La regolazione dell’espressione
genica
Copyright © 2006 Zanichelli editore
MUTAZIONI
Le mutazioni possono cambiare il significato dei geni
• Qualsiasi variazione nella sequenza nucleotidica del
DNA rispetto alla sua conformazione originale è detta
mutazione.
• Le mutazioni sono causate da errori nella duplicazione
del DNA, da ricombinazione o da agenti mutageni.
DNA di emoglobina normale
C
T
T
mRNA
A
T
G U
A
C
mRNA
G
A
A
Emoglobina normale
Glu
Copyright © 2006 Zanichelli editore
DNA di emoglobina mutante
Emoglobina dell’anemia falciforme
Val
MUTAZIONI PUNTIFORMI
La sostituzione, l’inserzione o la delezione di nucleotidi
alterano un gene con varie conseguenze sull’organismo.
Gene normale
A U G A A G U U U G G C G C A
mRNA
Proteina
Met
Lys
Phe
Gly
Ala
Sostituzione di una base azotata
A U G A A G U U U A G C G C A
Met
Lys
Delezione di una base azotata
Phe
Ser
Ala
U Mancante
A U G A A G U U G G C G C A U
Met
Copyright © 2006 Zanichelli editore
Lys
Leu
Ala
His
MUTAZIONI INDOTTE
Le mutazioni indotte sono
invece prodotte dall'azione di
particolari agenti fisici o chimici
detti appunto agenti mutageni.
Sostituzione delle basi con molecole con
struttura analoga a quelle
comunemente presenti nel DNA ma
che formano appaiamenti diversi e
quindi errati.
Aggiunta di gruppi sostituenti alle basi
azotate: anche in questo caso
generando molecole con capacità di
appaiamento non corrette.
Danneggiamento delle basi: rompendo
legami o aggiungendone di nuovi
rispetto alla condizione normale
Inserzione o delezioni di basi.
Copyright © 2006 Zanichelli editore
La genomica
Cellula
Diversi tessuti umani sono formati da cellule che
si comportano in modo diverso
Ogni cellula contiene una esatta copia del genoma
(che non e’ altro che l’intera sequenza del DNA
dell’organismo)
All’interno del nucleo della cellula ci sono i
cromosomi: 22 paia di autosomi e un paio di
cromosomi sessuali XY
Nei cromosomi si possono individuare porzioni di
DNA codificante chiamati geni
Copyright © 2006 Zanichelli editore
La genomica
Il Progetto Genoma Umano
Il Progetto Genoma Umano (Detto anche HUGO, Acronimo
di HUman Genome Organization) è un progetto
internazionale di ricerca. Lo scopo del progetto è di mappare
il genoma umano, ovvero descrivere la struttura, la posizione
e la funzione dei circa 30.000 geni (25.000 secondo le ultime
ricerche) che caratterizzano la specie umana
Copyright © 2006 Zanichelli editore
La genomica
• Il genoma umano comprende circa 35 000 geni
che codificano per varie proteine, nonché per i
tRNA e gli rRNA.
• Oltre a questi geni, come quello della maggior
parte degli eucarioti complessi, il genoma
umano include un’enorme quantità di DNA non
codificante (circa il 97% del totale).
Copyright © 2006 Zanichelli editore
Il Genoma umano in numeri
• 23 paia di cromosomi;
• circa 2 metri di DNA;
• 3,000,000,000 di paia di basi azotate;
• 20,000-50,000 geni.
Copyright © 2006 Zanichelli editore
Il Genoma umano
• Nella porzione di DNA non codificante sono comprese le sequenze
regolatrici, come i promotori e gli enhancer.
• Il restante DNA, che comprende gli introni, e il DNA non codificante
localizzato tra i geni, è stato chiamato junk DNA, ossia «DNA
spazzatura».
Copyright © 2006 Zanichelli editore
Il Genoma umano
Geni contenuti in una cellula umana
Geni per sintetizzare
RNA
Geni per proteine
Ogni cellula in un determinato momento esprime
questo potenziale (˜ 5000 geni)
Geni costitutivi o housekeeping
metabolismo
biosintesi
membrana
istoni
ribosomali
Copyright © 2006 Zanichelli editore
solo una piccola parte di
Geni tessuto - specifici
DIFFERENZIAMENTO
CELLULARE
Perché ci sono cellule differenti
Se ogni cellula contiene una copia dell’intero genoma
ma le cellule sono di diversi tipi (cellule muscolari, cellule
cardiache, cellule della pelle, cellule del sangue …)
Che cosa le rende differenti ?
per comprenderlo si studia
l’Espressione genica differenziale cioè
quando, dove, e in che quantità ogni gene è espresso.
Copyright © 2006 Zanichelli editore
Differenziamento cellulare
Il processo di differenziamento
dà origine a una grande varietà
di cellule specializzate
• 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.
Copyright © 2006 Zanichelli editore
Differenziamento cellulare
• 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.
Cellule muscolari
Copyright © 2006 Zanichelli editore
Cellule del pancreas
Cellule del sangue
Differenziamento cellulare
Le cellule differenziate possono conservare tutto il
loro potenziale genetico
Le cellule differenziate esprimono solo una piccola
percentuale dei loro geni.
Radice di una pianta
di carota
Singola cellula
Cellule radicali
coltivate in una soluzione
nutritiva
Copyright © 2006 Zanichelli editore
Le cellule
Germoglio Pianta adulta
si dividono
nel terreno di coltura
Struttura dei cromosomi e espressione dei geni
Spiralizzazione del DNA in un cromosoma eucariotico:
Doppia elica di DNA
(2 nm di diametro)
Istoni
Linker
TEM
«Perle di una
collana»
Nucleosoma
(10 nm di diametro)
TEM
Fibra elicoidale compatta Superavvolgimento
(30 nm di diametro)
(300 nm di diametro)
Copyright © 2006 Zanichelli editore
Cromosoma in metafase
700
nm
Struttura dei cromosomi e espressione dei geni
• Questa fibra elicoidale compatta
si avvolge e ripiega
ulteriormente.
• Presumibilmente, la
spiralizzazione 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.
Copyright © 2006 Zanichelli editore
Struttura dei cromosomi e espressione dei geni
Copyright © 2006 Zanichelli editore
Nucleosoma
Un nucleosoma è formato da un filamento di DNA avvolto attorno a un
nucleo proteico centrale costituito da otto istoni.
L’avvolgimento del DNA intorno agli istoni consente
l’impacchettamento di 176 cm di DNA in un nucleo del diametro di
pochi µm
Copyright © 2006 Zanichelli editore
Istoni
Gli istoni sono proteine cariche
positivamente. Essi
interagiscono con il DNA, che è
carico negativamente per
l'abbondanza di gruppi fosfato.
Ciascun istone presenta una lunga
coda che si estende fuori dal
nucleosoma, queste code
possono subire numerose
modificazioni che influiscono
sulla struttura della cromatina,
ad esempio facilitando la
trascrizione di un gene oppure
contribuendo alla sua
inibizione
Copyright © 2006 Zanichelli editore
Cromatina
La cromatina è formata da DNA, avvolto su gruppi di istoni (proteine basiche),
formando un nucleosoma, e da proteine non-istoniche (proteine neutre o
acide); essa è poi ripiegata in vario modo
eucromatina: meno condensata e corrisponde a zone in cui vi è un'intensa
attività di trascrizione per la sintesi proteica
eterocromatina: più condensata, non sembra presentare attività di trascrizione.
Copyright © 2006 Zanichelli editore
Telomeri
Il telomero è la regione terminale del cromosoma, da cui deriva il nome stesso,
composta di DNA altamente ripetuto, che non codifica per alcun prodotto
proteico.
Ha un ruolo determinante nell'evitare la perdita di informazioni durante la
duplicazione dei cromosomi. La DNA polimerasi, infatti, non è in grado di
replicare il cromosoma fino alla sua terminazione; se non ci fossero i telomeri,
che quindi vengono accorciati ad ogni replicazione, la replicazione del DNA
comporterebbe in ogni occasione una significativa perdita di informazione
genetica
Copyright © 2006 Zanichelli editore
La regolazione dell’espressione genica
Copyright © 2006 Zanichelli editore
I livelli di regolazione dell’espressione genica
NUCLEO
Meccanismi epigenetici: controllo a lungo
DNA
raggio mediante rimodellamento della struttura
della cromatina
controllo trascrizionale: legame di
fattori trascrizionali tessuto specifici,
legame diretto di ormoni, fattori di
crescita o elementi intermedi a elementi Trascritto primario
risponsivi di geni inducibili (precursore)
controllo post-trascrizionale: splicing
alternativo, polyA alternativo, RNA editing tessutospecifico
mRNA
controllo del trasporto
CITOPLASMA
controllo
traduzionale
traduzione
mRNA
controllo della stabilità
degradazione
PROTEINA
controllo post-traduzionale
PROTEINA attiva o inattiva
Copyright © 2006 Zanichelli editore
Controllo durante la trascrizione
Negli eucarioti la trascrizione è controllata da complessi
aggregati di proteine
• Vi sono proteine di regolazione che, legandosi al
DNA, attivano o disattivano la trascrizione.
• I meccanismi di controllo comprendono proteine che si
legano a segmenti specifici del DNA (con sistemi più
complessi di quelli dei procarioti).
Copyright © 2006 Zanichelli editore
Controllo durante la trascrizione
I fattori di trascrizione
Alcune proteine di regolazione, chiamate fattori di
trascrizione, favoriscono l’inizio della trascrizione.
Intensificatori
Promotore
Gene
DNA
Induttori
Fattori di
trascrizione
Altre
proteine
RNA-polimerasi
Ripiegamento
del DNA
Trascrizione
Copyright © 2006 Zanichelli editore
Controllo durante la trascrizione
La coordinazione dell’espressione genica negli eucarioti
• Negli eucarioti la coordinazione dell’espressione
genica sembra dipendere dalla presenza di una
specifica sequenza enhancer. Gli enhancers sono
sequenze nucleotidiche che esplicano la loro funzione
aumentando notevolmente (fino a 200 volte) la
frequenza di trascrizione del gene che
• Diverse copie di fattori di trascrizione che
riconoscono queste sequenze di DNA si legano a
esse promuovendo la trascrizione simultanea dei
geni.
Copyright © 2006 Zanichelli editore
Controllo dopo la trascrizione
L’RNA eucariotico viene modificato prima di lasciare
il nucleo
• Il tipo di RNA che codifica per le sequenze di
amminoacidi è detto RNA messaggero (mRNA).
• Le regioni di geni non codificanti, chiamate
introni (cioè «sequenze che interrompono»),
vengono rimosse.
• Gli esoni (le regioni codificanti) si uniscono per
produrre una singola molecola codificante di
mRNA. Questo processo è chiamato splicing.
Copyright © 2006 Zanichelli editore
Controllo dopo la trascrizione
i segmenti non codificanti (introni) vengono rimossi grazie al
processo di splicing.In alcuni casi la cellula svolge lo splicing
in maniera differente (splicing alternativo) e genera diverse
molecole di mRNA a partire dallo stesso trascritto di RNA.
Esone
DNA
Trascritto
di RNA
Splicing dell’RNA
mRNA
Copyright © 2006 Zanichelli editore
oppure
Controllo durante la traduzione
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;
• attivazione della traduzione;
• modificazione dei polipeptidi tradotti;
• demolizione delle proteine.
Copyright © 2006 Zanichelli editore
Controllo dopo la traduzione
L’attivazione delle proteine
I polipeptidi che si formano dopo la traduzione non
sempre sono già pronti ad agire: spesso devono essere
modificati per diventare funzionali.
Ripiegamento del polipeptide
e formazione dei legami S—S
Taglio
S S
Polipeptide iniziale
(inattivo)
Copyright © 2006 Zanichelli editore
Polipeptide ripiegato
(inattivo)
S S
Insulina
(ormone attivo)
La regolazione dell’espressione genica
Una visione
d’insieme
dell’espressione
genica negli
eucarioti
I molteplici
meccanismi che
controllano
l’espressione
genica sono
analoghi alle
valvole di
controllo delle
tubazioni.
Copyright © 2006 Zanichelli editore
Il Dogma Centrale della biologia molecolare (Crick, 1957)
Affermava che
L’ espressione dell’informazione genetica contenuta nelle
molecole di DNA, avviene in due stadi e determina una data
proteina a partire da un dato segmento di DNA:
–(i) trascrizione, durante la quale il DNA è trascritto in mRNA
–(ii) traduzione, durante la quale l’ mRNA è tradotto per produrre
la proteina associata
DNA
mRNA
Copyright © 2006 Zanichelli editore
proteina
Ma il dogma centrale della biologia è stato messo in dubbio
dalle ricerche successive sui processi di controllo dell’espressione
genica e oggi si deve comprendere :
1) La Funzione Genica
Sperimentalmente sono stati identificati ~ 10.000 geni
Un singolo gene solitamente è implicato in più di una
funzione biologica
Solo una piccola parte dei ~ 10.000 geni identificati ha
almeno una funzione certa
Copyright © 2006 Zanichelli editore
2) La regolazione genica
Si ipotizza che geni espressi in modo simile nelle stesse condizioni
sperimentali siano regolati da promotori (sequenze che precedono
il gene) simili
Si suppone che geni regolati dalle stesse proteine siano coinvolti
negli stessi processi biologici (e che quindi abbiano funzioni
simili)
Copyright © 2006 Zanichelli editore
