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Biotecnologie:
regolazione
dell’espressione
genica
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Regolazione
dell’espressione
genica in virus e
procarioti
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Struttura dei virus/1
I virus sono piccole particelle, con una
dimensione media di 80 nm.
Possono avere diverse forme, ma condividono
due caratteristiche:
•trasportano informazione genetica sotto
forma di DNA o RNA;
•hanno un capside peptidico.
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Struttura dei virus/2
Alcuni virus, come il virus dell’influenza, presentano anche un
involucro lipidico che copre il capside.
Envelope
Glicoproteine
L’involucro può includere
glicoproteine virali, che
possono aiutare i virus a
entrare e infettare le cellule
ospiti.
Capside
Materiale genetico (DNA o RNA)
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Replicazione dei virus /1
I virus sono incapaci di replicarsi al di fuori delle cellule
ospiti: utilizzano il metabolismo e l’apparato di replicazione
delle cellule infettate.
Il processo consiste in diversi passaggi:
1.Attacco o assorbimento – il virus riconosce la cellula ospite,
c’è un legame specifico tra il capside e i recettori sulla
membrana della cellula.
2.Penetrazione – il materiale genetico del virus entra nella
cellula ospite.
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Replicazione dei virus /2
3. Svestimento – il capside virale viene rimosso.
4. Sintesi – la cellula ospite sintetizza gli acidi nucleici e le
proteine virali.
5. Assemblaggio – parti del virus si autoassemblano per
formare nuove particelle virali.
6. Rilascio – nuovi virus vengono rilasciati dalla cellula
ospite.
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Riproduzione dei batteriofagi
Testa
DNA
Guaina
della coda
Piastra basale
Spine
Fibre
della
coda
I batteriofagi (o fagi) sono virus
che infettano batteri.
Una volta che il materiale
genetico entra nella cellula
ospite, i fagi possono avere due
tipi di cicli riproduttivi:
• ciclo litico;
• ciclo lisogeno.
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Il ciclo litico
Cellula infetta
Fago che
infetta una
cellula
DNA della
cellula ospite
Materiale
genetico
virale
Proteine
virali
Nel ciclo litico, li virus entra
nel batterio, usa il
metabolismo della cellula per
riprodursi e distrugge la
cellula infetta.
Un virus che si riproduce
solo attraverso ciclo litico si
dice virulento.
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Il ciclo lisogeno
Fago che
infetta una
cellula
Materiale
genetico
virale
Cellula infetta
DNA della
cellula
ospite
Nel ciclo lisogeno, il
materiale genetico virale si
integra con il DNA della
cellula ospite.
Si replica assieme al DNA
della cellula, ma non porta
immediatamente alla
distruzione della cellula
ospite.
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Batteri: diverse forme
I batteri possono essere classificati in base alle loro
caratteristiche morfologiche:
• I cocchi hanno una forma sferica e possono aggregarsi a
coppie, gruppi o catene. Lo Staphylococcus aureus può
essere responsabile di infezioni respiratorie.
• I batteri a spirale includono spirilli, spirochete e vibrioni.
Borrelia burgdorferi è uno spirochete responsabile della
malattia di Lyme.
• I bacilli sono batteri a forma di bastoncello. I batteri del
genere Salmonella possono causare febbre tifoidea o
avvelenamento da cibo.
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Controllo genico nei procarioti
geni
mRNA
Il controllo dell’espressione genica
può avvenire a diversi livelli:
•durante la trascrizione;
•durante la traduzione;
proteine
Proteina
funzionale
•durante le modifiche posttraduzione.
Avviene prevalentemente durante la
fase di trascrizione.
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Operoni
I procarioti hanno strategie per controllare la loro espressione
genica a seconda delle condizioni ambientali.
Un operone è composto da un gruppo di geni strutturali, un
promotore e un operatore.
I geni regolatori codificano per proteine che possono inibire
o attivare la trascrizione.
gene regolatore
promotore
operatore
geni strutturali
operone
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Operone lac
L’operone lac è un esempio di operone inducibile nel batterio
E. coli. In assenza di lattosio, l’operone è inattivo; in presenza
di lattosio l’operone si attiva, promuovendo l’espressione di
enzimi per digerire il lattosio.
NO LATTOSIO
promotore operatore
repressore
LATTOSIO
geni per il catabolismo
del lattosio
RNA polimerasi
TRASCRIZIONE
NESSUNA
TRASCRIZIONE
lattosio
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Operone trp
L’operone trp è un esempio di operone reprimibile nel
batterio E. coli. Quando il triptofano non è presente nel mezzo
di crescita, vengono trascritti i geni per la sintesi degli
amminoacidi. Quando non è presente, inibisce la trascrizione.
NO TRIPTOFANO
TRIPTOFANO
RNA polimerasi
geni per la
sintesi del trp
TRASCRIZIONE
repressore
inattivo
NESSUNA TRASCRIZIONE
trp attiva il
repressore
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Regolazione
dell’espressione
genica negli
eucarioti
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Eucarioti: diversi livelli di controllo
genico
Gli eucarioti possono usare diversi meccanismi per controllare
la loro espressione genica.
Il controllo genico può avvenire:
• prima della trascrizione;
• durante la trascrizione;
• tra la trascrizione e la traduzione;
• durante la traduzione;
• dopo la traduzione.
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Prima della trascrizione: cromatina
Il DNA è sempre associato alle proteine; insieme formano la
cromatina.
nucleosoma
Prima della trascrizione,
avviene il rimodellamento
cromatinico.
I nucleosomi sono
“spacchettati”, e il complesso
di trascrizione del DNA può
legarsi al filamento di DNA.
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Durante la trascrizione: fattori di
trascrizione
fattori di
trascrizione
RNA polimerasi
sequenza regolatrice
(promotore)
I fattori di trascrizione sono
proteine che regolano la
trascrizione del DNA negli
eucarioti.
Permettono alla DNA polimerasi
di riconoscere le sequenze
regolatrici nel DNA e di
cominciare la trascrizione.
TRASCRIZIONE
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Dopo la trascrizione: splicing
alternativo /1
Solo una parte dell’mRNA si traduce in una sequenza di
amminoacidi.
Il trascritto primario (o pre-mRNA) consiste in una sequenza
alternata di esoni ed introni.
esone
introne esone introne
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2
esone introne
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esone introne
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Dopo la trascrizione: splicing
alternativo /2
Dentro al nucleo, gli introni sono rimossi, e avviene lo
splicing alternativo, producendo diversi mRNA a partire
dallo stesso pre-mRNA.
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pre-mRNA
mRNA
1
3
4
splicing alternativo
2
3
1
3
2
3
4
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Dopo la trascrizione: nel citoplasma
Una volta formato, l’mRNA si sposta dal nucleo al citoplasma,
dove avviene la trascrizione.
Alcune molecole di mRNA vengono distrutte prima che
possano attaccarsi al ribosoma.
Alcuni fattori possono interferire con l’mRNA, inibendo il
processo di traduzione.
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Dopo la traduzione: le proteine
vengono modificate e distrutte
Alcune proteine per diventare funzionanti hanno bisogno di
alcune modifiche.
Altre proteine vengono
distrutte dopo essere state
sintetizzate. L’ubiquitina è
una proteina che agisce come
un marcatore, che si lega alle
proteine che devono essere
distrutte.
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Epigenetica
L’epigenetica è lo studio dei cambiamenti nell’espressione
genica che possono essere ereditati ma che non sono
dovuti a mutazioni; possono essere indotti da fattori
ambientali.
Coinvolge processi di metilazione delle basi o
modificazione degli istoni: questi cambiamenti possono
alterare l’espressione dei geni.
Le DNA metiltrasferasi sono enzimi coinvolti in queste
modifiche.
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