Espressione Genica

REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICANEGLI EUCARIOTI La maggior parte dei geni non è espressa nelle singole cellule, anche se ogni cellula possiede l’intero patrimonio genetico. Il controllo può avvenire a differenti livelli: trascrizionale post-trascrizionale traduzionale post-traduzionale Il controllo trascrizionale Il sito di inizio della trascrizione viene “dettato” dal promotore; si tratta di una porzione di DNA che non viene trascritta e che precede immediatamente la parte che deve essere trascritta. La polimerasi inizia la trascrizione dopo che si lega al promotore. La polimerasi si lega inizialmente alle sequenze più lontane e poi, sempre più saldamente, alle sequenze più vicine. Una caratteristica del promotore è la sua capacità più o meno elevata di legare la polimerasi. La maggiore o minore capacità di legame tra enzima e promotore è un fattore determinante: la quantità di DNA che verrà trascritto, quindi la quantità di mRNA che verrà sintetizzato, quindi la quantità di proteina che verrà formata. Negli eucarioti, la polimerasi si lega al promotore solo dopo che, a zone ben precise di esso, si sono legate altre proteine: i fattori di trascrizione (transcription factors: TF). Le zone in cui i TF si legano al promotore possono essere diverse e possono variare da gene a gene; alcune sono comuni a molti geni, altre sono specifiche di un dato gene. Per nomenclatura, i TF sono seguiti dal numero ordinale della polimerasi che ad essi si lega (TFII per la polimerasi II); inoltre, dato che per ogni polimerasi vi sono diversi TF, segue anche una lettera maiuscola dell’alfabeto. Le zone del promotore più comuni dove si legano i TF sono: il TATA box, che si trova vicino alla sequenza che deve essere trascritta;a tale sequenza si lega il TFIID;è il sito dove inizia la separazione dei due filamenti; l’elemento CAAT, solitamente più lontano; l’elemento GC, di cui possono esservi più copie, che favorisce il legame della polimerasi al sito di inizio della trascrizione. Ma non basta. Vi sono altre zone non codificanti del gene alle quali possono legarsi altre proteine che influenzano l’attività della polimerasi. Il significato di questa complessità sta nella possibilità di una perfetta e precisa regolazione quantitativa dell’espressione genica. Subito a monte del promotore, è presente una regione regolatrice, alla quale possono legarsi proteine che attivano o inibiscono l’attività del promotore. Ancora più a monte, vi è un’altra regione, l’enhancer, alla quale si legano proteine attivatrici l’attività del promotore. La notevole distanza dell’enhancer (della proteina attivatrice che ad esso si lega) dal promotore fa supporre che durante la trascrizione vi debba essere una torsione del doppio filamento, in modo da permettere alla proteina attivatrice di prendere rapporto con la polimerasi. In altre zone vicine, vi possono essere regioni, i silencers, alle quali possono legarsi proteine inibitrici l’attività del promotore. Le diverse proteine si legano alle diverse regioni del DNA, in quanto nello spazio assumono configurazioni particolari (struttura terziaria e quaternaria: elica-ripiegamento-elica, elica-ansa-elica, zinc finger, a cerniera di leucina) che permettono loro di inserirsi nella doppia elica del DNA. Tali proteine presentano anche i siti attivi per legarsi a diverse molecole (ormoni, proteine regolatrici, secondi messaggeri) provenienti dal citoplasma. Alla fine, l’attività del promotore dipende quindi non solo dalla sua capacità di legarsi alla polimerasi, ma anche dalla presenza dei TF e dalla risultante quali-quantitativa dell’attività delle proteine regolatorie, degli enhancers e dei silencers, a loro volta regolata da segnali provenienti dal citoplasma (regolazione genica di tipo combinatorio). Un esempio è rappresentato dall’attivazione dei geni dei tre enzimi necessari al metabolismo del galattosio. Sono tre geni vicini, i cui promotori hanno una sequenza regolatrice comune (Upstream Activator Sequence Galactose: UASG); a tale sequenza di DNA, si lega un complesso proteico che non consente la trascrizione. In presenza di galattosio, un metabolita dello zucchero permette la fosforilazione del complesso che, cambiando la sua conformazione sterica, permette la trascrizione dei tre geni. Un altro esempio è dato dalla regolazione della trascrizione genica operata dagli steroidi. Questi ormoni hanno un recettore citoplasmatico. Il complesso ormone-recettore si lega in una zona di DNA posta vicino l’enhancer (elemento di risposta allo steroide); dalla interazione del complesso recettore-steroide con le altre proteine regolatrici, si avrà la trascrizione di un determinato gene in misura quantitativamente appropriata. Oltre alla presenza delle diverse proteine regolatrici, altri due fattori influiscono sulla trascrizione dei geni. Uno di questi è la presenza degli istoni. Quando il DNA è associato ad essi in nucleosomi, i TATA box sono in rapporto con gli istoni e non sono disponibili per il legame i TF. In vitro, se al DNA vengono aggiunti contemporaneamente istoni e TF, ai TATA box si legano con maggiore affinità gli istoni, si formano i nucleosomi e la trascrizione non avviene. Se vengono aggiunti prima i TF e poi gli istoni, i TATA box, ai quali sono già legati i TF, non si legano agli istoni, non si formano i nucleosomi e la trascrizione avviene. Se vengono aggiunti contemporaneamente istoni, TF e proteine che si legano agli enhancers, ai TATA box si legano i TF, non gli istoni, non si formano i nucleosomi e la trascrizione avviene. Un altro fattore è la presenza di 5-metilcitosina al posto della citosina. C’è una relazione inversa tra entità della metilazione della citosina e attività trascrizionale di un gene, Tuttavia questa relazione è abbastanza grossolana; inoltre, non tutti i geni che vengono trascritti sono demetilati. La metilazione della citosina è abbastanza frequente in uno dei due cromosomi X della femmina; questa può essere, in parte, la spiegazione al fatto che uno dei due cromosomi X in una cellula è sempre spiralizzato, riconoscibile in interfase (corpo di Barr). In ogni cellula, la spiralizzazione di uno dei due cromosomi X avviene nell’embrione di circa 15 giorni; la spiralizzazione di uno o dell’altro cromosoma X è assolutamente casuale; le cellule che derivano da essa avranno sempre lo stesso cromosoma X spiralizzato. Pertanto, nel soggetto adulto, una cellula avrà spiralizzato uno dei due cromosomi X e la cellula vicina possibilmente avrà spiralizzato l’altro. Di conseguenza, se la femmina è eterozigote per un dato carattere, il cui gene è posto sul cromosoma X, avrà metà cellule in cui il gene può codificare per la proteina responsabile della manifestazione del carattere e metà cellule in cui il gene non può codificare per la proteina responsabile della manifestazione del carattere, in quanto si trova sul cromosoma X spiralizzato. Questo serve a bilanciare complessivamente la quantità di proteine sintetizzate, considerando che nel maschio quel gene si trova su un solo cromosoma e quindi può potenzialmente esprimere una minore quantità di proteina (ipotesi di Mary Lyon). Il controllo post-trascrizionale Due sono i modi principali per controllare l’espressione di un gene a livello del trascritto primario, il pre-mRNA: la scelta del sito di aggiunta di poli(A); la scelta del sito di splicing. Uno o entrambi i meccanismi possono controllare l’espressione di uno stesso gene. Come si ricorderà, negli eucarioti, la fine della trascrizione è determinata dalla presenza di una sequenza AAUAAA del pre-mRNA che fa da segnale per il taglio; tale taglio avviene 10-30 nucleotidi a valle della sequenza, ad opera di una RNA endonucleasi. In realtà, la trascrizione del gene può continuare per molte basi oltre la sede del taglio; tuttavia, il pre-mRNA formatosi viene tagliato in base ad una sequenza AAUAAA. Successivamente, viene aggiunta una coda di poli(A) all’estremità 3 del pre-mRNA, ad opera della poli(A) polimerasi. Se l’RNA endonucleasi agisce su sequenze AAUAAA diverse, da uno stesso gene otterremo pre-mRNA di lunghezze diverse, ai quali verrà aggiunta una coda di poli(A). Come si ricorderà, le snurps effettuano lo splicing, riconoscendo gli introni in base alla presenza, alle estremità, di sequenze ben definite (GU all’estremità 5; AG all’estremità 3). Se queste ribonucleoproteine agiscono su sequenze GU o AG diverse, un tratto di pre-mRNA che è un introne (o un esone) in una proteina potrebbe essere un esone (o un introne) in un’altra proteina. Oltre che a livello del pre-mRNA, il controllo post-trascrizionale può essere esercitato sull’mRNA maturo nel citoplasma. Di per sé, i diversi mRNA hanno stabilità variabile; ciò è dovuto alla presenza di sequenze ricche di AU verso l’estremità 3, che destabilizzano la coda di poli(A), rendendo l’mRNA aggredibile dalle ribonucleasi. La presenza nel citoplasma di alcune proteine può aumentare l’instabilità dell’mRNA (es.: la tubulina, nei confronti dell’mRNA per la tubulina stessa). Il controllo traduzionale Nel citoplasma, la velocità di sintesi di alcune proteine è legata alla presenza di repressori traduzionali, proteine citoplasmatiche che si legano agli mRNA e ne impediscono la traduzione. La presenza nel citoplasma di elementi in grado di legare tali repressori e disattivarli incrementa la velocità della sintesi proteica. Il controllo post-traduzionale Le proteine sintetizzate esercitano la loro azione grazie al loro livello strutturale (struttura terziaria e quaternaria). Per la loro stabilità e per la loro funzione sono fondamentali i processi biochimici ai quali vengono sottoposte dopo la loro sintesi. Due tra i più importanti sono la glicosilazione (che avviene nel reticolo endoplasmatico rugoso e soprattutto nell’apparato di Golgi) e la fosforilazione (che avviene prevalentemente nel citoplasma). Tutti i fattori enzimatici che favoriscono o inibiscono tali reazioni sono determinanti nell’espressione funzionale del prodotto genico.