Regolazione dell’espressione
genica
definizioni
• Gene attivato quando viene trascritto in RNA e
il suo messaggio tradotto in molecole
proteiche specifiche
• Espressione genica processo complessivo con
cui l’informazione genica passa dai geni alle
proteine, ossia dal genotipo al fenotipo.
Tutti i viventi sono in grado di regolare
l’espressione genica
• Attivare o disattivare la trascrizione del DNA è
la modalità principale con cui viene regolata
l’espressione genica, permettendo alla cellula
di produrre particolari tipi di proteine solo
quando e dove sono necessarie.
• La regolazione dell’espressione genica è
diversa nei procarioti e negli eucarioti
Regolazione dell’espressione genica nei
procarioti
Modello dell’operone, unità funzionale del
DNA costituita da un gruppo di geni che
vengono regolati in modo strettamente
coordinato.
• Un operone contiene sempre i seguenti elementi:
uno o, di solito, più geni strutturali, ovvero geni che codificano per determinati
enzimi o proteine necessari alla cellula
un promotore, ovvero una sequenza di DNA che, legandosi all‘RNApolimerasi,
permette l'inizio della trascrizione. L'RNA polimerasi ha infatti bisogno di
riconoscere la sequenza del promotore per iniziare il processo.
un operatore, un frammento di DNA, che regola l'espressione dei geni strutturali.
L'operatore svolge questa funzione interagendo con una specifica proteina
chiamata proteina repressore o proteina attivatore, a seconda che, appunto,
impedisca o stimoli l'espressione.
Inoltre, l'operone può anche contenere un gene regolatore, che codifica appunto per
la proteina regolatrice.
Modello dell’operone
Jacob (1920) Monod (1910-1976) proposero il
modello dell’operone
Geni strutturali
Promotore= precede la sequenza. Permette il legame
con l’RNA polimerasi
Operatore= si può legare ad una proteina detta REGOLATRICE
Regolatore= codifica la REGOLATRICE
Proteine di regolazione si legano a sequenze di controllo
nel DNA 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
L’RNA-polimerasi non può attaccarsi
al promotore
Operone del lattosio disattivato (lattosio assente)
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)
•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.
Figura 11.1D
Regolazione dell’espressione genica
negli eucarioti
avviene a vari livelli
Molte differenze fra il cromosoma
batterico e quello eucariote
• DNA eucariota è presente in grande quantità, ha
un’alta complessità ed è associato a proteine (istoni)
• Presenza di introni, esoni e DNA ripetuto con
funzioni sconosciute
• Negli eucarioti pluricellulari durante lo sviluppo
embrionale le cellule vanno incontro a
differenziamento, cioè espressione selettiva dei geni,
a seconda dei geni attivi ciascuna cellula assume una
specifica struttura e funzione
Qualunque cellula differenziata contiene ancora il
patrimonio genetico completo
Organizzazione
della
Cromatina
l’espressione genica
è correlata al grado
di condensazione del
cromosoma
Nucleosomi: Unità Fondamentale
nell'organizzazione della
Cromatina Eucariotica
La trascrizione negli eucarioti
• Si è dimostrato infatti che nelle cellule eucariote la
regolazione dell'espressione genica dipende
fondamentalmente dal grado di condensazione della
cromatina
• La trascrizione negli eucarioti avviene sostanzialmente in
modo analogo a quella dei procarioti. L'RNA-polimerasi si
assicura al sito del promotore, dispiegando la doppia elica del
DNA. L'enzima si sposta quindi lungo i geni strutturali
utilizzando il filamento come stampo per la sintesi dell'RNA.
• La trascrizione negli eucarioti si differenzia però da quella dei
procarioti per la mancanza dell'operone, in quanto ciascun
gene strutturale viene trascritto separatamente mediante
specifici sistemi di controllo e regolazione
LA REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICA
NEGLI EUCARIOTI
Negli eucarioti pluricellulari lo stato normale per la maggior
parte dei geni sembra essere quello disattivato
1Stato del DNA
Spiralizzazione e condensazione della cromatina
2Trascrizione
È lo stadio più importante di regolazione sia nei procarioti che negli eucarioti
fattori di trascrizione (complessa rete di proteine) che si legano
al DNA (sequenze enhanser) per facilitare il corretto legame
fra l’RNA-polimerasi e il promotore
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
Figura 11.6
Trascrizione
LA REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICA
NEGLI EUCARIOTI
3Processamento dell’RNA
splicing alternativo (polipeptidi diversi da uno stesso gene)
4Traduzione
degradazione del mRNA (tempo di sopravvivenza della
molecola), velocità della sintesi proteica
5Post-traduzione
Attivazione delle proteine, modificazione per diventare
funzionale, trasporto, demolizione
3 splicing alternativo (polipeptidi diversi da uno
stesso gene)
– Completata 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
e genera diverse molecole di mRNA a partire dallo stesso
trascritto di RNA.
Esone
DNA
Trascritto
di RNA
Splicing dell’RNA
mRNA
oppure
Anche la traduzione e le ultime fasi dell’espressione
genica sono soggette a regolazione
4 e 5 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.
