Cenni al controllo dell espressione genica

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1 Cenni al controllo dell espressione genica Essentials of Cell Biology Unit 2: How Do Cells Decode Genetic Information into Functional Proteins? Biotecnologie_ of cell biology / #bookContentViewAreaDivID Il controllo differenziale della trascrizione e della traduzione è alla base delle alterazioni della funzione cellulare (1) I geni codificano per le proteine e le proteine dettano la funzione delle cellule: Le migliaia di geni espressi da una cellula determinano quello che la cellula farà. Ogni passo del flusso di informazioni dal DNA al RNA alla proteina dà alla cellula un potenziale punto di controllo per autoregolare le sue funzioni e aggiustare la quantità e tipo di proteina che sintetizza. Ad ogni momento, la quantità di una data proteina riflette l equilibrio fra le vie biochimiche sintetiche e degradative. Come viene regolata l espressione genica? (1) Le quantità e tipo delle molecole di mrna di una cellula riflettono la funzione di quella cellula: Ogni secondo vengono prodotti migliaia di trascritti in ogni cellula. Il principale punto di controllo dell espressione genica si trova di solito subito all inizio del processo di produzione della proteina: l inizio della trascrizione della molecola di mrna. La trascrizione del RNA fornisce un un efficiente punto di controllo dato che da una singola molecola di mrna si possono ottenere molte proteine. Come viene regolata l espressione genica? (2) Degradazione degli mrna Il processamento del trascritto fornisce un ulteriore livello di regolazione per gli eucarioti, e la presenza del nucleo rende cià possibile. Nei procarioti, la traduzione di un trascritto inizia prima che la trascrizione sia completata, a causa della vicinanza dei ribosomi alle nuove molecole di mrna. Al contrario, negli eucarioti, i trascritti sono modificati nel nucleo prima di venire esportati nel citoplasma per la traduzione. Le cellule riescono rapidamente ad aggiustare i loro livelli di proteine mediante degradazione enzimatica degli RNA trascritti e delle proteine esistenti. 1

2 Trascritti degli eucarioti I trascritti primari sintetizzati dalla RNA polimerasi contengono sequenze che non faranno parte del mrna maturo: Introni: vengono rimossi prima che il mrna maturo lasci il nucleo. Le rimanenti regioni del trascritto, che includono le regioni codificanti le proteine, esoni, vengono «spliced» per dare il mrna maturo. Negl i eucarioti i trascritti vengono inoltre modificati alle estremità, processi che influenzano la loro stabilità e traduzione. Come fanno le diverse cellule ad esprimere i geni di cui hanno bisogno? Ad ogni momento, soltanto una frazione dei geni viene espressa. La gran diversità dei profili di espressione genica, caratteristica dei vari tipi cellulari, si manifesta perchè le cellule hanno diversi insiemi di regolatori della trascrizione. Alcuni lavorano per aumentare la trascrizione mentre altri per impedirla o sopprimerla. Modulazione della trascrizione. Una proteina attivatrice legata al DNA a livello di una sequenza enhancer a monte può attrarre alla regione del promotore delle proteine che attivano la RNA polimerasi (verde) e quindi la trascrizione. Il DNA può fare un ansa su se stesso favorendo l interazione fra una proteina attivatrice e altre proteine che mediano l attività della RNA polimerasi. Normalmente la trascrizione inizia quando una RNA polimerasi si lega ad una sequenza promotore sulla molecola del DNA. Questa sequenza è quasi sempre localizzata appena sopra il punto dell inizio per la trascrizione (verso l estremità 5 del DNA), ma può anche essere localizzata a valle (verso l estremità 3 ). Altre sequenza del DNA, sequenza «enhancer», giocano un importante ruolo nella trascrizione, fornendo siti per il legame di proteine regolatrici che influenzano l attività della RNA polimerasi. Il legame delle proteine regolatrici ad una sequenza «enhancer» provoca un alterazione della struttura della cromatina che o promuove o inibisce il legame della RNA polimerasi e il legame del fattore di trascrizione. Una struttura della cromatina pià lassa (EUCROMATINA) è associata ad attiva trascrizione genica. Una struttura più compatta della cromatina (ETEROCROMATINA) è associata ad inattività trascrizionale. La struttura a nucleosomi della cromatina: Ogni nucleosoma contiene 8 proteine istoniche (blu) e il DNA si avvolge attorno a queste strutture istoniche per ottenere una forma avvolta più condensata. Per meglio accomodarsi all interno della cellula, lunghe porzioni del DNA a doppio filamento si si impacchettano strettamente in strutture dette cromosomi. 2

3 Alcune proteine regolatrici influenzano la trascrizione di geni diversi. Ciò avviene perchè esistono copie multiple dei siti di legame per le proteine regolatrici all interno del genoma di una cellula. La struttura della cromatina nell interfase: L eterocromatina è più condensata dell eucromatina. : Quanto più condensata è la cromatina tento meno è accessibile ai fattori di trascrizione e alle polimerasi. Perciò, le proteine regolatrici possono giocare ruoli differenti su geni diversi: uno dei meccanismi mediante i quali le cellule riescono a coordinare la regolazione di molti geni contemporaneamente. Come fa l espressione genica ad aumentare o diminuire in risposta alle alterazioni ambientali? Nei procarioti, alcune proteine regolatrici sono spesso controllate dalla disponibilità di nutrienti. Ciò permette ai batteri di aggiustare i loro quadri di trascrizione in risposta alle condizioni ambientali. Inoltre, dei siti regolatori sul DNA dei procarioti si trovano vicino ai siti dei promotori della trascrizione. Esempi Un battere con eccesso di aminoacidi segnala l «accensione» di alcuni geni (es. di proteine che metabolizzano gli AA) e lo «spegnimento» di altri (es. di proteine che sintetizzano gli AA). Alcuni AA si possono legare a proteine che svolgono una regolazione positiva: attivatori. Le proteine con ruolo di attivatori si legano a siti regolatori sul DNA vicino alla regione del promotore, che fungono da interrutori on/off. Questo legame facilita l attività della RNA polimerasi e la trascrizione dei geni vicini. Allo stesso tempo, tuttavia, altri AA potrebbero legarsi a proteine di regolazione negativa («repressori»), che a loro volta si legano a siti regolatori sul DNA che di fatto bloccano il legame della RNA polimerasi. Controllo dell espressione genica negli eucarioti Repressione della trascrizione vicino alla regione del promotore. Alcune molecole possono interferire con il legame della RNA polimerasi. Una proteina repressore inattiva (blu) può diventare attivata da un altra molecola (cerchio rosso). Questo repressore inattivo può legarsi ad una regione vicino al promotore detta operatore (giallo) e quindi interferire con il legame della RNA polimerasi al promotore, di fatto impedendo la trascrizione. Molto più complesso che nei procarioti. Di solito è coinvolto un numero molto maggiore di proteine regolatorie, e i siti di legame regolatori possono essere localizzati in posizioni abbastanza lontane dai siti dei promori della trascrizione. Inoltre, l espressione genica negli eucarioti è di solito regolata da una combinazione di varie proteine regolatorie che lavorano insieme, il che permette una maggiore flessibilità nel controllo dell espressione genica. 3

4 Le sequenze «enhancer» sono sequenze di DNA a cui si lega una proteina attivatrice, e che si possono trovare a migliaia di coppie di basi dal promotore, sia a monte che a valle del gene. Si pensa che il legame della proteina induca il DNA a formare delle anse, avvicinando la proteina alla RNA polimerasi e ad altre proteine del complesso che promuovono l inizio della trascrizione. Tessuti diversi esprimono insiemi caratteristici di regolatori della trascrizione: Quando gli organismi multicellulari si sviluppano, gruppi diversi di cellule all interno di questi organismi accendono o spengono combinazioni specifiche di regolatori. Tali quadri dipendenti dalla fase dello sviluppo sono responsabili della grande diversità di tipi cellulari presenti negli organismi adulti. La complessità dei regolatori multipli. I regolatori della trascrizione possono avere singolarmente un ruolo diverso. Le combinazioni di uno, due o tre regolatori (forme blu, verde e giallo) possono influenzare la trascrizione in modi diversi, influenzando in modo differenziale un complesso mediatore (arancione), anche sso composto di proteine. L effeto è che lo stesso gene può essere trascritto in modi diversi, a seconda della combinazione, presenza o assenza delle diverse proteine regolatorie della trascrizione. Fattori di trascrizione I regolatori della trascrizione possono determinare I tipi cellulari. La gran varietà di tipi cellulari in un singolo organismo può dipendere dall attività diversificata dei vari fattori di trascrizione in ogni tipo cellulare. Fattori di trascrizione differenti possono accendersi in momenti diversi durante le successive generazioni di cellule. Man mano le cellule maturano e proseguono lungo I diversitadi di sviluppo (frecce), dei fattori di trascrizione (cerchi colorati) possono agire sull espressione genica e modificare le cellule in modi diversi. Questo cambiamento influenza la generazione successiva di cellule derivate da quella cellula. Nelle generazioni succesive, è la combinazione dei diversi fattori di trascrizioone che alla fine determina il tipo cellulare. Proteine che si legano a sequenza specifiche del DNA così controllando il flusso ( o la trascrizione) dell informazione genica dal DNA al mrna. I fattori di trascrizione svolgono questa funzione da soli oppure associati ad altre proteine di un complesso promuovendo (come attivatori) o bloccando (come repressori) il reclutamento della RNA polimerasi (enzima che svolge la trascrizione dell informazione genetica dal DNA al mrna) a geni specifici. Un fattore caratteristico dei fattori di trascrizione è che essi contengono uno o più domini di legame al DNA («DNA Binding Domains», DBDs) che si legano a sequenze specifiche del DNA adiacenti ai geni che regolano. Proteine aggiuntive quali i co attivatori, i rimodllanti della cromatina, le acetilasi o le deacetilasi degli istoni, le chinasi e le metilasi, nonostante giochino anche esse ruoli cruciali nella regolazione genica, mancano di domini di legame al DNA e quindi non vengono classificati come fattori di trascrizione. 4

5 Proteine regolatrici (1) L espressione genica è spesso controllata da proteine regolatrici che si legano a sequenze specifiche del DNA. Le proteine regolatrici hanno accesso alle basi del DNA nel solco maggiore. Le proteine regolatrici possiedono motivi di legame al DNA. Proteine regolatrici (2) I motivi di legame al DNA sono sequenze amminoacidiche presenti nelle proteine regolatrici che si legano al DNA: Motivo helix turn helix Motivo homeodomain Motivo zinc finger Motivo leucine zipper Motivo Helix Turn Helix Motivo Homeodomain (tipo particolare del dominio Helix turn helix ) ge20.htm Motivo Zinc Finger Motivo Zinc Finger (segue) 5

6 Motivo Leucine Zipper Perchè è necessario regolare l espressione genica? Le cellule possono impedire che le risorse siano sprecate spegnendo i geni quando non sono necessari. La selezione naturale dovrebbe favorire la capacità di accendere o spegnere i geni. I geni possono essere espressi con efficienza diversa La produzione di una proteina da parte di una cellula eucariotica. Il livello finale di ciascuna proteina in una cellula eucariotica dipende dall efficienza di ciascun passaggio raffigurato. Il gene A é trascritto e tradotto in modo molto più efficiente del gene B. Ciò fa sì che la quantità di proteina A nella cellula sia molto maggiore di quella della proteina B. /A1117/ Controllo dell espressione genica negli Eucarioti 6