REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE
GENICA
PER ESPRESSIONE GENICA SI INTENDE
L’INSIEME DEI PROCESSI CHE PORTANO
ALL’UTILIZZO DELL’INFORMAZIONE GENICA
PER LA SINTESI DI UNA SPECIFICA
PROTEINA.
CONCETTUALMENTE, ESPRESSIONE
GENICA = TRASCRIZIONE + TRADUZIONE
IN ALTRE PAROLE, UN GENE SI ESPRIME IN
UN PRODOTTO PROTEICO GRAZIE AI
PROCESSI DI TRASCRIZIONE E
TRADUZIONE.
NON TUTTI I GENI DI UN ORGANISMO SONO
COSTANTEMENTE ESPRESSI IN UN
PRODOTTO PROTEICO.
E. COLI, AD ESEMPIO, POSSIEDE 4.400 GENI
CODIFICANTI ED E’ PER QUESTO
POTENZIALMENTE CAPACE DI PRODURRE
4.400 PROTEINE MA NORMALMENTE
PRODUCE SOLO PARTE DI QUESTE. MOLTE
PROTEINE DI COLI SONO INFATTI RICHIESTE
SOLO OCCASIONALMENTE, AD ESEMPIO IN
RISPOSTA A SHOCK TERMICI O PER
L’UTILIZZO DI PARTICOLARI CARBURANTI
METABOLICI.
NEGLI EUCARIOTI PLURICELLULARI LA
NECESSITA’ DI REGOLARE L’ESPRESSIONE
GENICA E’ ANCORA PIU’ EVIDENTE SE SI
CONSIDERA LA NATURA DIVERSIFICATA
DELLE CELLULE DIFFERENZIATE: CIASCUNA
CELLULA POSSIEDE UN PARTICOLARE
ASSETTO STRUTTURALE E METABOLICO
CHE E’ DETTATO DALL’ESPRESSIONE DI
UNO SPECIFICO GRUPPO DI GENI.
I GENI HOUSEKEEPING SVOLGONO
FUNZIONI DI BASE NECESSARIE ALLA VITA DI
CIASCUNA CELLULA DELL’ORGANISMO. NE
SONO UN ESEMPIO I GENI DEGLI ENZIMI
DELLA GLICOLISI, I GENI DELLE PROTEINE
DEL CITOSCHELETRO ETC.
QUESTI GENI SONO ATTIVI IN TUTTI I TIPI
CELLULARI.
L’UOMO POSSIEDE CIRCA 10.000 GENI
HOUSE-KEEPING.
I GENI TESSUTO-SPECIFICI SVOLGONO
FUNZIONI SPECIALIZZATE CORRELATE AD
UNO O POCHI TIPI CELLULARI. NE SONO
UN ESEMPIO I GENI CHE CODIFICANO LA
CHERATINA, IL COLLAGENE,
L’EMOGLOBINA, L’INSULINA, ETC.
OVVIAMENTE QUESTE PROTEINE SONO
ESPRESSE SOLO IN SPECIFICI TIPI
CELLULARI.
NELL’UOMO CIASCUN ORGANO ESPRIME
DA 3000 A 5000 GENI TESSUTO SPECIFICI.
COMPLESSIVAMENTE, LE CELLULE
PROCARIOTICHE HANNO NECESSITA’ DI
MODIFICARE IL PROPRIO PROTEOMA
SOPRATTUTTO IN RELAZIONE A
CAMBIAMENTI NEL TIPO DI NUTRIENTI
DISPONIBILI E ALLE CONDIZIONI CHIMICOFISICHE DEL MOMENTO. NEL CASO DEGLI
ORGANISMI EUCARIOTI PLURICELLULARI
L’AMBIENTE EXTRACELLULARE E’ SPESSO
UN FLUIDO CORPOREO CHE HA UNA
COMPOSIZIONE PIUTTOSTO COSTANTE NEL
TEMPO. QUESTE CELLULE HANNO PERO’
NECESSITA’ DI COOPERARE PER
MANTENERE L’INTEGRITA’ STRUTTURALE E
FUNZIONALE DELL’ORGANISMO. TALE
COOPERAZIONE E’ POSSIBILE GRAZIE AD UN
COMPLESSO SISTEMA DI MESSAGGERI
CHIMICI, GLI ORMONI, CHE TRASMETTONO
INFORMAZIONI DA UNA CELLULA ALL’ALTRA.
NEL CASO DEGLI ORGANISMI
PLURICELLULARI GLI STIMOLI MAGGIORI
PROVENGONO QUINDI DA ORMONI E
FATTORI DI CRESCITA.
IN DEFINITIVA, LE CELLULE PROCARIOTICHE
ED EUCARIOTICHE HANNO NECESSITA’ DI
REGOLARE L’ESPRESSIONE DEI PROPRI
GENI PER ESIGENZE:
•NUTRIZIONALI (PROCARIOTI ED EUCARIOTI
UNICELLULARI)
•DI COORDINAMENTO (EUCARIOTI
PLURICELLULARI)
•DI DIFFERENZIAMENTO (EUCARIOTI
PLURICELLULARI)
REGOLAZIONE ESPRESSIONE GENICA NEI
PROCARIOTI
FIGURA 3.6 GENOMI II
FIGURA 9.20 GENOMI II
TABELLA 9.4 GENOMI II
L’AFFINITA’ PER IL PROMOTORE DELLA RNA
POLIMERASI DI E. COLI E’ RELATIVAMENTE
ELEVATA.
NELLA MAGGIOR PARTE DEI GENI
PROCARIOTICI LA TRASCRIZIONE PUO’
AVVENIRE IN ASSENZA DI ALTRI FATTORI
PROTEICI: LA RNA POLIMERASI SI LEGA
DIRETTAMENTE AL PROMOTORE ED INIZIA A
TRASCRIVERE.
NEI PROCARIOTI L’INIZIO DELLA
TRASCRIZIONE E’ MODULATO IN DUE MODI:
•CONTROLLO COSTITUTIVO
•CONTROLLO REGOLATIVO
IL CONTROLO COSTITUTIVO E’ LEGATO ALLA
STRUTTURA DEL PROMOTORE, CIOE’ ALLA
SPECIFICA SEQUENZA NUCLEOTIDICA CHE
LO CONTRADDISTINGUE.
ESISTONO PROMOTORI PIU’ O MENO
EFFICIENTI CHE ASSICURANO UN TASSO
BASALE DI TRASCRIZIONE DIVERSIFICATO
ED ADEGUATO ALLE ESIGENZE STANDARD
DELLA CELLULA PROCARIOTICA.
UNA SPECIFICA PROTEINA PUO’ ESSERE
RICHIESTA DALLA CELLULA:
A) SEMPRE ED IN QUANTITA’ ELEVATE
B) SEMPRE ED IN QUANTITA’ MODESTE
C) OCCASIONALMENTE
IL CONTROLLO REGOLATIVO DELL’INIZIO
DELLA TRASCRIZIONE NEI PROCARIOTI E’
SPESSO ATTUATO CON L’AUSILIO DI
REPRESSORI.
I REPRESSORI SONO PROTEINE IN GRADO
DI LEGARSI A SEQUENZE SPECIFICHE DI
DNA, DENOMINATE OPERATORI, POSTE IN
PROSSIMITA’ DEL PROMOTORE.
I REPRESSORI AGISCONO IMPEDENDO ALLA
RNA POLIMERASI DI LEGARE IL
PROMOTORE.
FIGURA 2.20 GENOMI II
FIGURA 9.24 GENOMI II
FIG. 10.14 FONDAMENTI DI BIOL. MOL.
DA QUANTO CONSIDERATO APPARE
EVIDENTE CHE I GENI PROCARIOTICI SONO
PRINCIPALMENTE SOTTOPOSTI AD UN
CONTROLLO NEGATIVO DELL’ESPRESSIONE
GENICA, NEL SENSO CHE LE PROTEINE
REGOLATIVE PRINCIPALMENTE AGISCONO
OPERANDO UN BLOCCO TRASCRIZIONALE.
REGOLAZIONE ESPRESSIONE GENICA NEGLI
EUCARIOTI
NEGLI EUCARIOTI L’ESPRESSIONE GENICA
PUO’ ESSERE REGOLATA A VARI LIVELLI
FIGURA 3.2 GENOMI II
I LIVELLI PRINCIPALMENTE SOTTOPOSTI A
REGOLAZIONE SONO:
1. LA TRASCRIZIONE
2. LA DECONDENSAZIONE DELLA
CROMATINA
3. LA TRADUZIONE
FIGURA 9.18 GENOMI II
PROMOTORE CORE
TATA BOX
IL PROMOTORE CORE DELLA RNA
POLIMERASI II COMPRENDE UNA TATA BOX
CON SEQUENZA CONSENSO TATAWAW
(W=A+T) POSTA IN POSIZIONE –25 ED UNA
SEQUENZA INIZIATRICE (INR) CON
SEQUENZA CONSENSO YYCARR
LOCALIZZATA IN CORRISPONDENZA DEL
SITO DI INIZIO DELLA TRASCRIZIONE (LA A
RAPPRESENTA LA POSIZIONE +1). QUESTI
DUE ELEMENTI SONO COMUNI ALLA
MAGGIOR PARTE DEI GENI CODIFICANTI.
FIGURA 9.21 GENOMI II
TF2D
GLI ELEMENTI A MONTE DEL PROMOTORE
CORE SONO INVECE DIVERSI DA GENE A
GENE E RAPPRESENTANO IL PRESUPPOSTO
PER LA REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE
GENICA.
IL TASSO BASALE DI INIZIO DELLA
TRASCRIZIONE DA PARTE DELLA RNA
POLIMERASI II E’ MOLTO BASSO. PROTEINE
ATTIVATRICI CHE SI LEGANO ALLE
SEQUENZE A MONTE DEL PROMOTORE
CORE POSSONO INCREMENTARE
NOTEVOLMENTE IL TASSO TRASCRIZIONALE
(ANCHE 1000 VOLTE) ED IN QUESTO MODO
ATTIVARE L’ESPRESSIONE GENICA.
FIGURA 9.27 GENOMI II.
GLI ATTIVATORI AGISCONO STABILIZZANDO
IL LEGAME DELLA RNA POLIMERASI AL
PROMOTORE.
GLI ELEMENTI REGOLATIVI POSSONO
ESSERE ANCHE MOLTO DISTANTI DAL
PROMOTORE CORE
IN QUESTO MODO UN SINGOLO GENE PUO’
ESSERE ATTIVATO TRASCRIZIONALMENTE
MEDIANTE L’INTERVENTO DI UNO SPECIFICO
ATTIVATORE (O PIU’ SPESSO UNA
COMBINAZIONE DI ESSI).
IN TESSUTI DIVERSI, DIFFERENTI
ATTIVATORI PROMUOVONO LA
TRASCRIZIONE DI DIFFERENTI GRUPPI DI
GENI, DETERMINANDO LE
CARATTERISTICHE STRUTTURALI E
FUNZIONALI DELLE CELLULE.
GLI ATTIVATORI REGOLANO LA
TRASCRIZIONE MA IN CHE MODO E’
REGOLATA LA LORO FUNZIONE ?
GLI ATTIVATORI POSSONO ESSERE
ATTIVATI/DISATTIVATI IN SEGUITO AD
INTERAZIONE CON SPECIFICI LIGANDI O
MEDIANTE
FOSFORILAZIONE/DEFOSFORILAZIONE. CIO’
SPESSO AVVIENE IN RISPOSTA A SEGNALI
PROVENIENTI DALL’AMBIENTE
EXTRACELLULARE.
ATP
CHINASI
ADP
FOSFATASI
P
FIGURA 12.5 GENOMI II
FIGURA 12.8 GENOMI II
NEGLI EUCARIOTI L’ESPRESSIONE GENICA
E’ ANCHE REGOLATA MODULANDO LA
STRUTTURA DELLA CROMATINA. AD
ESEMPIO, I GENI CHE NON DEVONO ESSERE
ESPRESSI SONO SEGREGATI
NELL’ETEROCROMATINA MENTRE QUELLI
TRASCRIZIONALMENTE ATTIVI SI TROVANO
NELL’EUCROMATINA.
ANCHE NELL’EUCROMATINA,L’ESPRESSIONE
DI UN GENE RICHIEDE LA SEPARAZIONE DEL
DNA DALLE PROTEINE ISTONICHE IN MODO
CHE L’RNA POLIMERASI ABBIA ACCESSO AL
DNA.
IL DISTACCO DEGLI ISTONI PUO’ ESSERE
INDOTTO DAGLI ENZIMI ISTONEACETILTRASFERASI CHE ACETILANDO
RESIDUI DI LISINA PRESENTI NELLA
REGIONE N-TERMINALE DEGLI ISTONI
RIDUCONO DRASTICAMENTE LA LORO
AFFINITA’ PER IL DNA.
FIGURA 1.25 REECE, ANALISI GENI E GENOMI
COMPATTAMENTO
LOCALE DELLA
CROMATINA
REPRESSIONE
DELL’ESPRESSIONE
GENICA
ISTONE- ACETILTRANSFERASI
ISTONE-DEACETILASI
(HDAC)
DECOMPATTAMENTO
LOCALE DELLA
CROMATINA
PRE-ATTIVAZIONE
DELL’ESPRESSIONE
GENICA
ANCHE LA METILAZIONE DEL DNA HA
UN’INFLUENZA SUL GRADO DI
COMPATTAMENTO DELLA CROMATINA E
QUINDI SULL’ESPRESSIONE GENICA.
LA METILAZIONE DEL DNA E’ OPERATA
DALL’ENZIMA DNA METILTRASFERASI CHE
AGGIUNGE UN GRUPPO METILICO AL
CARBONIO 5 DI CITOSINE IN SEQUENZE
CpG.
FIGURA 8.12 GENOMI II
DNA
METILTRASFERASI
UN ELEVATO LIVELLO DI METILAZIONE E’
ASSOCIATO AD UN COMPATTAMENTO DELLA
CROMATINA E AD UNA REPRESSIONE
DELL’ESPRESSIONE GENICA.
SECONDO UN RECENTE MODELLO LA
METILAZIONE DEL DNA E LA
DEACETILAZIONE DEGLI ISTONI SONO
EVENTI COLLEGATI: L’ISTONE DEACETILASI
(HDAC) INDIVIDUA I SEGMENTI DI DNA DA
ASSOCIARE ALLE PROTEINE ISTONICHE
MEDIANTE IL RICONOSCIMENTO ED IL
LEGAME DEI GRUPPI METIL-CpG.
FIGURA 8.12 GENOMI II
DNA METILTRASFERASI
IL CONTROLLO DELLO STRUTTURA
CROMATINICA RAPPRESENTA UN MODO
EFFICIENTE PER PRODURRE MODIFICHE
DURATURE DELL’ATTIVITA’ DEL GENOMA.
QUESTA MODALITA’ DI REGOLAZIONE
DELL’ESPRESSIONE GENICA E’ UTILIZZATA
AD ESEMPIO NEL CORSO
DIFFERENZIAMENTO CELLULARE.
IN QUESTO CASO INTERI GRUPPI DI GENI
TESSUTO-SPECIFICI SONO SEGREGATI IN
AREE CROMATINICHE ALTAMENTE
CONDENSATE LASCIANDO ACCESSIBILI
SOLO I GENI HOUSEKEEPING E QUEI GENI
TESSUTO SPECIFICI LA CUI FUNZIONE E’
NECESSARIA ALLA CELLULA IN VIA DI
DIFFERENZIAMENTO.
LE PROTEINE CHE LEGANO IL DNA IN MODO
SEQUENZA-SPECIFICO POSSONO ESSERE
SUDDIVISE IN FAMIGLIE CIASCUNA
CONTRADDISTINTA DA UNO SPECIFICO
MOTIVO STRUTTURALE DI LEGAME AL DNA.
TRA I MOTIVI STRUTTURALI PIU’ DIFFUSI IL
MOTIVO ELICA-GIRO-ELICA, IL MOTIVO A
DITO DI ZINCO E IL MOTIVO A CERNIERA DI
LEUCINA.
TUTTI QUESTI MOTIVI GARANTISCONO UN
RICONOSCIMENTO SPECIFICO DELLA
SEQUENZA BERSAGLIO TRAMITE
L’INTERAZIONE CON UNO O ENTRAMBI I
SOLCHI DELLA DOPPIA ELICA
(PRINCIPALMENTE IL SOLCO MAGGIORE).
ULTERIORI INTERAZIONI CON LO
SCHELETRO ZUCCHERO-FOSFATO
SERVONO A STABILIZZARE IL COMPLESSO
MA NON CONFERISCONO SPECIFICITA’.
FIGURA 9.15 GENOMI II
FIGURA 9.10 GENOMI II
FIGURA 9.12 GENOMI II
FIGURA 10.1 PROTEIN STRUCTURE (TOOZE)
FIGURA 10.4 PROTEIN STRUCTURE (TOOZE)
FIGURA 10.3 PROTEIN STRUCTURE (TOOZE)
FIGURA 9.16 GENOMI II
ESERCITAZIONE: USO DEL PROGRAMMA
PDBVIEWER PER ANALIZZARE IL
COMPLESSO REPRESSORE LACOPERATORE
NEGLI EUCARIOTI ESISTONO MECCANISMI
DI REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE
GENICA A LIVELLO POST-TRASCRIZIONALE
I PRINCIPALI INTERPRETI DI QUESTA
REGOLAZIONE SONO I MICRORNA,
SCOPERTI NEL 1993 DA VICTOR AMBROS
I GENI LIN-4 E LIN-14 DI C. ELEGANS
REGOLANO LA TEMPISTICA DELLO
SVILUPPO LARVALE DEL NEMATODE
L’ATTIVITA’ DEL GENE LIN-4 RIDUCE
L’ESPRESSIONE DELLA PROTEINA LIN-14
Gene lin-4
Gene lin-14
Proteina
Lin-14
AMBROS SCOPRE CHE IL GENE LIN-4 NON
CODIFICA UNA PROTEINA MA E’ TRASCRITTO
IN UN PICCOLO RNA COMPLEMENTARE ALLA
REGIONE 3’-UTR DELL’RNA MESSAGGERO
DELLA PROTEINA LIN-14. QUESTA RICERCA
SCOPRE IL MONDO DEI MICRORNA.
STUDI SUCCESSIVI HANNO MOSTRATO CHE
I MICRORNA SONO PRESENTI I TUTTI I
METAZOI. NELL’UOMO SONO NOTI CIRCA
1000 MIRNA CHE REGOLANO L’ATTIVITA’ DI
CIRCA 10000 GENI CODIFICANTI
I SITI DI LEGAME DEI MICRORNA SONO
GENERALMENTE LOCALIZZATI NELLA 3’UTR. IN QUESTO MODO, CIASCUN
MICRORNA PUO’ LEGARE MOLTEPLICI
TRASCRITTI E CIASCUN TRASCRITTO PUO’
LEGARE MOLTEPLICI MICRORNA
I MICRORNA SONO TRASCRITTI SOTTO
FORMA DI PRECURSORI DI MAGGIORI
DIMENSIONI
BIOGENESI DEI MICRORNA
DICER
IL LEGAME DEL MICRORNA PRODUCE IL
BLOCCO TRADUZIONALE DEL
MESSAGGERO E/O LA SUA DEGRADAZIONE.
QUESTO PROCESSO E’ DEFINITO
INTERFERENZA DA RNA O RNA
INTERFERENCE.
I DISAPPAIAMENTI NON POSSONO
INTERESSARE LA SEGIONE SEME
LE SEQUENZE GENICHE DEI MICRORNA
SONO SPESSO RIUNITE IN CLUSTER
LE SEQUENZE GENICHE DEI MICRORNA
SONO SPESSO LOCALIZZATE IN INTRONI
SE LA SEQUENZA DI UN MIRNA RISIEDE IN
UN INTRONE DI UN GENE CODIFICANTE,
L’ESPRESSIONE DI QUEL GENE HA UN
DUPLICE EFFETTO: LA PRODUZIONE DELLA
PROTEINA CODIFICATA E LA RIDUZIONE
DELL’ESPRESSIONE DI ALTRE PROTEINE
RIASSUMENDO, I MICRORNA SONO
PICCOLE MOLECOLE DI RNA A SINGOLO
FILAMENTO IN GRADO DI MODULARE
L’ESPRESSIONE GENICA A LIVELLO POSTTRASCRIZIONALE. ESSI AGISCONO
LEGANDOSI AD RNA MESSAGGERI DOTATI
DI SEQUENZE COMPLEMENTARI,
GENERALMENTE A LIVELLO DELLA 3’-UTR
I MICRORNA CONTRIBUISCONO A
REALIZZARE UNA REGOLAZIONE FINE
DELL’ESPRESSIONE GENICA, BASATA SU UN
SISTEMA COMBINATORIALE: IN CIASCUN
TESSUTO, IL LIVELLO DI ESPRESSIONE DI
UN GENE DIPENDE INFATTI DALLA
SPECIFICA COMBINAZIONE DEI FATTORI
TRASCRIZIONALI (ATTIVATORI) PRESENTI
NEL NUCLEO E DEI MICRORNA PRESENTI
NEL CITOPLASMA
PER QUESTE PROPRIETA’, I MICRORNA
SVOLGONO UN RUOLO FONDAMENTALE
NELLO SVILUPPO E DIFFERENZIAMENTO.
ESSI CONTRIBUISCONO INFATTI
ALL’ACQUISIZIONE DI UNA SPECIFICA
IDENTITA’ CELLULARE IN DUE MODI:
REGOLANO FINEMENTE L’ESPRESSIONE
DEI GENI NECESSARI AL TIPO CELLULARE
IN ESAME ED EVITANO L’ESPRESSIONE DEI
GENI LA CUI FUNZIONE DEVE ESSERE
CONFINATA AD ALTRI MOMENTI DELLO
SVILUPPO O ALTRI TIPI CELLULARI.
I MIRNA SONO INOLTRE COINVOLTI IN MOLTI
ALTRI PROCESSI BIOLOGICI, QUALI IL
MANTENIMENTO DEL CARATTERE DI
STAMINALITA’ E L’APOPTOSI.
ALTERAZIONI DEI PROFILI DI ESPRESSIONE
DEI MICRORNA SONO ALLA BASE DI VARIE
MALATTIE TRA CUI IL CANCRO
L’AZIONE DEI MICRORNA PUO’ ESSERE
MIMATA SPERIMENTALMENTE
INTRODUCENDO NELLE CELLULE PICCOLI
RNA SINTETICI A DOPPIO FILAMENTO
DENOMINATI PICCOLI RNA INTERFERENTI
(siRNA).
5’-P
3’-OH
3’-OH
5’-P
ALL’INTERNO DELLA CELLULA IL siRNA
VIENE SVOLTO ED IL FILAMENTO
COMPLEMENTARE AL MESSAGGERO
SVOLGE UN’ATTIVITA’ ANALOGA AL
MICRORNA.
IN C.ELEGANS L’ATTIVITA’ DEI siRNA
RISULTA SISTEMICA GRAZIE ALLA
PRESENZA DI UNA RNA POLIMERASI RNADIPENDENTE
LO STUDIO DELL’INTERFERENZA DA RNA IN
C. ELEGANS HA FRUTTATO IL PREMIO
NOBEL 2006 PER LA MEDICINA A CRAIG
MELLO E ANDREW FIRE
L’USO DEI siRNA E’ IN FASE DI
SPERIMENTAZIONE PER LA CURA DI VARIE
MALATTIE, QUALI INFEZIONI VIRALI E
CANCRO.
