Regolazione dell’espressione genica
Ogni processo che porta dal DNA
alla proteina funzionale è soggetto
a regolazione. Il primo processo
relativo alla trascrizione è il più
importante punto di regolazione
(principio della massima economia
cellulare). Una situazione analoga
è presente nella regolazione delle
principali vie metaboliche
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Geni costitutivi & inducibili
Geni costitutivi
Sono costantemente espressi durante tutto il ciclo vitale della
cellula indipendentemente dal suo stato metabolico.
In genere riguardano geni che codificano per proteine di
membrana ed enzimi coinvolti nelle vie metaboliche di base
Geni inducibili o reprimibili
Aumentano o diminuiscono in risposta a segnali molecolari*
legati a cambiamenti ambientali e/o condizioni cellulari
*I segnali molecolari sono almeno tre:
Fattori di specificità: alterano la specificità della RNA polimerasi per un dato promotore
Repressori: impediscono l’accesso dell’RNA polimerasi al promotore
Attivatori: favoriscono l’interazione RNA polimerasi-promotore
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Promotore & Fattori di specificità
La regolazione della trascrizione è localizzata in una zona a monte del sito di trascrizione
del DNA e prende il nome di “promotore”. Alcuni promotori comprendono, oltre alle
sequenze di consenso, l’elemento UP (upstream promoter)
Promotore
Un esempio di regolazione dell’espressione genica da fattori di specificità è la risposta allo
shock da calore in E.coli. Quando l’E.coli è sottoposto a stress termico e/o ambientale, un
fattore di specificità s32, presente sulla subunità s dell’RNA polimerasi, interagisce
con un promotore specifico inducendo la sintesi di un gruppo di proteine che
permettono l’adattamento allo stress
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Repressori & attivatori
Vicino al promotore o al suo interno sono presenti siti di controllo denominati
operatori
dove si legano specifiche proteine che impediscono l’accesso della RNA
polimerasi (repressori) o la favoriscono (attivatori)
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I geni regolatori nei procarioti
L’interazione
degli operatori
con il DNA è
regolata da
effettori, in
genere piccole
molecole,
che interagendo
con l’operatore
ne provocano
una variazione
conformazionale
con conseguente
aumento o
diminuzione
della trascrizione
genica
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Gli operoni
I procarioti possiedono gruppi di geni strettamente correlati e regolati
che prendono il nome di “operone“
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Regolazione dell’operone del lattosio (1)
Il “lac operon” è stato il primo esempio di
regolazione genica a livello trascrizionale
chiarito a livello molecolare
(Nobel 1961 a Jacob e Monod)
Regolazione
negativa
b-Galattosidasi
Permeasi
Transacetilasi
Il repressore lac si lega
all’operatore principale (O1)
e ai siti pseudo-operatori
(O2 e O3), formando nel
DNA un “cappio” che si
avvolge intorno alla
molecola del repressore
impedendo all’RNA polimerasi
di trascrivere
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Regolazione dell’operone del lattosio (2)
La repressione viene rimossa con un meccanismo
analogo al caso (a) visto nei sistemi di regolazione generale
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Regolazione dell’operone del lattosio (3)
Regolazione positiva
L’attivazione avviene con un meccanismo analogo al caso (d) dei sistemi di regolazione generale.
Quando la concentrazione del glucosio è bassa, la concentrazione di cAMP è alta, si forma un
complesso CRP-cAMP che interagendo con l’ RNA polimerasi incrementa di 50 volte la trascrizione
Proteina Recettore dell’cAMP
(CRP o CAP)
AMP ciclico (cAMP)
“Molecola della fame”
segnala l’assenza di glucosio
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Regolazione dell’operone del lattosio (4)
Effetti combinati del glucosio e del lattosio sull’espressione dell’operone lac
CRP e cAMP sono coinvolti nella regolazione coordinata di più operoni detti
reguloni. Una situazione analoga più complessa la troviamo negli eucarioti
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Regolazione dell’espressione genica negli eucarioti (1)
La trascrizione è accompagnata da un
rimodellamento della cromatina
Siti ipersensibili alle nucleasi con scarsità di
nucleosomi (pochi istoni e spesso modificati)
Prevalgono meccanismi di regolazione
positiva (la regolazione negativa è sostituita
dall’inaccessibilità della cromatina)
Ogni gene richiede una specifica regolazione
Per aumentare la specificità più attivatori
proteici interagiscono tra loro diminuendo così
la probabilità di attivazioni casuali
I contatti proteina-proteina tra attivatori lontani
spesso avvengono grazie alla formazione di
anse di DNA
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Regolazione dell’espressione genica negli eucarioti (2)
Regolazione ormonale
Ormoni stereoidei
Interagiscono direttamente con le proteine regolatrici che si
legano al DNA (recettori intracellulari) con effetti positivi o
negativi sulla trascrizione dei geni bersaglio dell’ormone
Gli ormoni non
stereoidei
Si legano ai
recettori della
superficie
cellulare,
innescando un
meccanismo di
segnalazione
che stimolano
la trascrizione
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