La regolazione dell'espressione genica PDF

La regolazione dell’espressione genica Campbell. Biologia e genetica 12/Ed. © 2021 Pearson Italia 1  L’ESPRESSIONE GENICA DIFFERENZIALE  In generale, tutte le cellule di un organismo pluricellulare, ad eccezione dei gameti, contengono lo stesso corredo di geni ...

La regolazione dell’espressione genica Campbell. Biologia e genetica 12/Ed. © 2021 Pearson Italia 1  L’ESPRESSIONE GENICA DIFFERENZIALE  In generale, tutte le cellule di un organismo pluricellulare, ad eccezione dei gameti, contengono lo stesso corredo di geni  Non tutti i geni del genoma di una cellula vengono espressi (cioè trascritti e tradotti)  In un organismo pluricellulare, cellule con lo stesso corredo genetico che esprimono geni differenti (espressione genica differenziale) hanno caratteristiche morfologiche e funzionali differenti  specializzazione cellulare dei vari tessuti e organi Campbell. Biologia e genetica 12/Ed. © 2021 Pearson Italia 2  REGOLAZIONE GENICA NEGLI EUCARIOTI negli eucarioti esistono cinque livelli principali per la regolazione dell’espressione genica  Gli eucarioti pluricellulari sono costituiti da centinaia di tipi cellulari specializzati che formano i diversi tessuti e organi (differenziamento cellulare grazie al controllo selettivo dell’espressione di certi geni, peculiari di uno specifico tipo cellulare) Geni costitutivi (housekeeping genes) espressi in modo costante da molti tipi cellulari (ad es., i geni che codificano per le proteine citoscheletriche) Geni modulati: espressi o repressi all’occorrenza, a seconda del bisogno che la cellula ha del prodotto di un dato gene (ad es. la proteina che svolge una certa funzione) Becker. Il mondo della cellula 10/Ed. © 2022 Pearson Italia 3  1°LIVELLO DI REGOLAZIONE: IL GENOMA  I riarrangiamenti del DNA possono modificare il genoma trasposoni riarrangiamento genico per la produzione di anticorpi  ESCISSIONE CASUALE PER UNA COMBINAZIONE UNICA DI V, D E J 200x20x6=24.000 differenti tipi di regioni variabili della catena pesante 200x6=1200 differenti tipi di catena leggera Combinazione tra differenti catene pesanti e leggere  milioni di anticorpi differenti riarrangiando poche centinaia di differenti segmenti V, D, J e C Becker. Il mondo della cellula 10/Ed. © 2022 Pearson Italia 4 Campbell. Biologia e genetica 12/Ed. © 2021 Pearson Italia 5  1°LIVELLO DI REGOLAZIONE: IL GENOMA  un certo grado di decondensazione della cromatina è necessario perché il promotore di un gene sia accessibile alla RNA polimerasi.  Le differenze strutturali dei due stati della cromatina (eucromatina meno condensata e contenente DNA trascrizionalmente attivo; eterocromatina più condensata e contenente DNA trascrizionalmente inattivo) possono dipendere da  metilazione del DNA  modifiche covalenti a carico degli istoni  fattori di rimodellamento della cromatina Becker. Il mondo della cellula 10/Ed. © 2022 Pearson Italia 6   metilazione del DNA La metilazione del DNA è associata a regioni inattive del genoma La metilazione dei residui citosina del DNA ad opera di DNA metiltrasferasi (Dnmt1) provoca la repressione della trascrizione di specifici geni L’enzima Dnmt1 viaggia nella forcella di replicazione e metila i filamenti di DNA neosintetizzati replicando nel nuovo filamento la metilazione incontrata nel vecchio (trasmissione delle caratteristiche di espressione genica da una generazione cellulare alla successiva  marchio epigenetico ) Becker. Il mondo della cellula 10/Ed. © 2022 Pearson Italia 7   metilazione del DNA L’inattivazione di uno dei due cromosomi X nella femmina avviene in seguito a trascrizione del gene Xist, il cui mRNA ricopre solo uno dei due cromosomi X rendendolo ampiamente eterocromatinico ( formazione del corpo di Barr) Becker. Il mondo della cellula 10/Ed. © 2022 Pearson Italia 8  modificazioni covalenti a carico degli istoni modifiche reversibili: o L’acetilazione dei residui di lisina degli istoni (HAT, Histone Acetyl Transferase) impedisce alle fibre di cromatina di ripiegarsi in strutture compatte  MAGGIORE ACCESSIBILITA’  aumento dell’attività trascrizionale o La deacetilazione degli istoni (HDAC; Histone Deacetylase) compatta la cromatina  MINORE ACCESSIBILITÀ diminuzione dell’attività trascrizionale modifiche parzialmente reversibili (diverso effetto della metilazione degli istoni): o Metilazione della lisina H3K9, H3K27, H4K20  repressione trascrizionale o Metilazione della lisina H3K4, H3K36  attivazione trascrizionale Campbell. Biologia e genetica 12/Ed. © 2021 Pearson Italia 9   fattori di rimodellamento della cromatina Le proteine di rimodellamento della cromatina (SWI/SNF), interagendo con un attivatore trascrizionale, provocano lo scivolamento dei nucleosomi  rilassamento della cromatina impacchettata  attivazione trascrizionale Becker. Il mondo della cellula 10/Ed. © 2022 Pearson Italia 10  2°LIVELLO DI REGOLAZIONE: LA TRASCRIZIONE  La specificità della trascrizione (differenti gruppi di geni sono trascritti in tipi cellulari differenti) è determinata da fattori di trascrizione Fattori di trascrizione generali sul promotore: alcuni si legano al TATA box nella regione del promotore core, molti altri si complessano con la RNA polimerasi II  trascrizione moderata Fattori di trascrizione regolativi, o specifici: legano gli elementi di controllo prossimali (poco a monte del promotore core), o elementi di controllo distali (molto a monte del promotore core),  trascrizione intensa Campbell. Biologia e genetica 12/Ed. © 2021 Pearson Italia 11  2°LIVELLO DI REGOLAZIONE: LA TRASCRIZIONE  Attivatori e repressori della trascrizione: legano elementi di controllo distali (enhancer e silencer) che sono localizzati a distanza variabile dal promotore  attivatori: legano gli enhancer  interazione con i fattori di controllo Becker. Il mondo della cellula 10/Ed. © 2022 Pearson Italia regolativi  aumento della trascrizione  repressori: legano i silencer  interazione con i fattori di controllo regolativi  diminuzione della trascrizione  Gli insulator sono sequenze poste non necessariamente in posizione distale rispetto al promoter, che limitano l’influenza di enhancer e silencer. Campbell. Biologia e genetica 12/Ed. © 2021 Pearson Italia 12   Gli enhancer (o intensificatori) legano gli attivatori  ripiegamento del DNA  formazione di un complesso multiproteico (enhanseosoma)  I coattivatori proteici SWI/SNF interagiscono con gli attivatori e con HAT (istone acetiltrasferasi)  acetilazione degli istoni e rimodellamento della cromatina (DECONDENSAZIONE)  Gli attivatori legano il mediatore per l’interazione tra attivatori legati all’enhancer e RNA polimerasi  inizio della trascrizione Becker. Il mondo della cellula 10/Ed. © 2022 Pearson Italia 13   i silencer legano i repressori ripiegamento del DNA formazione di un complesso multiproteico (repressosoma)  I corepressori (ad es. CoREST) interagiscono con i repressori e con gli enzimi HDAC (istone deacetilasi) e HMT (istone metiltrasferasi)  deacetilazione e metilazione (lisina H3K9) degli istoni e rimodellamento della cromatina (CONDENSAZIONE)  inattivazione della cromatina e silenziamento genico Campbell. Biologia e genetica 12/Ed. © 2021 Pearson Italia 14   La trascrizione può essere regolata da elementi di controllo distali in modo positivo (enhancer) o negativo (silencer)  Il modello combinatorio dell’espressione genica prevede che numerosi e diversi elementi di controllo sul DNA e fattori trascrizionali agiscano in modo combinato  L’esito della trascrizione di ogni gene di una certa cellula dipende dalla disponibilità di fattori trascrizionali regolativi (attivatori e repressori) Campbell. Biologia e genetica 12/Ed. © 2021 Pearson Italia 15  3°LIVELLO DI REGOLAZIONE: CONTROLLO POST-TRASCRIZIONALE  Lo splicing alternativo permette alle cellule di creare una varietà di molecole di mRNA dallo stesso trascritto primario Becker. Il mondo della cellula 10/Ed. © 2022 Pearson Italia 16  4° LIVELLO DI REGOLAZIONE: CONTROLLO TRADUZIONALE  L’RNA interference utilizza corti RNA per silenziare l’espressione di geni contenenti sequenze di basi a essi complementari RNA interference (RNAi): by Nature Video (5:06) https://www.youtube.com/watch?v= cK-OGB1_ELE&t=2s Becker. Il mondo della cellula 10/Ed. © 2022 Pearson Italia 17  4° LIVELLO DI REGOLAZIONE: CONTROLLO TRADUZIONALE  I microRNA (detti anche miRNA), prodotti da normali geni cellulari, silenziano la traduzione di mRNA importanti per lo sviluppo  differenziamento cellulare Becker. Il mondo della cellula 10/Ed. © 2022 Pearson Italia 18  5° LIVELLO DI REGOLAZIONE: CONTROLLO POST-TRADUZIONALE  L’ubiquitina marca le proteine per la degradazione da parte dei proteasomi Becker. Il mondo della cellula 10/Ed. © 2022 Pearson Italia 19  REGOLAZIONE GENICA NEI PROCARIOTI  La maggior parte dei geni NON è espressa in continuo (espressione costitutiva), ma SOLO quando è necessario (espressione inducibile)  Le vie anaboliche (di sintesi) sono regolate dal prodotto finale: in maniera rapida, attraverso la modulazione allosterica negativa dell’attività enzimatica (inibizione a feedback) in maniera lenta, attraverso la diminuzione dell’espressione dei geni che codificano per gli enzimi delle vie anaboliche (repressione genica)  Le vie cataboliche (di degradazione) sono regolate dal substrato attraverso l’aumento dell’espressione dei geni che codificano per gli enzimi delle vie cataboliche (induzione genica)  Prodotto finale e substrato sono molecole effettrici della regolazione dell’espressione genica Campbell. Biologia e genetica 12/Ed. © 2021 Pearson Italia 20  BIOSINTESI DEGLI AMMINOACIDI: UNA VIA ANABOLICA  I geni coinvolti nella biosintesi degli amminoacidi sono organizzati in operoni reprimibili  Gli operoni sono sequenze di DNA che contengono gli elementi necessari per la produzione di enzimi per la sintesi di un aminoacido, cioè promotore, operatore e geni sottoposti al loro controllo (ad es., Operone trp) che vengono trascritti in un’unica lunga molecola di mRNA, poi tradotta in polipeptidi distinti  Il gene regolatore è collocato a monte dell’operone; esso codifica e produce un repressore inattivo in assenza di triptofano (Trp), il repressore è inattivo e l’operone è attivo  produzione degli enzimi che biosintetizzano il Trp in presenza di Trp, che lega il repressore e funziona da corepressore, il repressore è attivo e l’operone è inattivo (trascrizione bloccata PRIMA della fase di inizio) Campbell. Biologia e genetica 12/Ed. © 2021 Pearson Italia 21  DEGRADAZIONE DEL LATTOSIO: UNA VIA CATABOLICA  I geni coinvolti nel catabolismo del lattosio sono organizzati in un operone inducibile, costituito da promotore, operatore e geni sottoposti al loro controllo (ad es., Operone lac)  Il gene regolatore codifica per un repressore attivo in presenza di lattosio, che lega il repressore, il repressore è inattivo e l’operone è attivo  produzione degli enzimi che catabolizzano il lattosio in assenza di lattosio, il repressore è attivo e lega l’operatore lac  l’operone è inattivo  la trascrizione degli enzimi che catabolizzano il lattosio è bloccata Campbell. Biologia e genetica 12/Ed. © 2021 Pearson Italia 22  REGOLAZIONE POSITIVA DELL’OPERONE lac  La proteina attivatrice del catabolismo (CAP) attiva la trascrizione dell’operone lac  la cellula batterica può effettuare un consumo preferenziale di glucosio, piuttosto che altri substrati, In presenza di lattosio e in carenza di glucosio la concentrazione di cAMP è alta  CAP-cAMP è attivo  regolazione positiva dell’operone lac  consumo di lattosio In presenza di lattosio e in presenza di glucosio la concentrazione di cAMP è bassa  CAP è inattivo  regolazione negativa dell’operone lac  consumo di glucosio (gli enzimi per il catabolismo del glucosio sono sempre espressi) Campbell. Biologia e genetica 12/Ed. © 2021 Pearson Italia 23  PUNTI CHIAVE DELLA LEZIONE  Regolazione dell’espressione genica negli eucarioti:  genoma (metilazione, modificazioni chimiche degli istoni e fattori di rimodellamento della cromatina)  trascrizione (fattori proteici attivatori e repressori della trascrizione, sequenze enhancer e silencer, coattivatori proteici SWI/SNF)  maturazione dell’RNA e esportazione dal nucleo (splicing alternativo)  traduzione (emivita dell’RNA, RNA interference, miRNA)  post-traduzione (ubiquitinazione e degradazione nel proteasoma)  Regolazione dell’espressione genica nei procarioti:  l’operone reprimibile trp  l’operone inducibile lac Campbell. Biologia e genetica 12/Ed. © 2021 Pearson Italia 24