Regolazione dell espressione genica

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1 Regolazione dell espressione genica

2 definizioni Gene attivato quando viene trascritto in RNA e il suo messaggio tradotto in molecole proteiche specifiche Espressione genica processo complessivo con cui l informazione genica passa dai geni alle proteine, ossia dal genotipo al fenotipo.

3 Tutti i viventi sono in grado di regolare l espressione genica Attivare o disattivare la trascrizione del DNA è la modalità principale con cui viene regolata l espressione genica, permettendo alla cellula di produrre particolari tipi di proteine solo quando e dove sono necessarie. La regolazione dell espressione genica è diversa nei procarioti e negli eucarioti

4 Regolazione dell espressione genica nei procarioti Modello dell operone, unità funzionale del DNA costituita da un gruppo di geni che vengono regolati in modo strettamente coordinato. Un operone contiene sempre i seguenti elementi: uno o, di solito, più geni strutturali, ovvero geni che codificano per determinati enzimi o proteine necessari alla cellula un promotore, ovvero una sequenza di DNA che, legandosi all RNApolimerasi, permette l'inizio della trascrizione. L'RNA polimerasi ha infatti bisogno di riconoscere la sequenza del promotore per iniziare il processo. un operatore, un frammento di DNA, che regola l'espressione dei geni strutturali. L'operatore svolge questa funzione interagendo con una specifica proteina chiamata proteina repressore o proteina attivatore, a seconda che, appunto, impedisca o stimoli l'espressione. Inoltre, l'operone può anche contenere un gene regolatore, che codifica appunto per la proteina regolatrice.

5 Modello dell operone Jacob (1920) Monod ( ) proposero il modello dell operone Geni strutturali Promotore= precede la sequenza. Permette il legame con l RNA polimerasi Operatore= si può legare ad una proteina detta REGOLATRICE Regolatore= codifica la REGOLATRICE

6 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 Lattosio Repressore inattivo Operone del lattosio attivato (il repressore è disattivato dal lattosio) Enzimi per l utilizzo del lattosio

7 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. Figura 11.1D

8 Regolazione dell espressione genica negli eucarioti avviene a vari livelli

9 Molte differenze fra il cromosoma batterico e quello eucariote DNA eucariota è presente in grande quantità, ha un alta complessità ed è associato a proteine (istoni) Presenza di introni, esoni e DNA ripetuto con funzioni sconosciute Negli eucarioti pluricellulari durante lo sviluppo embrionale le cellule vanno incontro a differenziamento, cioè espressione selettiva dei geni, a seconda dei geni attivi ciascuna cellula assume una specifica struttura e funzione

10 Qualunque cellula differenziata contiene ancora il patrimonio genetico completo

11 Organizzazione della Cromatina l espressione genica è correlata al grado di condensazione del cromosoma

12 Nucleosomi: Unità Fondamentale nell'organizzazione della Cromatina Eucariotica

13 La trascrizione negli eucarioti Si è dimostrato infatti che nelle cellule eucariote la regolazione dell'espressione genica dipende fondamentalmente dal grado di condensazione della cromatina La trascrizione negli eucarioti avviene sostanzialmente in modo analogo a quella dei procarioti. L'RNA-polimerasi si assicura al sito del promotore, dispiegando la doppia elica del DNA. L'enzima si sposta quindi lungo i geni strutturali utilizzando il filamento come stampo per la sintesi dell'rna. La trascrizione negli eucarioti si differenzia però da quella dei procarioti per la mancanza dell'operone, in quanto ciascun gene strutturale viene trascritto separatamente mediante specifici sistemi di controllo e regolazione

14 LA REGOLAZIONE DELL ESPRESSIONE GENICA NEGLI EUCARIOTI Negli eucarioti pluricellulari lo stato normale per la maggior parte dei geni sembra essere quello disattivato 1Stato del DNA Spiralizzazione e condensazione della cromatina 2Trascrizione È lo stadio più importante di regolazione sia nei procarioti che negli eucarioti fattori di trascrizione (complessa rete di proteine) che si legano al DNA (sequenze enhanser) per facilitare il corretto legame fra l RNA-polimerasi e il promotore

15 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

16 LA REGOLAZIONE DELL ESPRESSIONE GENICA NEGLI EUCARIOTI 3Processamento dell RNA splicing alternativo (polipeptidi diversi da uno stesso gene) 4Traduzione degradazione del mrna (tempo di sopravvivenza della molecola), velocità della sintesi proteica 5Post-traduzione Attivazione delle proteine, modificazione per diventare funzionale, trasporto, demolizione

17 3 splicing alternativo (polipeptidi diversi da uno stesso gene) 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 mrna

18 Anche la traduzione e le ultime fasi dell espressione genica sono soggette a regolazione 4 e 5 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.