Il flusso e la regolazione dell’informazione genicaLezione nr. 8 Psicobiologia

L’informazione che viene trascritta non riguarda tutto il DNA ma solo delle particolari sequenze definite GENI.

Tipologie dei GENI:

L’informazione che viene trascritta non riguarda tutto il DNA ma solo delle particolari sequenze definite GENI, che possono essere attribuiti ad almeno 3 diverse categorie:

• Geni strutturali, trascritti negli mRNA, contengono una sequenza specifica (regione codificante) che codifica per la struttura primaria di una particolare proteina o di una sua sub-unità

• Geni ribosomali, trascritti negli rRNA, si associano alle proteine ribosomali, creando i ribosomi.

• Geni degli RNA transfer, trascritti negli tRNA, legano i singoli amminoacidi ponendoli nel giusto ordine durante la sintesi proteica.

Differenze nel flusso dell’informazione genetica fra procarioti ed eucarioti.

Anche se i processi alla base della trasmissione dell’informazione genetica è simile fra eucarioti e procarioti, vi sono ovviamente notevoli differenze, nei procarioti infatti:

• Quantità assolutamente inferiore di materiale genetico

• Cambiano le modalità di trascrizione e processamento dei vari tipi di RNA prima che essi siano disponibili per la traduzione

• I trascritti primari vengono processati ed utilizzati all’interno dello stesso ambiente

Immagine 4.8

La prima fase dell’espressione genica: la trascrizione

Il processo di trascrizione avviene grazie ad un enzima chiamato RNA polimerasi.

Tuttavia a seconda della tipologia di gene e quindi dell’RNA che dovrà essere sintetizzato, cambia la tipologia di RNA polimerasi adottata.

In particolare:

• RNA polimerasi I trascrive gli rRNA di grandi dimensioni

• RNA polimerasi II trascrive gli mRNA e gli rRNAnucleare (ribozimi)

• RNA polimerasi III trascrive gli rRNA di piccole dimensioni ed i tRNA

La prima fase dell’espressione genica: la trascrizione

Trascritti primari di mRNA

1) Capping sull’estremità 5’ viene aggiunto un «cappuccio» consistente in un nucleotide con guanina metilata

2) Splicing taglio di alcune parte che saranno poi eliminate (introni), lasciando così che siano solo alcuni frammenti, definiti esoni a formare la sequenza finale di mRNA. Gli esoni saranno poi definiti in regioni regolatrici e regioni codificanti.Le particelle che tagliano gli introni e gli esoni sono definiti spliceosomi

3) Poliadenilazione Viene aggiunta una lunga coda di adenine (qualche centinaio) detta poliA, che serve a regolare la stabilità degli mRNA e nel controllo della traduzione

4) Editing Cambiamento di alcune sequenze nucleotidiche a carico di enzimi chiamati deaminasi

regolatrici codificanti

Immagine 4.9

La prima fase dell’espressione genica: la trascrizioneLa prima fase dell’espressione genica: la trascrizione

Trascritti primari di rRNA vengono tutti prodotti in una regione nucleare chiamata nucleolo

1) Splicing taglio ed eliminazione di sequenze spaziatrici. Successivamente le parti rimanenti formano la subunità ribosomale maggiore e la subunità ribosomale minore

2) Editing

Immagine 4.11

La prima fase dell’espressione genica: la trascrizione

Trascritti primari di tRNA

1) Splicing taglio estremità 5, modificazione estremità 3 con aggiunta di nucleotidi CCA

2) Editing

Immagine 4.12

La seconda fase dell’espressione genica: la traduzione

Fin dalla scoperta della struttura del DNA, il problema principale era rappresentato dalla comprensione di come un codice basato su quattro elementi (i 4 nucleotidi del DNA) potesse essere letto, tradotto ed utilizzato per generare le proteine che sono dei polimeri composti dalla combinazione di 20 elementi (i 20 amminoacidi).

Questo codice genetico è stato decifrato negli anni 60, e sono state rese note le sue due caratteristiche principali:

• Universalità tutti gli organismi viventi, sia eucarioti che procarioti, utilizzano lo stesso codice genetico; evoluzione del progenota (sistema biologico ancestrale)

• Ridondanza (o degenerazione) ogni amminoacidi è generato da un codice di 3 nucleotidi (codone), in un rapporto quindi 3:1. Tale rapporto implica però che si possono avere un numero massimo di 64 combinazioni, numero maggiore dei 20 amminoacidi. Quindi ogni amminoacido è codificato da più di un codone.

Tabella 4.2

La seconda fase dell’espressione genica: la traduzione

Il ruolo e la struttura dei tRNA

Amminoacil-tRNA sintetasi

Immagini 4.13 e 4.14

La seconda fase dell’espressione genica: la traduzione

Il ruolo e la struttura del ribosoma

Immagine 4.15

La seconda fase dell’espressione genica: la traduzione

Immagine 4.16 e 4.17

La regolazione dell’espressione genica

I geni di ogni cellula non vengono trascritti e tradotti tutti nello stesso momento, al contrario una serie di processi regolativi agisce a più livelli per permettere solo ad una piccola frazione di geni di dare origine a prodotti proteici.

Nello specifico:

1. Un primo livello di regolazione è quello della trascrizione, che permette ad alcuni geni di essere trascritti (attivi) ed ad altri di rimanere silenti (inattivi)

2. Un secondo livello di regolazione è effettuato circa i tempi e l’effettiva maturazione dei trascritti primari

3. Il terzo livello di controllo, riguarda la regolazione diretta delle funzioni proteiche (modificazioni post-traduzionali)

4. L’ultimo livello riguarda la regolazione circa la velocità di degradazione delle proteine

La regolazione dell’espressione genica

1. Un primo livello di regolazione è quello della trascrizione, che permette ad alcuni geni di essere trascritti (attivi) ed ad altri di rimanere silenti (inattivi)

La possibilità di trascrivere determinati geni dipende anche dall’accessibilità al DNA da parte dei fattori di trascrizione. Il DNA avvolto agli istoni è infatti inaccessibile ai FT.Per tali motivi operazioni come la acetilazione o fosforilazione del DNA servono a renderlo disponibile ad essere trascritto.

La regolazione dell’espressione genica

Gli istoni sono legati al DNA per via del gran numero delle loro code di lisina (positive) che si legano ai gruppi fosfati (negativi) che sono sul DNA.L’acetilazione consiste nel legare gruppi acetili (negativi) alle code di lisina, così da rendere più lasso l’avvolgimento del DNA agli istoni.

A fornire questa operazione ci pensano due enzimi:

Istone acetil-transferasi iperacetilazione (cromatina ATTIVA)

Istone deacetilasi ipoacetilazione (cromatina INATTIVA)

Immagine 4.21

La regolazione dell’espressione genica

Un’altra via di decondensare la cromatina, permettendo così la trascrizione, è l’uso di proteine non istoniche che servono a rimodellare la cromatina, svolgendo o i tratti di DNA utili per la trascrizione, o separando alcuni istoni per liberare altri tratti.

Immagine 4.22

La regolazione dell’espressione genica

A livello della cromatina, esiste infine un’ultima tipologia di controllo dell’espressione genetica, chiamata metilazione del DNA, che avviene ad opera di un enzima chiamato DNA-metil-transferasi, che lega dei gruppi metilici alla citosina presente in sequenze dinucleotidiche CG. La metilazione crea delle isoleCpG, bloccando difatti l’espressione di un gran numero di geni.

Questo tipo di inibizione è particolarmente utile durante lo sviluppo o nel cosiddetto imprinting genomico, dove alleli paterni e materni vengono metilati in maniera differente.

La regolazione dell’espressione genica

1. Un primo livello di regolazione è quello della trascrizione, che permette ad alcuni geni di essere trascritti (attivi) ed ad altri di rimanere silenti (inattivi)

Questo controllo è effettuato grazie a delle proteine, chiamate «fattori di trascrizione» che si legano alla porzione di DNA da trascrivere, consentendo dunque l’arrivo dell’RNApolimerasi.

Possiamo avere:

• Fattori di trascrizione generali agiscono su tutti i geni che possono essere trascritti dalla RNApolimerasiII.

• Fattori di trascrizione specifici modulano l’attività della RNApolimerasiII legandosi a specifiche sequenze chiamate cis-agenti e che generalmente si trovano a monte rispetto al promotore.

Immagini 4.18 e 4.19

La regolazione dell’espressione genica • Fattori di trascrizione specifici comprendono dei fattori di trascrizione divisibili in:

AttivatoriIntensificatoriInibitori

Immagine 4.20

La regolazione dell’espressione genica

Inibitori

• Legandosi in maniera competitiva nei siti destinati agli attivatori

• Interferendo direttamente nella funzione degli attivatori

• Oppure alcuni inibitori definiti attivi, interagiscono direttamente con i fattori di trascrizione generali

La regolazione dell’espressione genica

La regolazione dell’espressione genica

1. Un primo livello di regolazione è quello della trascrizione, che permette ad alcuni geni di essere trascritti (attivi) ed ad altri di rimanere silenti (inattivi)

Un ultimo sistema di regolazione in merito alla trascrizione, dipende dalla disponibilità all’interno della cellula dei fattori di trascrizione (specifici).

Ovviamente ogni cellula non possiede tutti i fattori di trascrizione sempre disponibili, ma di norma solo i fattori di trascrizione necessari a quella determinata cellula per esprimere le sue caratteristiche fenotipiche.

Molti di questi fattori di trascrizione sono attivati in risposta a legami con proteine o in seguito alla attivazione con neurotrasmettitori od ormoni, secondo lo schema tipico dei canali metabotropi.

Immagine 4.23

Un secondo livello di regolazione è effettuato circa i tempi e l’effettiva maturazione dei trascritti primari

La regolazione dell’espressione genica

I tempi di maturazione e le modifiche in cui incorrono le tre tipologie dei trascritti primari, necessitano di tempi diversi:

tRNA ed rRNA giorni

mRNA ore

Ne deriva che la stabilità di un RNA di una cellula è il primo parametro di controllo della sua funzione.

Le molecole degradate velocemente vanno sintetizzate ad alta velocità, mentre quelle ad emivita più lunga, più lentamente.

La regolazione dell’espressione genica

Attraverso lo splicing alternativo (diverse combinazioni di introni ed esoni), od i processi di editing, lo stesso trascritto di RNA può codificare per proteine differenti.

Immagine 4.24