La regolazione dell’espressione
dei geni negli eucarioti
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Regolazione dell’espressione genica negli eucarioti
zigote
La regolazione dell’espressione genica
interpreta le tappe di realizzazione del
progetto biologico dell’organismo
corpo umano
Regolazione espressione genica negli eucarioti
La regolazione dell’espressione
genica controlla:
Singola cellula
mitosi
Due cellule figlie
contengono copie
identiche di DNA
Espressione
di geni
specifici
neuronali
neurone
Espressione di
geni specifici
epiteliali
Cellula
epiteliale
la duplicazione cellulare
lo sviluppo e il differenziamento
di tipi cellulari specializzati
la risposta agli stimoli
dell’ambiente esterno
il coordinamento tra le funzioni
dei diversi tipi cellulari
Differenziamento cellulare
Eucarioti pluricellulari:
- un singolo organismo, utilizzando
un unico genoma, deve produrre
centinaia di tipi cellulari differenti e
specializzati
- le cellule differenziate sono
prodotte da popolazioni di cellule
precursori, staminali, attraverso
coordinati meccanismi di
regolazione dell’espressione genica
Capacità delle cellule ad eguale
contenuto genico di esprimere i
propri geni:
- in diversa combinazione
- nel momento appropriato
- in tessuti diversi
Espressione genica nell’uomo
Cellula umana contiene circa 25 000 geni
Geni per RNA
Geni per proteine
Ogni cellula in un determinato momento
esprime solo una piccola parte di questo
potenziale ( 5000 geni)
Geni
housekeeping
Geni
tessuto specifici
- enzimi del metabolismo
-
enzimi delle biosintesi
proteine di membrana
proteine della cromatina
proteine dei ribosomi
Differenziamento
Cellulare e tessuto specificità
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Quali informazioni geniche sono
accessibili in una cellula?
Le modificazioni della struttura della cromatina
hanno un ruolo chiave nel controllo dell’attività
trascrizionale dei geni eucariotici
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Nucleosoma
Il primo livello di organizzazione della cromatina è rappresentato dai
nucleosomi: 146 paia di basi del DNA avvolto attorno a un core istonico
composto da 8 molecole di istoni
I nucleosomi sono l’unità base della struttura cromatinica e controllano
l’accessibilità dei geni trascrivibili
Gli istoni del nucleosoma
- due H2A
- due H2B
- due H3
- due H4
Prova
sperimentale
Organizzazione della cromatina
a - eucromatina:
frazione nucleare
trascrizionalmente
attiva ed a bassa
densità
Involucro
nucleare
poro
nucleare
b - eterocromatina:
frazione
trascrizionalmente
inattiva ed
elettrondensa
lamina
Eterocromatina
a
b
eucromatina
sezione al microscopio elettronico
Cromatina e trascrizione
Nella frazione eucromatica il grado di
impacchettamento dei nucleosomi è elevato
Nella frazione eucromatica la struttura è più
rilassata per lasciare libero accesso al
complesso della RNA polimerasi II e ai fattori di
trascrizione
Karp 2008
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Eterocromatina
Eterocromatina costitutiva
• Rimane sempre nello stato condensato in tutte le
cellule e rappresenta DNA permanentemente silente
(regioni che fiancheggiano i centromeri, il braccio
distale del cromosoma Y)
Eterocromatina facoltativa:
corrisponde a porzioni di cromatina che sono state
specificatamente inattivate durante certe fasi della
vita di un organismo o in certi tipi di cellule
differenziate
Cellula staminale emopoietica
Micrografia
elettronica di un
possibile elemento
staminale
pluripotente con
elevato rapporto
tra frazione
eucromatica ed
eterocromatica
Aumento della frazione eterocromatica
nel differenziamento
b
a
a) Mielocito
b) Metamielocito
c
c) Neutrofilo maturo
Cellule del sangue (linea mielocitica) selezionate per illustrare
la maturazione progressiva del nucleo, dal mielocito all’elemento
con nucleo a bastoncino al neutrofilo maturo.
Si osservi la progressiva diminuzione di eucromatina e l’incremento
di eterocromatina a distribuzione periferica (più elettron densa).
Gli istoni e il DNA possono essere modificati chimicamente e le
modifiche hanno effetti sulla espressione genica
Modificazione chimica degli istoni
• Acetilazione (lisine) (attivazione)
• Metilazione (lisine o arginine)
(inattivazione)
• Fosforilazione (serine)
Modificazioni chimiche del DNA
• Metilazione delle citosine
(inattivazione trascrizionale)
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1. Accessibilità dei geni all’apparato
trascrizionale
Meccanismi di attivazione della trascrizione: rimodellamento locale della
cromatina
•
•
•
Eredità epigenetica
Modifiche trasmissibili nella struttura e funzione
del DNA che non coinvolge un cambiamento nella
sequenza del DNA
Le cellule eucariotiche
contengono enzimi che
riarrangiano o modificano gli
istoni
queste modificazioni alterano i
nucleosomi in modo tale che
l’apparato trascrizionale e i
fattori di regolazione possano
legare il DNA
Queste modificazioni possono
essere trasmesse alle cellule
figlie (eredità epigenetica)
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Il corpo di Barr
Il corpo di Barr è visibile nel nucleo interfasico e
corrisponde al cromosoma X condensato e inattivo
dal punto di vista trascrizionale
Inattivazione del cromosoma X
La femmina è un MOSAICO funzionale relativamente ai geni
portati dall’X
Nei gatti l’alternativa pelo rosso/pelo nero è legata all’X. Il maschio può essere nero o rosso,
la femmina risultante dall’incrocio rosso e nero è pezzata : CALICO
La regolazione del’espressione genica avviene a vari livelli
1. Regolazione
Pre-trascrizionale
Esistono molteplici
meccanismi che permettono
di regolare dove, se, quando
e quanto un gene deve essere
trascritto. Essi operano in tre
diversi momenti dei livelli di
regolazione dell’espressione
genica
2. Regolazione
trascrizionale
3. Regolazione
post- trascrizionale
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