La regolazione dell’espressione genica meccanismi che determinano l’accensione o lo spegnimento di un gene? La regolazione dell’espressione genica • Nei procarioti: – un’espressione genica selettiva permette alle cellule di risparmiare energia – La regolazione avviene prevalentemente a livello trascrizionale • Negli eucarioti: – l’espressione genica selettiva permette alle cellule di svolgere ruoli specializzati (differenziamento cellulare) – La regolazione avviene a vari livelli 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. – 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. Fenotipi diversi ßàEspressione di geni specifici Cellule muscolari Cellule del pancreas Cellule del sangue • Geni costitutivi: sono costantemente attivi (es. geni che codificano per gli enzimi della glicolisi) • Geni regolati: la loro espressione è regolata in modo tale che la quantità del corrispondente prodotto (proteina o RNA) è controllata in relazione al fabbisogno cellulare (es. sintesi adattativa di enzimi) e/o alla sua specializzazione. Il flusso dell’informazione genetica o espressione genica: genotipo à fenotipo DNA à RNA à à proteine à proteine attive Il controllo sull’espressione genica puo’ avvenire a diversi livelli Principale controllo a liv. Trascrizionale! I batteri usano strategie diverse per regolare la sintesi degli enzimi • Vie cataboliche (degradazione)à induzione da substrato • Vie anaboliche prodotto finale (biosintesi)àrepressione da Gli enzimi che catalizzano queste vie sono spesso regolati in modo coordinato: la sintesi di tutti gli enzimi coinvolti in una particolare via viene attivata o repressa simultaneamente La regolazione a livello trascrizionale si basa su proteine che interagiscono con il DNA attivando e disattivando i geni dei procarioti in risposta ai cambiamenti ambientali Colorizzata SEM 7000´ •I primi risultati nel campo del controllo genico furono ottenuti grazie a esperimenti condotti sul batterio Escherichia coli. Spesso, nei procarioti, i geni con funzioni interconnesse sono aggregati in strutture chiamate operoni. Vantaggio à l’espressione di questi geni può essere facilmente coordinata. Un operone è definito un’associazione di geni, l’espressione dei quali è regolata contemporaneamente dall’interazione operatore-proteina regolatrice, oltre che dalla stessa regione dell’operatore e dal promotore Proteine di regolazione si legano a sequenze di controllo nel DNA (operatori) e attivano o disattivano gli operoni in risposta a cambiamenti ambientali. OPERONE Gene regolatore Promotore Operatore Geni per metabolizzare il lattosio DNA mRNA Proteina Repressore attivo Operone del lattosio disattivato (lattosio assente) L’RNA-polimerasi non può attaccarsi al promotore DNA mRNA Proteina Lattosio L’RNA-polimerasi si lega al promotore Repressore inattivo Enzimi per l’utilizzo del lattosio Operone del lattosio attivato (il repressore è disattivato dal lattosio) Risultato: il batterio produce enzimi necessari all’uso del lattosio solo quando lattosio è presente! •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. Il Trp, prodotto finale, reprime l’espressione genica. Promotore Operatore Geni DNA Repressore attivo Repressore attivo Triptofano Repressore inattivo Repressore inattivo Lattosio Operone lac Operone trp OPERONE REPRIMIBILE: Espressione dell’operone trp in presenza di alte quantità di triptofano: Caratteristiche comuni ai due processi 1. 2. Il controllo è effettuato a livello genomico Il controllo viene indotto da piccole molecole (effettori) che modificano la conformazione di molecole che controllano l’espressione genica Per le vie cataboliche i substrati (lattosio) Per le vie anaboliche i prodotti finali (triptofano) in eucarioti controllo +complesso, a vari livelli Impaccamento del DNA Inizio trascrizione Modificazioni dell’RNA Degradazione dell’ mRNA Inizio di traduzione Modificazione e degradazione delle proteine Compattamento del DNA Spiralizzazione del DNA in un cromosoma eucariotico L’impaccamento “stretto”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. Embrione Divisione cellulare e inattivazione casuale del cromosoma X Cromosomi X Allele per il pelo Allele per arancione il pelo nero Due cellule nella popolazione adulta X attivo X inattivo X inattivo X attivo Pelo arancione Pelo nero Inattivazione del cromosoma Xàmanto variegato Nelle femmine di mammifero uno dei 2 cromosomi X si presenta fortemente condensato in tutte le cellule somatiche e quasi del tutto inattivo (disattivazione del cromosoma X). Inizio trascrizione anche gli eucarioti usano proteine di regolazione, chiamate fattori di trascrizione, che legandosi a sequenze di DNA regolatore (amplificatori e/o silenziatori) distanti dal gene, attivano o disattivano la trascrizione (sistemi più complessi di quelli dei procarioti) Intensificatori Promotore Gene DNA Induttori Fattori di trascrizione Altre proteine RNA-polimerasi Ripiegamento del DNA Trascrizione 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 tutti i geni appartenenti allo 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. Modificazioni dell’RNA –Completata la trascrizione, i segmenti non codificanti (introni) vengono rimossi grazie al processo di splicing. –SPLICING ALTERNATIVO: 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 2 diversi mRNA partendo dallo stesso gene! 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; Il tempo di sopravvivenza delle molecole di mRNA è un fattore importante che regola la quantità di proteine assemblate dalla cellula. –attivazione della traduzione; vi sono numerose proteine che hanno la funzione di regolare l’inizio della sintesi proteica. –modificazione dei polipeptidi tradotti; in seguito a modifiche chimiche la proteina acquista funzionalità –demolizione delle proteine. le proteine possono “vivere” ed essere attive per pochi minuti o diversi giorni. Attivazione delle proteine mediante modificazione chimica I polipeptidi che si formano dopo la traduzione non sempre sono già pronti ad agire: spesso devono essere modificati per diventare funzionali. Es: formazione di una molecola attiva di insulina Ripiegamento del polipeptide e formazione dei legami S—S Taglio S S Polipeptide iniziale (inattivo) Polipeptide ripiegato (inattivo) S S Insulina (ormone attivo) Regolazione dell’espressione genica e comunicazione cellulare Sequenze di trasduzione del segnale trasformano i messaggi ricevuti dalla membrana plasmatica in reazioni di risposta all’interno della cellula – certe proteine o altri tipi di molecole (es ormoni o fattori locali) portano i messaggi dalle cellule che li producono alle cellule (bersaglio) che li ricevono. – Questo consente di coordinare meglio le attività cellulari in un organismo adulto. 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 Membrana Recettore plasmatica proteico 3 2 Cellula bersaglio Ripetitori proteici Il segnale puo’ accendere o spegnere geni specifici nella cellula bersaglio Fattore di trascrizione (attivato) 4 Nucleo DNA 5 mRNA Trascrizione Nuova proteina 6 Traduzione Molti recettori intracellulari sono fattori trascrizionali che, in seguito al legame col messaggero, inibiscono o attivano l’espressione di specifici geni La risposta cellulare si realizza come attivazione o spegnimento di specifici geni →risposte fisiologiche varie Le cellule differenziate esprimono solo una piccola percentuale dei loro geni, ma possono conservare tutto il loro potenziale genetico, perché comunque hanno, tutte, un genoma completo Cambia il fenotipo ma non il genotipo! Radice di una pianta di carota Singola cellula Cellule radicali coltivate in una soluzione nutritiva Le cellule Germoglio Pianta adulta si dividono nel terreno di coltura