IL CONTROLLO DELL’ESPRESSIONE...

IL CONTROLLODELL’ESPRESSIONE GENETICA

� Scopo della regolazione genica� Geni costitutivi e non costitutivi� Regolazione genica dei procarioti� Il modello dell’operone� Operone del triptofano e del lattosio� Regolazione genica negli eucarioti� Cromosoma eucariote� Splicing� Regolazione della traduzione� Link a: sintesi proteica nei procarioti, geni strutturali, geni

regolatori

INDICE

La regolazione genica

La regolazione genica è il processo che permette alla cellula di esprimere alcuni geni e di silenziarne altri

Nel 2002 Sydney Brenner fu insignito del premio Nobel per la Medicina. I suoi studi sulla regolazione genica hanno aperto la strada alla comprensione dei meccanismi cellulari che portano alla formazione di un organismo adulto

� Nel genoma sono presenti geni costitutivi e geni non costitutivi:

Geni costitutivi e non costitutivi

Geni costitutivi (housekeeping) → sono sempre attivi

esprimono proteine indispensabili alla cellula per tutto l’arco della loro vita

� L’espressione dei geni non costitutivi è sottoposta a diversi meccanismi di regolazione

� Sia nei procarioti che negli eucarioti i meccanismi di regolazione genica consentono alle cellule di “rispondere” alla variazione degli stimoli provenienti dall’esterno

� Per non sprecare energia ogni cellula sintetizza solo le proteine necessarie in quel momento

� Negli organismi più complessi ogni tessuto si specializza per svolgere una determinata funzione e non sono espressi i geni che codificano per altre funzioni

Importanza della regolazione genica

� La regolazione genica nei procarioti avviene durante la sintesi proteica, prevalentemente a livello di trascrizione

� La trascrizione ha inizio quando l’RNA-polimerasi si lega a una sequenza denominata promotore

� Esistono geni regolatori che codificano per molecole in grado di impedire o facilitare il legame dell’RNA-polimerasi con il promotore

� L’insieme dei geni che vengono regolati in modo strettamente coordinato è chiamato operone

Regolazione nei procarioti

Secondo il modello di F. Jacob e J. Monod, un operone è un sistema costituito da: un promotore, un operatore e uno o più geni strutturali. L’operone è controllato dal gene regolatore

Operone

I geni strutturali dell’operone “triptofano” codificano per gli enzimi che catalizzano la sintesi di questo amminoacido. Quando il triptofano è presente, non è necessario produrlo: il repressore si lega all’operatore e la trascrizione è bloccata

Operone del triptofano

I geni strutturali dell’operone del lattosio sintetizzano enzimi necessari per la sua demolizione. Quando è presente il lattosio, il repressore libera l’operatore e la trascrizione è attivata

Operone del lattosio

Negli eucarioti le cellule specializzate dei vari tessuti contengono tutte lo stesso genoma ma il proteoma è diverso, cioè le cellule esprimono proteine differenti

Differenziamentonegli eucarioti pluricellulari

Il differenziamento cellulare consiste quindi nell’attivazione di geni differenti

arancione = gene attivovioletto = gene inattivo

Cellule di organismi della stessa specie contengono la stessa quantità di DNA. Nel genoma umano solo il 2% del DNA di ogni cellula codifica per le proteine

Espressione del genoma eucariote

Nelle cellule eucariote, soprattutto negli organismi pluricellulari, i meccanismi della regolazione genica sono molto più complessi che nelle cellule procariote e si realizzano in vari modi:

Espressione genica negli eucarioti

� favorendo o impedendo la trascrizione del DNA

� rielaborando il trascritto primario dell’mRNA

� inibendo la traduzione

� Nelle cellule eucariote la trascrizione e la traduzione avvengono separatamente nel tempo e nello spazio

� Il trascritto primario di RNA subisce un processo di maturazione detto splicing

� Da un singolo gene si possono formare diversi mRNA (splicing alternativo)

Regolazione della sintesi proteica

Un gene eucariote è costituito da un promotore , da un sito di riconoscimento per l’RNA polimerasi , e da sequenze codificanti (esoni ) e non codificanti (introni )

Gene eucariote

Il promotore controlla la trascrizione tramite un complesso sistema costituito da una sequenza nucleotidica ricca di timina (T) e adenina (A), dal TATA box, da fattori di trascrizione (GTF) e da un sito di riconoscimento per l’RNA polimerasi II

Promotore degli eucarioti

A monte del promotore si trovano siti regolatori chiamati:

Enhancer e silencer

enhancer silencer

che sono posti sotto il controllo di proteine dette:

attivatori inibitori

↓ ↓

Spesso i siti enhancer e silencersi trovano lontani dal sito di attacco dell’RNA-polimerasi e, pertanto, interviene un mediatore che mette in comunicazione questi geni

Ruolo del mediatore

� Tutto il gene viene trascritto in mRNA

� Viene aggiunto un cappuccio necessario per indirizzare l’mRNA sui ribosomi e una coda di poli A

� Vengono rimossi gli introni, e gli esoni si legano tra loro formando l’mRNA maturo

Maturazione dell’RNA mediante splicing

Il processo di splicing può avere diverse varianti: l’informazione portata da un gene può infatti determinare la formazione di RNA maturi diversi e la conseguente sintesi di polipeptidi differenti (spicing alternativo)

Spicing alternativo

Anche la traduzione può essere regolata; per esempio, è possibile ostacolare l’attacco dell’mRNA ai ribosomi tramite:

Regolazione a livello della traduzione

� la modificazione della sequenza di attacco (chiamata sequenza leader)

� l’attivazione di un repressore che si lega all’mRNA impedendone la lettura da parte dei ribosomi

Sintesi proteica nei procarioti

Nei procarioti quasi tutto il DNA viene espresso e i processi ditrascrizione e di traduzione avvengono quasi simultaneamente

Caratteristiche della sintesi proteicadei procarioti

� I gruppi di geni strutturali vengono spesso trascritti in un singolo filamento di mRNA

� La traduzione può avvenire a partire dall’estremità 5’ anche quando la molecola di mRNA è ancora in fase di trascrizione

� L’RNA trascritto è distrutto velocemente

� Più polipeptidi sono sintetizzati contemporaneamente

Geni strutturali

� Il gene strutturale è un segmento di DNA che codifica per un polipeptide

� Nel cromosoma batterico i geni strutturali portano spesso l’informazione per funzioni correlate e lavorano in sequenza

� Sono esempi di geni strutturali quelli che codificano per i polipeptidi che costituiscono un particolare enzima o quelli checodificano per gli enzimi che fanno parte di una sequenza biochimica

Geni regolatori

I GENI REGOLATORI CODIFICANO PER:

REPRESSORI ATTIVATORI

Effettuano un controllo negativo impedendo la trascrizione

Effettuano un controllo positivo favorendo la trascrizione

Regolazione del repressore

IL REPRESSORE PUÒ ESSERE:

attivato inattivato

da un corepressore da un induttore

Il triptofano è un corepressore:attiva il repressore e blocca la

trascrizione

Il lattosio è un induttore:disattiva il repressore e avvia la

trascrizione

↓ ↓

Caratteristiche del cromosoma eucariote

� Per genoma si intende il corredo di cromosomi contenuto in ogni cellula di un organismo

� Nelle cellule eucariote i cromosomi sono formati da una doppia elica di DNA che si avvolge intorno a proteine dette istoni, costituendo una struttura chiamata nucleosoma

� I nucleosomi si dispongono in maniera compatta formando un lungo filamento che si attorciglia più volte su se stesso assumendo varie configurazioni di diverso diametro

Eucromatina ed eterocromatina

� L’eucromatina è la forma di DNA despiralizzato, che viene trascritto

� L’eterocromatina è la forma di DNA compatto, che non viene trascritto

� Durante la divisione cellulare, per esempio, il compattamento èmassimo e la trascrizione non avviene

Un cromosoma durante la divisione

I VIRUS

� Caratteristiche dei virus: il capside e il genoma virale

� Classificazione virale

� Fasi del ciclo riproduttivo

� Ciclo litico e ciclo lisogeno

� Latenza

� Retrovirus

� Virus e ricombinazione genica

� Link a: trascrittasi inversa e vaccino

INDICE

I virus: caratteristiche generali

I virus sono microrganismi costituiti da un involucro proteico detto capside che contiene il materiale genetico

I virus:

� sono visibili soltanto al microscopio elettronico e, pertanto, è stato possibile identificarli solo alla fine degli anni ’30

� non contengono citoplasma né dispositivi metabolici

� sono parassiti obbligati in quanto possono riprodursi solo all’interno di una cellula viva

I virus: caratteristiche generali

Alcuni esempi di virus

Adenovirus(virus dell’influenza)

Virus del Mosaicodel tabacco

Altri esempi di virus

Batteriofago T4

Il capside può:

� essere costituito da un’unica proteina che si ripete più volte o da proteine diverse

� avere sulla superficie glicoproteineche servono a riconoscere le cellule bersaglio

Le forme più comuni sono:

� elicoidale , come quella del mosaico del tabacco

� icosaedrica , come quella del virus del raffreddore

Capside

Il capside può essere avvolto da un rivestimento lipoproteico, detto pericapside (o envelope), che deriva dalla membrana della cellula ospite ed ècomposto da un doppio strato di fosfolipidi intervallati da numerose glicoproteine

Pericapside

Genoma virale

Il genoma virale codifica le proteine del capside e uno o più enzimi che catalizzano la sua duplicazione; il genoma virale può essere

� costituito da DNA oppure da RNA

� a doppio filamento o a filamento singolo

� con disposizione lineare o circolare

Classificazione dei virus

I virus si possono distinguere in base all’organismo nel quale si riproducono in:

� batteriofagi (o fagi), che infettano i batteri

� virus vegetali , che infettano le cellule delle piante (come il virus del mosaico del tabacco)

� virus animali , che infettano le cellule animali (come Herpes virus che provoca la varicella)

Ciclo litico e lisogeno

I principali gruppi virali utilizzano meccanismi di riproduzione specifici che si possono ricondurre a due modalità principali:

� il ciclo litico

� il ciclo lisogeno

Ciclo litico

Nel ciclo litico la cellula ospite diventa una “fabbrica” di virus:

� dopo l’ingresso nella cellula ospite, l’acido nucleico e le proteine virali sono prodotti rapidamente sfruttando le strutture e l’energia della cellula

� la cellula ospite si rompe e le particelle virali sono liberate all’esterno

Ciclo lisogeno

Il genoma virale integrato è chiamato profago, se la cellula ospite è un batterio, o provirus, se la cellula ospite è eucariote

Nel ciclo lisogeno il genoma virale si integra nel cromosoma ospite

� Il genoma virale si duplica durante il processo di duplicazione della cellula ospite. Quando questa si divide, quindi, trasmette alle cellule figlie anche il DNA virale (che però non è espresso)

� Dopo migliaia di divisioni cellulari, il DNA virale può attivarsi, staccandosi dal cromosoma e dando inizio a un ciclo litico

Entrambi i cicli riproduttivi sono caratterizzati da cinque fasi:

Fasi del ciclo virale

� attacco

� penetrazione

� replicazione

� maturazione

� liberazione

� L’attacco (o adsorbimento) consiste nella formazione di un legame specifico tra molecole (in genere glicoproteine) presenti sulla superficie virale e molecole proteiche recettrici presenti sulla superficie della cellula ospite

� In tal modo solo alcuni tipi di cellule vengono infettate da un particolare virus: il virus del raffreddore, per esempio, attacca solo le cellule della mucosa nasale

Ciclo riproduttivo dei virus: attacco

� La penetrazione è l’ingresso dell’intera particella virale o l’iniezione del solo acido nucleico all’interno della cellula ospite

� La maggior parte dei fagi inocula il genoma all’interno del batterio, lasciando all’esterno le proteine del capside

Ciclo riproduttivo dei virus: penetrazione

� Quasi tutti i virus umani entrano nella cellula con il capside intatto

� In presenza del pericapside, questo si fonde con la membrana cellulare; altrimenti il virus può entrare per endocitosi

Ciclo riproduttivo dei virus: penetrazione

� La replicazione consiste nella duplicazione del materiale genetico virale utilizzando le risorse energetiche e gli enzimi della cellula ospite

� La replicazione dell’acido nucleico può avvenire con il materiale genetico virale separato da quello della cellula ospite (come si verifica nel ciclo litico) o inserito nel DNA della cellula ospite (come si verifica nel ciclo lisogeno)

Ciclo riproduttivo dei virus: replicazione

� Durante la maturazione sono sintetizzati i componenti strutturali del virus (capside, enzimi virali)

� Nel ciclo litico questa sintesi avviene subito dopo l’infezione, mentre nel ciclo lisogeno il virus può rimanere “latente” (duplicarsi senza produrre nuove componenti strutturali del virus) anche a lungo

Ciclo riproduttivo dei virus: maturazione

� La liberazione dei virus dalla cellula può avvenire per gemmazione o per lisi cellulare

� I virus caratterizzati dalla presenza del pericapsidefuoriescono per gemmazione (es. virus Ebola), i virus senza pericapside per lisi cellulare

Ciclo riproduttivo dei virus: liberazione

Fuoriuscita per gemmazione

I virus che integrano i loro geni all’interno del DNA della cellula ospite sono di due tipi: virus a DNA e retrovirus a RNA

Latenza

� Un esempio di virus a DNA che alterna lunghi periodi di latenza a brevi periodi riproduttivi è l’Herpes simplex che viene attivato da fattori legati a stress fisico o emotivo

� Un esempio di retrovirus a RNA è il virus HIV che provoca la cosiddetta immunodeficienza umana, in quanto colpisce le cellule immunitarie (linfociti T)

� L’integrazione di un virus a RNA in un cromosoma costituito da DNA può avvenire grazie a un importante enzima virale: la trascrittasi inversa

� La trascrittasi inversa copia l’RNA virale in un filamento singolo di DNA complementare (cDNA)

� Dal cDNA si origina una molecola di DNA a doppio filamento che si inserisce nel cromosoma della cellula ospite e si replica con essa

Retrovirus

Meccanismo d’infezione di un retrovirus

� Un virus batteriofago si può comportare da vettore e trasferire DNA da una cellula batterica a un’altra, processo noto come trasduzione

� Durante il ciclo litico di molti virus il DNA batterico si spezza in frammenti

� Alcuni tratti di DNA batterico possono essere inglobati nei nuovi virus

Virus e ricombinazione genica

� Se il virus infetta una nuova cellula batterica e non svolge la fase litica, i geni batterici trasportati dal virus possono essere incorporati nel DNA della nuova cellula ospite

� Questo processo è detto di trasduzione generalizzata poiché qualunque gene batterico può essere trasferito

Trasduzione generalizzata

Quando i profagi si staccano dal cromosoma ospite per iniziare un ciclo litico, possono portarsi dietro un frammento del cromosoma batterico contiguo al sito d’inserzione del profago. In questo caso si parla di trasduzione specializzata , perché solo la porzione di DNA adiacente al DNA virale può essere trasferita

Trasduzione specializzata

� Una successiva infezione porta all’inserzione, nel nuovo genoma batterico, di geni provenienti dal primo ospite

� I geni trasferiti sono quelli situati nella zona contigua all’inserzione del profago, per questo la trasduzione è detta specializzata

Trasduzione specializzata

Trascrittasi inversa

� È un enzima virale in grado di sintetizzare DNA a partire da uno stampo di RNA

� Fu scoperto nel 1975 da Howard Temin e da David Baltimore (premi Nobel per la medicina)

� Ha una frequenza di errore di copiatura piuttosto alta, circa 1 ogni 2000 basi, quindi la frequenza di mutazione è elevata

� A causa dell'elevato tasso di mutazione dei retrovirus, la ricerca scientifica non è ancora riuscita a mettere a punto un vaccino o un farmaco capace di debellare tali virus

Vaccino

� Il vaccino è un preparato contenente materiale costituito da microrganismi o parti di essi, trattati in modo da perdere le proprietà infettive, ma non la capacità di stimolare nel soggetto ricevente la produzione di anticorpi

� Gli anticorpi sono molecole prodotte dai linfociti B che hanno un ruolo fondamentale nel neutralizzare il microrganismo stesso

Retrovirus

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