado di

replicare il cromosoma fino alla sua terminazione; se non ci fossero i telomeri, che quindi vengono accorciati ad ogni replicazione, la replicazione del DNA comporterebbe in ogni occasione una significativa perdita di informazione genetica

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controllo trascrizionale: legame di fattori trascrizionali tessuto specifici, legame diretto di ormoni, fattori di crescita o elementi intermedi a elementi risponsivi di geni inducibili

controllo post-trascrizionale: splicing

alternativo, polyA alternativo, RNA editing tessuto-specifico

controllo del trasporto

mRNA

controllo della stabilità

degradazione traduzione

PROTEINA

controllo post-traduzionale

PROTEINA attiva o inattiva

DNA Meccanismi epigenetici: controllo a lungo raggio mediante rimodellamento della struttura della cromatina Trascritto primario mRNA controllo traduzionale CITOPLASMA

Negli eucarioti la trascrizione è controllata da complessi aggregati di proteine

• Vi sono proteine di regolazione che, legandosi al DNA, attivano o disattivano la trascrizione.

• I meccanismi di controllo comprendono proteine che si legano a segmenti specifici del DNA (con sistemi più complessi di quelli dei procarioti).

I fattori di trascrizione

Alcune proteine di regolazione, chiamate fattori di trascrizione, favoriscono l’inizio della trascrizione.

Intensificatori _Promotore Gene DNA Induttori Altre proteine Fattori di trascrizione RNA-polimerasi Ripiegamento del DNA Trascrizione Controllo durante la trascrizione

La coordinazione dell’espressione genica negli eucarioti

•

Negli eucarioti la coordinazione dell’espressione

genica sembra dipendere dalla presenza di una

specifica sequenza enhancer.

sequenze nucleotidiche che esplicano la loro funzione aumentando notevolmente (fino a 200 volte) la

frequenza di trascrizione del gene che

•

Diverse copie di fattori di trascrizione che

riconoscono queste sequenze di DNA si legano a

esse promuovendo la trascrizione simultanea dei

geni.

L’RNA eucariotico viene modificato prima di lasciare

il nucleo

•

Il tipo di RNA che codifica per le sequenze di

amminoacidi è detto RNA messaggero (mRNA).

•

_{Le regioni di geni non codificanti, chiamate}

introni

(cioè «sequenze che interrompono»),

vengono rimosse.

•

_Gli

_esoni

_{(le regioni codificanti) si uniscono per}

produrre una singola molecola codificante di

mRNA. Questo processo è chiamato splicing.

i segmenti non codificanti (introni) vengono rimossi grazie al processo di splicing.In alcuni casi la cellula svolge lo splicing in maniera differente (splicing alternativo) e genera diverse molecole di mRNA a partire dallo stesso trascritto di RNA.

DNA Trascritto di RNA Esone oppure Splicing dell’RNA

Anche la traduzione e le ultime fasi dell’espressione

genica sono soggette a regolazione

Dopo che l’RNA è stato modificato e trasferito dal nucleo

al citoplasma, avvengono altre forme di controllo

dell’espressione genica:

•

demolizione più o meno rapida dell’mRNA;

•

attivazione della traduzione;

•

modificazione dei polipeptidi tradotti;

•

_{demolizione delle proteine.}

L’attivazione delle proteine

I polipeptidi che si formano dopo la traduzione non

sempre sono già pronti ad agire: spesso devono essere

modificati per diventare funzionali.

Ripiegamento del polipeptide

e formazione dei legami S—S Taglio

SH SH SH S H S S S S S S S S S S S S Polipeptide iniziale (inattivo) Polipeptide ripiegato (inattivo) Insulina (ormone attivo) SH SH

Una visione d’insieme dell’espressione genica negli eucarioti I molteplici meccanismi che controllano l’espressione genica sono analoghi alle valvole di controllo delle tubazioni.

Il Dogma Centrale della biologia molecolare (Crick, 1957)

Affermava che

L’ espressione dell’informazione genetica contenuta nelle molecole di

DNA, avviene in due stadi e determina una data proteina a partire da un dato segmento di DNA:

–(i) trascrizione, durante la quale il DNA è trascritto in mRNA

–(ii) traduzione, durante la quale l’ mRNA è tradotto per produrre la proteina associata

Sperimentalmente sono stati identificati ~ 10.000 geni

Un singolo gene solitamente è implicato in più di una

funzione biologica

Solo una piccola parte dei ~ 10.000 geni identificati ha almeno una funzione certa

Ma il dogma centrale della biologia è stato messo in dubbio

dalle ricerche successive sui processi di controllo dell’espressione genica e oggi si deve comprendere :

2) La regolazione genica

Si ipotizza che geni espressi in modo simile nelle stesse condizioni

sperimentali siano regolati da promotori (sequenze che

precedono il gene) simili

Si suppone che geni regolati dalle stesse proteine siano coinvolti negli stessi processi biologici (e che quindi abbiano funzioni