IL CONTROLLO DELL ESPRESSIONE GENETICA

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1 IL CONTROLLO DELL ESPRESSIONE GENETICA INDICE Scopo della regolazione genica Geni costitutivi e non costitutivi Regolazione genica dei procarioti Il modello dell operone Operone del triptofano e del lattosio Regolazione genica negli eucarioti Cromosoma eucariote Splicing Regolazione della traduzione Link a: sintesi proteica nei procarioti, geni strutturali, geni regolatori

2 La regolazione genica La regolazione genica è il processo che permette alla cellula di esprimere alcuni geni e di silenziarne altri Nel 2002 Sydney Brenner fu insignito del premio Nobel per la Medicina. I suoi studi sulla regolazione genica hanno aperto la strada alla comprensione dei meccanismi cellulari che portano alla formazione di un organismo adulto

3 Geni costitutivi e non costitutivi Nel genoma sono presenti geni costitutivi e geni non costitutivi: Geni costitutivi (housekeeping) sono sempre attivi esprimono proteine indispensabili alla cellula per tutto l arco della loro vita L espressione dei geni non costitutivi è sottoposta a diversi meccanismi di regolazione

4 Importanza della regolazione genica Sia nei procarioti che negli eucarioti i meccanismi di regolazione genica consentono alle cellule di rispondere alla variazione degli stimoli provenienti dall esterno Per non sprecare energia ogni cellula sintetizza solo le proteine necessarie in quel momento Negli organismi più complessi ogni tessuto si specializza per svolgere una determinata funzione e non sono espressi i geni che codificano per altre funzioni

5 Regolazione nei procarioti La regolazione genica nei procarioti avviene durante la sintesi proteica, prevalentemente a livello di trascrizione La trascrizione ha inizio quando l RNA-polimerasi si lega a una sequenza denominata promotore Esistono geni regolatori che codificano per molecole in grado di impedire o facilitare il legame dell RNA-polimerasi con il promotore L insieme dei geni che vengono regolati in modo strettamente coordinato è chiamato operone

6 Operone Secondo il modello di F. Jacob e J. Monod, un operone è un sistema costituito da: un promotore, un operatore e uno o più geni strutturali. L operone è controllato dal gene regolatore

7 Operone del triptofano I geni strutturali dell operone triptofano codificano per gli enzimi che catalizzano la sintesi di questo amminoacido. Quando il triptofano è presente, non è necessario produrlo: il repressore si lega all operatore e la trascrizione è bloccata

8 Operone del lattosio I geni strutturali dell operone del lattosio sintetizzano enzimi necessari per la sua demolizione. Quando è presente il lattosio, il repressore libera l operatore e la trascrizione è attivata

9 Differenziamento negli eucarioti pluricellulari Negli eucarioti le cellule specializzate dei vari tessuti contengono tutte lo stesso genoma ma il proteoma è diverso, cioè le cellule esprimono proteine differenti Il differenziamento cellulare consiste quindi nell attivazione di geni differenti arancione = gene attivo violetto = gene inattivo

10 Espressione del genoma eucariote Cellule di organismi della stessa specie contengono la stessa quantità di DNA. Nel genoma umano solo il 2% del DNA di ogni cellula codifica per le proteine

11 Espressione genica negli eucarioti Nelle cellule eucariote, soprattutto negli organismi pluricellulari, i meccanismi della regolazione genica sono molto più complessi che nelle cellule procariote e si realizzano in vari modi: favorendo o impedendo la trascrizione del DNA rielaborando il trascritto primario dell mrna inibendo la traduzione

12 Regolazione della sintesi proteica Nelle cellule eucariote la trascrizione e la traduzione avvengono separatamente nel tempo e nello spazio Il trascritto primario di RNA subisce un processo di maturazione detto splicing Da un singolo gene si possono formare diversi mrna (splicing alternativo)

13 Gene eucariote Un gene eucariote è costituito da un promotore, da un sito di riconoscimento per l RNA polimerasi, e da sequenze codificanti (esoni) e non codificanti (introni)

14 Promotore degli eucarioti Il promotore controlla la trascrizione tramite un complesso sistema costituito da una sequenza nucleotidica ricca di timina (T) e adenina (A), dal TATA box, da fattori di trascrizione (GTF) e da un sito di riconoscimento per l RNA polimerasi II

15 Enhancer e silencer A monte del promotore si trovano siti regolatori chiamati: enhancer silencer che sono posti sotto il controllo di proteine dette: attivatori inibitori

16 Ruolo del mediatore Spesso i siti enhancer e silencer si trovano lontani dal sito di attacco dell RNA-polimerasi e, pertanto, interviene un mediatore che mette in comunicazione questi geni

17 Maturazione dell RNA mediante splicing Tutto il gene viene trascritto in mrna Viene aggiunto un cappuccio necessario per indirizzare l mrna sui ribosomi e una coda di poli A Vengono rimossi gli introni, e gli esoni si legano tra loro formando l mrna maturo

18 Spicing alternativo Il processo di splicing può avere diverse varianti: l informazione portata da un gene può infatti determinare la formazione di RNA maturi diversi e la conseguente sintesi di polipeptidi differenti (spicing alternativo)

19 Regolazione a livello della traduzione Anche la traduzione può essere regolata; per esempio, è possibile ostacolare l attacco dell mrna ai ribosomi tramite: la modificazione della sequenza di attacco (chiamata sequenza leader) l attivazione di un repressore che si lega all mrna impedendone la lettura da parte dei ribosomi

20 Sintesi proteica nei procarioti Nei procarioti quasi tutto il DNA viene espresso e i processi di trascrizione e di traduzione avvengono quasi simultaneamente

21 Caratteristiche della sintesi proteica dei procarioti I gruppi di geni strutturali vengono spesso trascritti in un singolo filamento di mrna La traduzione può avvenire a partire dall estremità 5 anche quando la molecola di mrna è ancora in fase di trascrizione L RNA trascritto è distrutto velocemente Più polipeptidi sono sintetizzati contemporaneamente

22 Geni strutturali Il gene strutturale è un segmento di DNA che codifica per un polipeptide Nel cromosoma batterico i geni strutturali portano spesso l informazione per funzioni correlate e lavorano in sequenza Sono esempi di geni strutturali quelli che codificano per i polipeptidi che costituiscono un particolare enzima o quelli che codificano per gli enzimi che fanno parte di una sequenza biochimica

23 Geni regolatori I GENI REGOLATORI CODIFICANO PER: REPRESSORI ATTIVATORI Effettuano un controllo negativo impedendo la trascrizione Effettuano un controllo positivo favorendo la trascrizione

24 Regolazione del repressore IL REPRESSORE PUÒ ESSERE: attivato da un corepressore Il triptofano è un corepressore: attiva il repressore e blocca la trascrizione inattivato da un induttore Il lattosio è un induttore: disattiva il repressore e avvia la trascrizione

25 Caratteristiche del cromosoma eucariote Per genoma si intende il corredo di cromosomi contenuto in ogni cellula di un organismo Nelle cellule eucariote i cromosomi sono formati da una doppia elica di DNA che si avvolge intorno a proteine dette istoni, costituendo una struttura chiamata nucleosoma I nucleosomi si dispongono in maniera compatta formando un lungo filamento che si attorciglia più volte su se stesso assumendo varie configurazioni di diverso diametro

26 Eucromatina ed eterocromatina L eucromatina è la forma di DNA despiralizzato, che viene trascritto L eterocromatina è la forma di DNA compatto, che non viene trascritto Durante la divisione cellulare, per esempio, il compattamento è massimo e la trascrizione non avviene Un cromosoma durante la divisione

27 I VIRUS INDICE Caratteristiche dei virus: il capside e il genoma virale Classificazione virale Fasi del ciclo riproduttivo Ciclo litico e ciclo lisogeno Latenza Retrovirus Virus e ricombinazione genica Link a: trascrittasi inversa e vaccino

28 I virus: caratteristiche generali I virus sono microrganismi costituiti da un involucro proteico detto capside che contiene il materiale genetico

29 I virus: caratteristiche generali I virus: sono visibili soltanto al microscopio elettronico e, pertanto, è stato possibile identificarli solo alla fine degli anni 30 non contengono citoplasma né dispositivi metabolici sono parassiti obbligati in quanto possono riprodursi solo all interno di una cellula viva

30 Alcuni esempi di virus Virus del Mosaico del tabacco Adenovirus (virus dell influenza)

31 Altri esempi di virus Batteriofago T4

32 Capside Il capside può: essere costituito da un unica proteina che si ripete più volte o da proteine diverse avere sulla superficie glicoproteine che servono a riconoscere le cellule bersaglio Le forme più comuni sono: elicoidale, come quella del mosaico del tabacco icosaedrica, come quella del virus del raffreddore

33 Pericapside Il capside può essere avvolto da un rivestimento lipoproteico, detto pericapside (o envelope), che deriva dalla membrana della cellula ospite ed è composto da un doppio strato di fosfolipidi intervallati da numerose glicoproteine

34 Genoma virale Il genoma virale codifica le proteine del capside e uno o più enzimi che catalizzano la sua duplicazione; il genoma virale può essere costituito da DNA oppure da RNA a doppio filamento o a filamento singolo con disposizione lineare o circolare

35 Classificazione dei virus I virus si possono distinguere in base all organismo nel quale si riproducono in: batteriofagi (o fagi), che infettano i batteri virus vegetali, che infettano le cellule delle piante (come il virus del mosaico del tabacco) virus animali, che infettano le cellule animali (come Herpes virus che provoca la varicella)

36 Ciclo litico e lisogeno I principali gruppi virali utilizzano meccanismi di riproduzione specifici che si possono ricondurre a due modalità principali: il ciclo litico il ciclo lisogeno

37 Ciclo litico Nel ciclo litico la cellula ospite diventa una fabbrica di virus: dopo l ingresso nella cellula ospite, l acido nucleico e le proteine virali sono prodotti rapidamente sfruttando le strutture e l energia della cellula la cellula ospite si rompe e le particelle virali sono liberate all esterno

38 Ciclo lisogeno Nel ciclo lisogeno il genoma virale si integra nel cromosoma ospite Il genoma virale si duplica durante il processo di duplicazione della cellula ospite. Quando questa si divide, quindi, trasmette alle cellule figlie anche il DNA virale (che però non è espresso) Dopo migliaia di divisioni cellulari, il DNA virale può attivarsi, staccandosi dal cromosoma e dando inizio a un ciclo litico Il genoma virale integrato è chiamato profago, se la cellula ospite è un batterio, o provirus, se la cellula ospite è eucariote

39 Fasi del ciclo virale Entrambi i cicli riproduttivi sono caratterizzati da cinque fasi: attacco penetrazione replicazione maturazione liberazione

40 Ciclo riproduttivo dei virus: attacco L attacco (o adsorbimento) consiste nella formazione di un legame specifico tra molecole (in genere glicoproteine) presenti sulla superficie virale e molecole proteiche recettrici presenti sulla superficie della cellula ospite In tal modo solo alcuni tipi di cellule vengono infettate da un particolare virus: il virus del raffreddore, per esempio, attacca solo le cellule della mucosa nasale

41 Ciclo riproduttivo dei virus: penetrazione La penetrazione è l ingresso dell intera particella virale o l iniezione del solo acido nucleico all interno della cellula ospite La maggior parte dei fagi inocula il genoma all interno del batterio, lasciando all esterno le proteine del capside

42 Ciclo riproduttivo dei virus: penetrazione Quasi tutti i virus umani entrano nella cellula con il capside intatto In presenza del pericapside, questo si fonde con la membrana cellulare; altrimenti il virus può entrare per endocitosi

43 Ciclo riproduttivo dei virus: replicazione La replicazione consiste nella duplicazione del materiale genetico virale utilizzando le risorse energetiche e gli enzimi della cellula ospite La replicazione dell acido nucleico può avvenire con il materiale genetico virale separato da quello della cellula ospite (come si verifica nel ciclo litico) o inserito nel DNA della cellula ospite (come si verifica nel ciclo lisogeno)

44 Ciclo riproduttivo dei virus: maturazione Durante la maturazione sono sintetizzati i componenti strutturali del virus (capside, enzimi virali) Nel ciclo litico questa sintesi avviene subito dopo l infezione, mentre nel ciclo lisogeno il virus può rimanere latente (duplicarsi senza produrre nuove componenti strutturali del virus) anche a lungo

45 Ciclo riproduttivo dei virus: liberazione Fuoriuscita per gemmazione La liberazione dei virus dalla cellula può avvenire per gemmazione o per lisi cellulare I virus caratterizzati dalla presenza del pericapside fuoriescono per gemmazione (es. virus Ebola), i virus senza pericapside per lisi cellulare

46 Latenza I virus che integrano i loro geni all interno del DNA della cellula ospite sono di due tipi: virus a DNA e retrovirus a RNA Un esempio di virus a DNA che alterna lunghi periodi di latenza a brevi periodi riproduttivi è l Herpes simplex che viene attivato da fattori legati a stress fisico o emotivo Un esempio di retrovirus a RNA è il virus HIV che provoca la cosiddetta immunodeficienza umana, in quanto colpisce le cellule immunitarie (linfociti T)

47 Retrovirus L integrazione di un virus a RNA in un cromosoma costituito da DNA può avvenire grazie a un importante enzima virale: la trascrittasi inversa La trascrittasi inversa copia l RNA virale in un filamento singolo di DNA complementare (cdna) Dal cdna si origina una molecola di DNA a doppio filamento che si inserisce nel cromosoma della cellula ospite e si replica con essa Meccanismo d infezione di un retrovirus

48 Virus e ricombinazione genica Un virus batteriofago si può comportare da vettore e trasferire DNA da una cellula batterica a un altra, processo noto come trasduzione Durante il ciclo litico di molti virus il DNA batterico si spezza in frammenti Alcuni tratti di DNA batterico possono essere inglobati nei nuovi virus

49 Trasduzione generalizzata Se il virus infetta una nuova cellula batterica e non svolge la fase litica, i geni batterici trasportati dal virus possono essere incorporati nel DNA della nuova cellula ospite Questo processo è detto di trasduzione generalizzata poiché qualunque gene batterico può essere trasferito

50 Trasduzione specializzata Quando i profagi si staccano dal cromosoma ospite per iniziare un ciclo litico, possono portarsi dietro un frammento del cromosoma batterico contiguo al sito d inserzione del profago. In questo caso si parla di trasduzione specializzata, perché solo la porzione di DNA adiacente al DNA virale può essere trasferita

51 Trasduzione specializzata Una successiva infezione porta all inserzione, nel nuovo genoma batterico, di geni provenienti dal primo ospite I geni trasferiti sono quelli situati nella zona contigua all inserzione del profago, per questo la trasduzione è detta specializzata

52 Trascrittasi inversa È un enzima virale in grado di sintetizzare DNA a partire da uno stampo di RNA Fu scoperto nel 1975 da Howard Temin e da David Baltimore (premi Nobel per la medicina) Ha una frequenza di errore di copiatura piuttosto alta, circa 1 ogni 2000 basi, quindi la frequenza di mutazione è elevata A causa dell'elevato tasso di mutazione dei retrovirus, la ricerca scientifica non è ancora riuscita a mettere a punto un vaccino o un farmaco capace di debellare tali virus

53 Vaccino Il vaccino è un preparato contenente materiale costituito da microrganismi o parti di essi, trattati in modo da perdere le proprietà infettive, ma non la capacità di stimolare nel soggetto ricevente la produzione di anticorpi Gli anticorpi sono molecole prodotte dai linfociti B che hanno un ruolo fondamentale nel neutralizzare il microrganismo stesso

54 Retrovirus