La regolazione dell’espressione genica

Quali sono i meccanismi che determinano l’accensione o lo spegnimento dell’espressione

di un gene?

La regolazione dell’espressione genica

• Nei procarioti: – un’espressione genica selettiva permette alle

cellule di risparmiare energia– La regolazione avviene prevalentemente a

livello trascrizionale

• Negli eucarioti: – l’espressione genica selettiva permette alle

cellule di svolgere ruoli specializzati– La regolazione avviene a vari livelli

Regolazione genica nei procarioti

• Geni costitutivi: sono costantemente attivi (es. geni che codificano per gli enzimi della glicolisi)

• Geni regolati: la loro espressione è regolata in modo tale che che la quantità del corrispondente prodotto (proteina o RNA) è controllata in relazione al fabbisogno cellulare (es. sintesi adattativa di enzimi)

I batteri utilizzano strategie diverse per regolare la sintesi degli enzimi

• Vie cataboliche e induzione da substrato

• Vie anaboliche e repressione da prodotto finale

Gli enzimi che catalizzano queste vie sono spesso regolati in modo coordinato: la sintesi di tutti gli enzimi coinvolti in una particolare via viene attivata o repressa simultaneamente

Vie cataboliche e induzione da substrato

Vie anaboliche e repressione da prodotto finale

La sintesi del triptofano

Caratteristiche comuni ai due processi

1. Il controllo è effettuato a livello genomico

2. Il controllo viene indotto da piccole molecole (effettori) che modificano la conformazione di molecole che controllano l’espressione genicaPer le vie cataboliche i substrati (lattosio)

Per le vie anaboliche i prodotti finali (triptofano)

I geni coinvolti nel catabolismo del lattosio sono organizzati in un operone inducibile

La delezione del gene lac I origina cellule che producono sempre le tre proteine indipendentemente dalla presenza dell’induttore

Lac I codifica per un repressore

Regolazione dell’operone lac

I repressori e gli attivatori sono molecole proteiche che legano il DNA

Regolazione della sintesi del triptofano: operone reprimibile

Gli operoni lac e trp spiegano il controllo negativo della trascrizione

• Per le vie cataboliche la forma attiva del repressore (che si lega al DNA) è rappresentata dalla proteina repressore libera dall’effettore

• Per le vie anaboliche la forma attiva è quella della proteina repressore legata all’effettore che in questo caso può definirsi corepressore

In entrambi i casi il risultato è lo stesso: il repressore attivo previene la trascrizione dell’operone bloccando il legame della RNA polimerasi al DNA

Controllo positivo della trascrizioneLa forma attiva della proteina regolativa “accende” l’espressione dell’operone

Esempio: repressione da catabolitaIl glucosio ha la capacità di inibire la sintesi degli enzimi catabolici prodotti dagli operoni batterici inducibili

Il glucosio agisce inibendo indirettamente l’adenilato ciclasi l’enzima che catalizza la sintesi di cAMP da ATP. Quindi più è alta la concentrazione di glucosio meno cAMP è prodotto.Il cAMP agisce legando la proteina recettore del cAMP (CRP) che è un attivatore della trascrizione

Il Fenomeno dell’attenuazione permette la regolazione della trascrizione dopo la fase di inizio

Yanofsky: l’operone trp possiede un nuovo sito di regolazione negativa chiamato sequenza leader (o L) che viene trascritta per produrre un segmento di mRNA leader di 162 nucleotidi, localizzato al 5’ dell’mRNA poligenico trp.

La sequenza leader dell’mRNA del triptofano

L’attenuazione nell’operone trp

Differenze della regolazione genica fra procarioti ed eucarioti • Dimensione e complessità del genoma

• Compartimentazione del genoma

• Organizzazione strutturale del genoma

• Stabilità dell’mRNA

• Modificazione post-traduzionale delle proteine

• Turnover delle proteine

Livelli multipli di regolazione dell’espressione genica degli eucarioti

•Regolazione trascrizionale

•Regolazione post-trascrizionale

•Meccanismi epigenetici e controllo dell’espressione genica a lunga distanza

I meccanismi di controllo usati per regolare l’espressione dei geni umani devono essere molto più complessi da quelli utilizzati dagli altri organismi.

Cellula umana contiene circa 30000 geni

RNA genes

Geni per proteine

Ogni cellula in un determinato momento esprime solo una piccola parte di questo potenziale (˜ 5000 geni)

Geni housekeeping Geni tessuto - specifici metabolismobiosintesimembranaistoniribosomali DIFFERENZIAMENTO

CELLULARE

A QUESTA ESPRESSIONE SELETTIVA NON CORRISPONDE (IN GENERE) UNA VARIAZIONE DEL CONTENUTO DI DNA

NUCLEO

controllo trascrizionale: legame di fattori trascrizionali tessuto specifici, legame diretto di ormoni, fattori di crescita o elementi intermedi a elementi risponsivi di geni inducibili

controllo post-trascrizionale: splicing alternativo, polyA alternativo, RNA editing tessuto-specifico

controllo del trasporto

mRNA

controllo della stabilitàdegradazionetraduzione

PROTEINA

controllo post-traduzionale

PROTEINA attiva o inattiva

DNA Meccanismi epigenetici: controllo a lungo raggio mediante rimodellamento della struttura della cromatina

Trascritto primario

(precursore)

mRNA

controllo traduzionale

CITOPLASMA

Esistono molteplici livelli di regolazione dell’espressione genica negli eucarioti

•EUCROMATINA -> TRASCRIZIONE POTENZIALE

a) geni housekeeping

b) geni tessuto-specifici

•ETEROCROMATINA FACOLTATIVA -> inattiva quando condensata.

Fornisce un meccanismo di compensazione:

rapporto geni autosomici/geni X-linked

maschi = 2/1 donne = 1/1

•ETEROCROMATINA COSTITUTIVA ->

sempre inattiva; Localizzata nelle regioni

peri - e centromeriche

CROMATINA

Meccanismi epigenetici

Fattori che vengono trasmessi alla progenie, ma che non sono direttamente attribuibili alla sequenza del DNA.

•Metilazione del DNA;

Nelle cellule eucariotiche la metilazione è a carico della C. Solo il 3% delle C sono metilate ed in genere è bersaglio della metilazione la C della doppietta CpG.

•Modificazioni degli istoni;

Acetilazioni, fosforilazioni e metilazioni, responsabili di cambiamenti conformazionali della cromatina.

Meccanismi epigenetici: Metilazione del DNA

La metilazione del DNA è un processo post-replicativo. L’estensione delle modificazioni riguardanti la metilazione del DNA è fondamentalmente decisa durante lo sviluppo. La metilazione del DNA è quindi uno dei meccanismi correlati con il differenziamento cellulare, tramite l’inibizione dell’espressione genica a livello trascrizionale.

I residui amminoacidici all’N-terminale di ciascun istone (20-60 residui) si estendono al di fuori della superficie del nucleosoma.Queste regioni sono particolarmente ricche in lisina (K) che può essere reversibilmente modificata mediante acetilazione, fosforilazione e metilazione.

Meccanismi epigenetici: Modificazioni degli Istoni

Modificazioni degli istoni H3 e H4

La lisina 9 di H3 può essere sia acetilata che metilata. L’acetilazione è associata alla cromatina trascrizionalmente attiva, ma se la regione cromatinica viene metilata a livello del DNA (CpG), le proteine che si legano al DNA metilato richiamano le deacetilasi istoniche, che rimuovono i gruppi acetile e le metil transferasi istoniche, legate alle CpG binding protein, metilano gli istoni. Il risultato è la condensazione della cromatina.

Caratteristica Cromatinaattiva

Cromatinainattiva

Conformazionedella cromatina

Estesa, aperta Condensata

Metilazione delDNA

Poco metilataspecialmentenelle regionidel promotore

Metilata

Acetilazionedegli istoni

Is toni acetilati Is toni nonacetilati

CARATTERISTICHE DELLA CROMATINA

Repressori e attivatori possono dirigere la deacetilazione/acetilazione degli

istoni a livello di specifici geni

Importanza della struttura modularee delle interazioni proteina-proteina

Elementi distali Elementi

prossimali

Promotore basale

• Una serie di fattori trascrizionali deve legarsi al promotore prima che possa farlo la RNA polimerasi. Quindi se la RNA polimerasi potrà iniziare la trascrizione dipenderà anche dal legame di proteine regolatorie, attivatori e repressori.