Capitolo 11 Il controllo dell espressione genica

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1 Capitolo 11 Il controllo dell espressione genica

2 La regolazione genica nei procarioti e negli eucarioti 11.1 Le proteine che interagiscono con il DNA attivano e disattivano i geni dei procarioti in risposta ai cambiamenti ambientali I primi risultati nel campo del controllo genico furono ottenuti grazie a esperimenti condotti sul batterio Escherichia coli. Figura 11.1A Colorizzata SEM 7000

3 L operone del lattosio Spesso, nei procarioti, i geni con funzioni interconnesse sono aggregati in strutture chiamate operoni. Il vantaggio principale che deriva dal raggruppare i geni in operoni è che l espressione di questi geni può essere facilmente coordinata.

4 Proteine di regolazione si legano a sequenze di controllo nel DNA e attivano o disattivano gli operoni in risposta a cambiamenti ambientali. OPERONE DNA Gene regolatore Promotore Operatore Geni per metabolizzare il lattosio mrna Proteina Operone del lattosio disattivato (lattosio assente) Repressore attivo L RNA-polimerasi non può attaccarsi al promotore DNA mrna Proteina L RNA-polimerasi si lega al promotore Figure 11.1B,C Lattosio Repressore inattivo Operone del lattosio attivato (il repressore è disattivato dal lattosio) Enzimi per l utilizzo del lattosio

5 Altri tipi di operone L operone trp è simile all operone del lattosio (operone lac) ma funziona in modo un po differente. Questo operone controlla la sintesi degli enzimi per la produzione del triptofano. DNA Promotore Operatore Geni Repressore attivo Repressore attivo Triptofano Figura 11.1D Repressore inattivo Operone lac Lattosio Repressore inattivo Operone trp

6 11.2 Il processo di differenziamento dà origine a una grande varietà di cellule specializzate La regolazione dell espressione genica negli organismi eucariotici, soprattutto nei pluricellulari, è più complicata che nei batteri. 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.

7 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. Figura 11.2 Cellule muscolari Cellule del pancreas Cellule del sangue

8 11.3 Le cellule differenziate possono conservare tutto il loro potenziale genetico Le cellule differenziate esprimono solo una piccola percentuale dei loro geni. Radice di una pianta di carota Singola cellula Figura 11.3 Cellule radicali coltivate in una soluzione nutritiva Le cellule si dividono Germoglio nel terreno di coltura Pianta adulta

9 11.4 Il modo in cui il DNA si ripiega all interno dei cromosomi eucariotici contribuisce a regolare l espressione genica Un nucleosoma è formato da un filamento di DNA avvolto attorno a un nucleo proteico centrale costituito da otto istoni.

10 Spiralizzazione del DNA in un cromosoma eucariotico: Doppia elica di DNA (2 nm di diametro) Istoni Linker «Perle di una collana» TEM Nucleosoma (10 nm di diametro) Fibra elicoidale compatta Superavvolgimento (30 nm di diametro) (300 nm di diametro) Figura 11.4 TEM Cromosoma in metafase 700 nm

11 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.

12 11.5 Nelle femmine dei mammiferi uno dei due cromosomi X è disattivato in tutte le cellule Nelle femmine dei mammiferi uno dei due cromosomi X si presenta fortemente condensato in tutte le cellule somatiche e quasi del tutto inattivo (disattivazione del cromosoma X). Embrione Cromosomi X Divisione cellulare e inattivazione casuale del cromosoma X Due cellule nella popolazione adulta X attivo X inattivo Pelo arancione Figura 11.5 Allele per il pelo Allele per arancione il pelo nero X inattivo X attivo Pelo nero

13 11.6 Negli eucarioti la trascrizione è controllata da complessi aggregati di proteine Come i procarioti, anche gli eucarioti utilizzano 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).

14 I fattori di trascrizione Alcune proteine di regolazione, chiamate fattori di trascrizione, favoriscono l inizio della trascrizione. Intensificatori Promotore Gene DNA Fattori di trascrizione Induttori Altre proteine RNA-polimerasi Ripiegamento del DNA Figura 11.6 Trascrizione

15 La coordinazione dell espressione genica negli eucarioti Negli eucarioti la coordinazione dell espressione genica sembra dipendere dalla presenza di una specifica sequenza enhancer (o di diversi enhancer) in ogni gene che fa parte dello stesso «gruppo di lavoro». Diverse copie di fattori di trascrizione che riconoscono queste sequenze di DNA si legano a esse promuovendo la trascrizione simultanea dei geni.

16 11.7 L RNA eucariotico può essere modificato in vari modi Completata la trascrizione, i segmenti non codificanti (introni) vengono rimossi grazie al processo di splicing. In alcuni casi la cellula svolge lo splicing in maniera differente e genera diverse molecole di mrna a partire dallo stesso trascritto di RNA. Esone DNA Trascritto di RNA Splicing dell RNA oppure Figura 11.7 mrna

17 11.8 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.

18 La degradazione dell mrna Le molecole di mrna non sono eterne: nel citoplasma si trovano, infatti, degli enzimi che hanno il compito di degradarle. Il tempo di sopravvivenza delle molecole di mrna è un fattore importante che regola la quantità di proteine assemblate dalla cellula.

19 L innesco della traduzione Anche il processo di traduzione dell mrna in polipeptidi offre una possibilità di regolazione genica. Tra le molecole coinvolte nella traduzione vi sono numerose proteine che hanno la funzione di regolare l inizio della sintesi proteica.

20 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. SH SH SH SH SH Ripiegamento del polipeptide e formazione dei legami S S S S S S Taglio S S S S SH S S S S Polipeptide iniziale (inattivo) Figura 11.8 Polipeptide ripiegato (inattivo) Insulina (ormone attivo)

21 La demolizione delle proteine Un altro meccanismo di controllo che opera dopo la traduzione è la demolizione selettiva delle proteine. Alcune proteine che controllano il tasso metabolico delle cellule vengono demolite in pochi minuti o in poche ore.

22 11.9 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. Figura 11.9

23 La clonazione degli animali Gli animali possono essere clonati tramite trasferimento nucleare Nucleo della cellula del donatore Cellula del donatore Impianto della blastocisti in una madre surrogata Nascita di un clone del donatore (clonazione riproduttiva) Rimozione Inclusione del Accrescimento in coltura del nucleo nucleo di una cellula per produrre una blastocisti dalla cellula uovo somatica del donatore adulto Figura Cellule staminali embrionali si sviluppano dalla blastocisti e crescono in coltura Formazione di cellule specializzate a partire dalle cellule staminali (clonazione terapeutica)

24 COLLEGAMENTI La clonazione terapeutica può produrre cellule staminali che hanno grandi potenzialità mediche La clonazione riproduttiva dei mammiferi è utile per la ricerca, l agricoltura e la medicina. L uso di cellule staminali embrionali è però correlato a problemi di natura tecnica e di ordine etico, connessi all utilizzo di embrioni umani. Figura 11.11A

25 Le cellule staminali adulte sono cellule indifferenziate presenti in molti tessuti adulti che sostituiscono le cellule che non sono in grado di dividersi. Anche le cellule staminali adulte possono crescere in coltura e dare origine a cellule differenziate. Cellule staminali adulte nel midollo osseo Cellule ematiche Colture di cellule staminali embrionali Figura 11.11B Diverse condizioni di coltura Cellule nervose Cellule muscolari del cuore Diversi tipi di cellule differenziate

26 Contrariamente alle cellule embrionali staminali, le cellule staminali adulte si trovano già sulla strada del differenziamento ed è molto più difficile isolarle e coltivarle in laboratorio. Normalmente le cellule staminali adulte danno origine solo a un gruppo limitato di tipi di cellule. Un terzo modo per ottenere cellule staminali è quello di prelevarle dal sangue del cordone ombelicale o dalla placenta al momento del parto.

27 Il controllo genetico dello sviluppo embrionale Le reazioni in sequenza dell espressione genica e la comunicazione cellulare dirigono lo sviluppo di un animale Le prime intuizioni sulle relazioni esistenti tra espressione genica e sviluppo embrionale scaturirono studiando i mutanti dei moscerini della frutta (Drosophila melanogaster). Occhio Antenna Figura 11.12A Capo di un moscerino della frutta normale SEM 50 Zampa Capo di un moscerino della frutta mutante

28 Un gradiente di espressione genica controlla lo sviluppo del moscerino della frutta a partire dalla cellula uovo fecondata: Figura 11.12B

29 Un gene omeotico (detto anche omeogene) è il gene di controllo principale che regola una serie di altri geni adibiti allo sviluppo del piano strutturale di un organismo. Un gruppo di geni omeotici dei moscerini della frutta ordina alle cellule dei segmenti del capo e del torace (la parte centrale del corpo) di formare rispettivamente le antenne e le zampe.

30 11.13 Sequenze di trasduzione del segnale trasformano i messaggi ricevuti dalla membrana plasmatica in reazioni di risposta all interno della cellula Uno dei fattori più importanti nello sviluppo di un organismo è la comunicazione tra cellule, un meccanismo con cui certe proteine o altri tipi di molecole portano i messaggi dalle cellule che li trasmettono alle cellule (bersaglio) che li ricevono. Questo consente di coordinare meglio le attività cellulari in un organismo adulto.

31 Una sequenza di trasduzione del segnale trasforma un segnale che arriva sulla membrana di una cellula bersaglio in una risposta specifica all interno della cellula. Cellula che trasmette il segnale Molecola segnale 1 Cellula bersaglio 2 Fattore di trascrizione (attivato) 4 Recettore proteico 3 Membrana plasmatica Ripetitori proteici Nucleo DNA 5 mrna Trascrizione Nuova proteina Figura Traduzione

32 11.14 I geni che sono alla base dello sviluppo sono molto antichi I geni omeotici del moscerino della frutta contengono sequenze di nucleotidi, chiamate homeobox, che sono molto simili in molti tipi di organismi eucarioti. Cromosoma del moscerino Cromosomi del topo Embrione di moscerino (10 ore)embrione di topo (12 ore) Figura Moscerino adulto Topo adulto

33 Le basi genetiche del cancro Il cancro si può scatenare a causa di mutazioni di geni che controllano la divisione cellulare Le cellule tumorali, che si dividono in modo incontrollato, derivano da mutazioni in geni codificanti per proteine che influiscono sul ciclo cellulare. Le cellule possono diventare cancerose se il loro ciclo è alterato a causa dell espressione di oncogèni di origine virale o dovuti a mutazioni causate da agenti cancerogeni.

34 Le mutazioni genetiche possono provocare il cancro L apoptosi (morte cellulare programmata) è un meccanismo molto importante per la prevenzione della cancerogenesi. Nel cancro la cellula perde il controllo del ciclo cellulare a causa di mutazioni di due tipi di geni: i protoncogeni, che codificano per proteine che promuovono il ciclo cellulare e inibiscono l apoptosi; i geni soppressori dei tumori, che codificano per proteine che inibiscono il ciclo cellulare e favoriscono l apoptosi. 18 Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia Zanichelli editore, 2012

35 I proto-oncogèni I proto-oncogèni sono geni che possono essere trasformati in ocogèni da una mutazione nel DNA. I proto-oncogèni codificano per i fattori di crescita (le proteine che stimolano la divisione cellulare) e per altre proteine che li regolano. DNA del Proto-oncogène Mutazione all interno del gene Copie multiple del gene Il gene si è spostato verso un nuovo locus del DNA e viene regolato da nuovi geni di controllo Oncogène Nuovo promotore Figura 11.15A Proteina iperattiva in quantità normale Proteina normale in eccesso Proteina normale in eccesso

36 Gli oncosoppressori Il cancro può essere indotto anche da alterazioni dei geni (detti oncosoppressori) i cui prodotti inibiscono la divisione cellulare. Gene oncosoppressore Gene oncosoppressore mutato Proteina normale Proteina alterata Divisione cellulare controllata Divisione cellulare incontrollata Figura 11.15B

37 11.16 Le proteine codificate dagli oncogeni e gli oncosoppressori alterati interferiscono con le normali sequenze di trasduzione del segnale I prodotti normali degli oncogèni e dei geni soppressori sono proteine coinvolte nelle sequenze di trasduzione del segnale.

38 Le proteine degli oncogèni possono stimolare la sequenza di trasduzione del segnale: Fattore di crescita Cellula bersaglio Prodotto normale del gene ras Ripetitori proteici Recettore Ripetitore proteico iperattivo (prodotto da un oncogène) inv ia i segnali autonomamente Fattore di trascrizione (attivato) DNA Nucleo Trascrizione Figura 11.16A Proteina che stimola la divisione cellulare Traduzione

39 Le proteine degli oncosoppressori possono inibire la sequenza di trasduzione del segnale: Fattore che inibisce la crescita Ripetitori proteici Fattore di trascrizione (attivato) Recettore Fattore di trascrizione non funzionante (prodotto dal gene oncosoppressore p53) non può attivare la trascrizione. Prodotto normale del gene p53 Trascrizione Figura 11.16B Proteina che inibisce la divisione cellulare Traduzione Assenza delle proteine (divisione cellulare non inibita)

40 11.17 Lo sviluppo del cancro ha origine da mutazioni genetiche multiple Perché si abbia un completo sviluppo del cancro, è necessario che si verifichi più di una mutazione nelle cellule somatiche.

41 Le mutazioni che conducono all insorgenza di un tumore possono accumularsi in una linea di cellule somatiche: Cromosomi mutazione mutazioni mutazioni mutazioni Cellula normale Cellula maligna Figura 11.17B

42 Il cancro procede lentamente e diventa maligno gradualmente La cancerogenesi, ossia lo sviluppo di un tumore maligno, richiede l intervento di numerose mutazioni; il processo risulta quindi graduale. 22 Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia Zanichelli editore, 2012

43 Le cellule del tumore rilasciano fattori di crescita che promuovono l angiogenesi, ossia la formazione di nuovi vasi sanguigni. Le cellule tumorali invadono anche i vasi linfatici e sanguigni, e vengono così trasportate ad altre parti del corpo. Quando le cellule cancerose danno origine a nuovi tumori in distretti lontani dal tumore originario, si dice che il cancro è in metastasi. 23 Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia Zanichelli editore, 2012

44 COLLEGAMENTI Evitare l esposizione agli agenti cancerogeni può ridurre il rischio del cancro Gli agenti che causano il cancro, cioè i fattori che alterano il DNA e rendono una cellula cancerosa, sono detti cancerogeni. Evitare l esposizione agli agenti cancerogeni e scegliere altri stili di vita può aiutare a ridurre il rischio di cancro.

45 Fattori di rischio del cancro nei paesi sviluppati: Tabella 11.18

46 La terapia del cancro tende a colpire le cellule malate in modo selettivo La diagnosi del cancro richiede un attenta valutazione della salute generale e un esame medico del paziente (esami del sangue e delle urine, indagini per immagini, biopsia, esami endoscopici e chirurgici, test genetici). L asportazione chirurgica è indicata per i cancri in situ, ma visto il rischio di lasciare alcune cellule malate, gli interventi sono spesso preceduti e/o seguiti da chemioterapia e/o radioterapia. La chemioterapia è il trattamento del cancro con farmaci e tende ad agire in modo selettivo sulle cellule cancerose. La radioterapia si basa sull uso di radiazioni ionizzanti che colpiscono con forte energia le cellule cancerose danneggiandole o distruggendole. 24 Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia Zanichelli editore, 2012