Biologia 14 Regolazione dellespressione genica 1

Biologia 14 Regolazione dellespressione genica

Overview

La regolazione genica un processo mediante il quale una cellula decide quali geni devono funzionare (controllo qualitativo) e quanto (controllo quantitativo) funzionare (ad esempio: al 10%, 30%, 70% ). Questo processo alla base della differenziazione cellulare, della variabilit tissutale e delladattamento allambiente.

Differenziazione cellulare

La differenziazione cellulare un processo mediante il quale cellule non specializzate (staminali) diventano specializzate, acquisendo funzioni e forme particolari. Tutte le cellule di un organismo, pur essendo tra loro molto diverse (per forma e funzioni), hanno gli stessi geni (che, nel caso delluomo, sono circa 30.000). Questo dovuto alla diversa regolazione genica che attiva alcuni geni (circa 5000) e ne silenzia altri (circa 25.000). Per esempio, la cellula muscolare lascia funzionare i geni coinvolti nella contrazione e ne silenzia altri (per esempio quelli della secrezione di muco). La cellula mucosa dello stomaco, invece, attiva i geni per la produzione di muco e ne silenzia altri (per esempio quelli della contrazione). I geni attivati possono essere di 2 tipi:

i geni costitutivi (housekeeping), che gestiscono le funzioni basali di tutte le cellule (ad esempio, la sintesi delle membrana cellulari, dellRNA, degli istoni, etc);

i geni regolati, cio quei geni la cui trascrizione e traduzione soggetta a controlli (per cui possono essere pi o meno attivati o silenziati).

Variabilit tissutale

La variabilit tissutale una caratteristica in base alla quale una stessa cellula pu assumere forma e funzioni diverse, a seconda dei tessuti in cui si trova. Per esempio, il monocita (un particolare tipo di globulo bianco) migra dal sangue verso vari tessuti (fegato, polmone, osso, cervello), assumendo, in essi, forme e funzioni diverse.

Adattamento allambiente

Il processo di adattamento allambiente un fenomeno in base al quale una stessa cellula in uno stesso tessuto pu modificare il suo stato funzionale e morfologico in base alle condizioni ambientali esterne. Per esempio, una cellula riduce lattivit di sintesi delle proteine ed attiva la respirazione anaerobica in condizioni di carenza di ossigeno e riprende la sintesi proteica e riattiva la respirazione aerobica quando lossigeno torna ad essere nuovamente disponibile.

Meccanismi

Il controllo dellespressione genica pu avvenire a diversi livelli: genomico, trascrizionale, post-trascrizionale (di maturazione e trasporto dellmRNA), traduzionale e post-traduzionale.

Regolazione genomica

La regolazione genomica comprende tutti quei processi di regolazione che intervengono sul DNA. Questi sono rappresentati da:

Modificazioni del DNA:

lamplificazione genica (aumento di numero delle copie di un gene);

la ricombinazione genica (geni o parti di essi che si combinano dando origine a trascritti e, quindi, a prodotti diversi);

la delezione genica (perdita della funzione di un gene o di parte di esso):

linserimento di genomi virali.

Controllo pre-trascrizionale: anche detto controllo epigenetico (controllo a monte dei geni), comprende una serie di processi chimici che modificano laccessibilit dei geni alla trascrizione e, quindi, lattivit stessa dei geni.

Metilazione del DNA. Si tratta dellaggiunta di un gruppo metile (CH3) al carbonio 5 di una citosina. Possono essere metilate solo le citosine che stanno vicino ad una guanina. I di-nucleotidi C-G non sono molto frequenti nel DNA, per, quando presenti, si trovano spesso raggruppati in cluster (grappoli) e sono chiamati isole CpG (Citosina-fosfato-Guanina). Queste isole si trovano per lo pi in prossimit delle regioni promoter e la loro metilazione determina un blocco dei promoter e, quindi, il blocco della trascrizione del gene correlato. Infatti, le sequenze di DNA che sono metilate hanno la capacit di legare alcune particolari proteine che, a loro volta, richiamano listone-deacetilasi e listone-metilasi (vedi dopo). Questi due enzimi causano un compattamento di quella determinata regione del DNA (e quindi limpossibilit ad essere letta e trascritta). La metilazione del DNA pu essere ereditabile e reversibile ed alla base del fenomeno dellimprinting genico, dellinattivazione del

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cromosoma X e del mosaicismo di espressione.

Limprinting genico un processo che blocca la funzione di una delle due copie di un gene (quello paterno o materno). Normalmente, la copia materna e quella paterna di un gene sono entrambe espresse; nel fenomeno dellimprinting, una delle due copie viene metilata e quindi inespressa.

Anche nel caso del cromosoma X avviene una cosa simile, solo che non riguarda alcuni geni bens l'intero cromosoma. Durante lo sviluppo (periodo della tarda blastocisti) in ogni cellula di un individuo di sesso femminile viene inattivato, a caso, uno dei due cromosomi X. Di conseguenza, una parte delle cellule esprimer i geni del cromosoma X paterno e l'altra parte esprimer i geni del cromosoma X materno (mosaicismo di espressione). Al momento della ovogenesi il cromosoma silente che presente nel nucleo dellovocita come un ammasso di cromatina densa (corpuscolo di Barr), si riattiva affinch la cellula uovo possa avere al suo interno un cromosoma X funzionante e sia pronta per un eventuale fecondazione. Anche nel caso della spermatogenesi il singolo cromosoma X presente come corpuscolo di Barr si riattiva affinch lo spermatozoo interessato possa avere, alla fine della meiosi, un cromosoma X funzionante o un Y.

Modifiche degli istoni. Si tratta di modifiche chimiche a carico della estremit N-terminale degli istoni. Questa estremit formata da una sequenza di 60-70 aminoacidi e sporge al di fuori del nucleosoma (per questo motivo chiamata anche coda). Le principali modifiche a carico di questa coda sono:

Metilazione (aggiunta del gruppo metile CH3), che provoca una compattazione del DNA e, quindi, un impedimento alla trascrizione. Lenzima responsabile della metilazione listone-metilasi.

Acetilazione (aggiunta del gruppo acetile CH3CO-), che impedisce la compattazione e, quindi, rende trascrivibile il DNA. Lenzima che produce lacetilazione lacetil-transferasi; quello che elimina lacetilazione , invece, listone-deacetilasi.

Fosforilazione (aggiunta di un gruppo fosfato), crea una forza repulsiva tra le cariche negative dei fosfo-istoni e, quindi, uno scompattamento del DNA. La sua azione finale quella di favorire la trascrizione.

Ubiquitinazione (aggiunta dellubiquitina) favorisce, come lacetilazione e la fosforilazione, la trascrizione dei geni.

Il controllo pre-trascrizionale sfruttato anche dagli attivatori-repressori, nonch dagli enhancer e silencer che, attraverso modifiche dello stato di condensazione del DNA, regolano lespressione genica... spesso in un meccanismo di tipo combinatorio (in cui leffetto finale deriva dalla somma degli effetti stimolatori ed inibitori).

Regolazione trascrizionale

La regolazione del processo di trascrizione (regolazione trascrizionale) affidata ad una serie di elementi che prendono parte al processo di trascrizione. Questi elementi, combinandosi variamente tra loro, influenzano in maniera molto variabile il processo. Gli elementi in questione sono:

i fattori di trascrizione,

gli attivatori, repressori, co-attivatori e co-repressori,

i promoter della RNA-polimerasi II,

gli elementi regolatori prossimali e distali.

Regolazione post-trascrizionale

La regolazione post-trascrizionale affidata a tutti quei processi che modificano lmRNA, dalla sua origine (pre-mRNA) alla sua completa maturazione e trasporto nel citoplasma. I principali processi di regolazione a questo livello sono:

Splicing alternativo.

Editing.

Controllo dei nuclear basket.

Controllo della stabilit e durata degli mRNA nel citoplasma. Gli mRNA possono subire diverse forme di degradazione quando raggiungono il citoplasma. Le principali sono:

Degradazione dipendente dalla coda Poli-A. La coda poli-A influisce molto sulla stabilit e durata degli mRNA. Generalmente, pi lunga e maggiore la durata dellmRNA. Nel tempo, per, la coda Poli-A subisce (per effetto di vari fattori) una progressiva de-adenilazione

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(perdita di nucleotidi adenosinici) e quando si riduce troppo, la proteina viene degradata. Nota 2

Degradazione indipendente dalla coda Poli-A. Si tratta di un processo di decapitazione (de-capping) del cappuccio in posizione 5. In conseguenza di ci, lmRNA viene attaccato e distrutto da una eso-nucleasi 5-3. Talvolta, per, i tagli possono avvenire anche allinterno della molecola di mRNA, ad opera di endo-nucleasi.

Controllo della localizzazione degli mRNA nel citoplasma ( stato visto che nel moscerino Drosophila, la localizzazione citoplasmatica dei vari mRNA incide sul sviluppo definitivo del moscerino).

Mascheramento dellmRNA (alcune proteine si legano allmRNA, lo mascherano e ne impediscono la traduzione. Questo fenomeno associato alle prime fasi di sviluppo embrionale). Si visto che la sintesi proteica nelle prime fasi di sviluppo embrionale dipende da mRNA precedentemente sintetizzati, bloccati ed accumulati col meccanismo del mascheramento proteico (infatti, pur utilizzando farmaci che bloccano la trascrizione, la sintesi proteica avviene ugualmente).

Distruzione/inattivazione da parte dei siRNA e miRNA.

Regolazione traduzionale

La regolazione tradizuonale soggetta a controllo da parte delle seguenti condizioni:

Disponibilit dei fattori di inizio, di allungamento e di rilascio.

Disponibilit di aminoacil-tRNA.

Regolazione da precursore (ad esempio, la sintesi della ferritina).

Regolazione da prodotto (ad esempio, un eccesso di prodotto pu inibire la traduzione a diversi livelli).

Regolazione post-traduzionale

Comprende tutti quei fattori che intervengono dopo la sintesi delle proteine (quindi dopo la traduzione). Questo tipo di regolazione soggetta a controllo da parte delle seguenti condizioni:

Modifiche chimiche post-traduzionali.

Modifiche conformazionali post-traduzionali.

Destinazione.

Distruzione lisosomiale.

Distruzione ubiquitina-dipendente.