IL CONTROLLO DELL’ESPRESSIONE...
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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
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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
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� 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
↓
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� 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
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� 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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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� 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
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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
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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
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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
↓
↓ ↓
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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
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� 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
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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
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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
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Sintesi proteica nei procarioti
Nei procarioti quasi tutto il DNA viene espresso e i processi ditrascrizione e di traduzione avvengono quasi simultaneamente
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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
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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
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Geni regolatori
I GENI REGOLATORI CODIFICANO PER:
REPRESSORI ATTIVATORI
Effettuano un controllo negativo impedendo la trascrizione
Effettuano un controllo positivo favorendo la trascrizione
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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
↓ ↓
↓ ↓
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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
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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
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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
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I virus: caratteristiche generali
I virus sono microrganismi costituiti da un involucro proteico detto capside che contiene il materiale genetico
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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
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Alcuni esempi di virus
Adenovirus(virus dell’influenza)
Virus del Mosaicodel tabacco
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Altri esempi di virus
Batteriofago T4
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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
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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
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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
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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)
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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
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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
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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
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Entrambi i cicli riproduttivi sono caratterizzati da cinque fasi:
Fasi del ciclo virale
� attacco
� penetrazione
� replicazione
� maturazione
� liberazione
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� 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
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� 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
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� 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
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� 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
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� 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
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� 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
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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)
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� 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
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� 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
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� 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
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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
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� 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
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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
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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
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Retrovirus