Regolazione dell'Espressione Genica - PDF

BIOLOGIA REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICA LUIGI GRIMALDI, MATTEO FARINARO, FLAVIA GEMELLI, IORIO ANGELA 11/12/2024 REGOLAZIONE ESPRESSIONE GENICA. Quando parliamo di espressione genica, stiamo parlando del processo complesso, che ci porta ad avere un prodotto funziona...

BIOLOGIA REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICA LUIGI GRIMALDI, MATTEO FARINARO, FLAVIA GEMELLI, IORIO ANGELA 11/12/2024 REGOLAZIONE ESPRESSIONE GENICA. Quando parliamo di espressione genica, stiamo parlando del processo complesso, che ci porta ad avere un prodotto funzionale della cellula in maniera regolata A carattere generale, il principio della regolazione e che non tutti i geni debbano essere espressi nello stesso momento o con la stessa intensità, quindi può essere regolato quale gene deve essere espresso e quando, e nel caso viene espresso, anche qual è il livello di espressione. Sempre a carattere generale, il principio della regolazione è che la cellula va ad esprimere i geni di cui ha bisogno in quel momento, in quella particolare condizione ambientale, questo succede sia nei procarioti che negli eucarioti unicellulari, e ci deve essere poi una risposta pronta all’ambiente e alle condizioni in cui si trova la cellula. Negli eucarioti pluricellulari, il principio di regolazione di espressione genica, è quello alla base del differenziamento stesso, perché le cellule vanno a svolgere dei ruoli specializzati, esprimendo dei geni specifici, regolando l espressione a vari livelli , ma comunque il risultato finale è quello di avere certi prodotti funzionali anzi che altri secondo le necessità di quel particolare tipo cellulare. Regolazione di espressione genica, sotto intende che non si perde nulla a livello di informazione, semplicemente questa informazione può essere utilizzata in maniera differente, in base alle condizioni ambientali e ai segnali che la cellula riceverà, e, in particolar modo la regolazione a livello trascrizionale è controllata da segnali molecolari, che arrivano alla cellula dall’ambiente esterno. (Vedremo poi come queste molecole che arrivano alla membrana, possono trasdurre questo segnale che deve arrivare al nucleo, cioè questi segnali molecolari devono avvisare il DNA se certi geni devono essere accesi oppure no). Principalmente, ma non esclusivamente, la regolazione dell’espressione genica è a livello della trascrizione, quindi il gene che è funzionale è un gene che deve essere trascritto.  Il livello di controllo della trascrizione è solamente uno negli eucarioti, dove sono presenti anche il controllo della maturazione, il controllo del trasporto, poiché il trascritto una volta maturato può uscire dal nucleo e raggiungere il citoplasma, dove potrà poi essere traducibile. È presente anche un controllo traduzionale, un controllo della stabilità del messaggero, un controllo post-traduzionale per la stabilità delle proteine. Panoramica generale. I geni che sono sempre espressi, quindi sempre trascritti, sono quelli chiamati COSTITUTIVI. I geni REGOLATI, sono invece soggetto a particolar tipo di regolazione, e quindi espressi solo in particolari condizioni e rispondono al fabbisogno cellulare. Se il gene è regolato, può essere indotto. Cosa vuol dire indotto? Indotto vuol dire che è normalmente inattivo, cioè non funzionale, e viene attivato, cioè trascritto, in risposta ad un certo tipo di segnalazione proveniente dalla ambiente—INDUZIONE DI ESPRESSIONE DEL GENE. Può essere anche represso -REPRESSIONE.La repressione avviene quando un gene è normalmente attivo, cioè normalmente trascritto o espresso, e viene inattivato in risposta a certi segnali. Sia nell’induzione che nella repressione c’è una regolazione dell’espressione genica. Se il gene è spento, vuol dire che è represso, represso vuol dire che è inattivo e ne può essere indotta l’espressione. Se il gene è attivo, vuol dire che è espresso ed è funzionale e può essere represso, quindi ne viene inibita l’espressione. A livello trascrizionale, sono fondamentali per il controllo della trascrizione, quindi dell’espressione di un gene, proteine regolative e sequenze regolative. Quali possono essere? Sequenze regolative comprendono il promotore, comprendono anche altre sequenze di regolazione che stanno a monte del promotore e sono elementi che devono essere riconosciuti da certe proteine. Ci sono inoltre dei fattori di trascrizione generali, che ci sono sempre, e fattori di trascrizione specifici, che sono fattori di regolazione per riconoscere specifiche sequenze, e controllare l’espressione di specifici geni. Le proteine regolatrici possono essere sia degli attivatori sia dei repressori, che possono sia regolare positivamente che negativamente la trascrizione.  1. ATTIVARE significa avere un ruolo positivo nel favorire quindi la trascrizione dei geni. 2. REPRIMERE significa avere un ruolo negativo e andare a controllare negativamente la trascrizione stessa. 3. L’ATTIVATORE di un fattore, che funziona come attivatore di un gene, è responsabile di un controllo positivo, favorisce l’espressione di un gene. 4. Il REPRESSORE rientra nell’ambito di un controllo negativo dell’espressione genica. In presenza del repressore, queste proteine dovranno interagire con delle sequenze di riconoscimento specifiche o saranno dei co-fattori che andranno a legare altre proteine, e il risultato finale, come abbiamo già visto, è quello di andare a controllare la possibilità dell’apparato basale di procedere o meno nella trascrizione. (L’apparato basale non è un apparato che può avere specificità per il riconoscimento di certe sequenze, è un riconoscimento possibile per tutti i promotori, però poi la trascrizione sarà possibile grazie alla collaborazione di tante alte proteine di regolazione). Le proteine, che interagiscono con il DNA nel riconoscere queste sequenze specifiche, sono fattori di trascrizione e l interazione è dipendente dalla particolare sequenza di basi. Esistono anche altre proteine che legano il DNA in maniera non specifica, in maniera indipendente dalla sequenza di basi, e in questo caso l’interazione è uno scheletro zucchero fosfato. Esempio: le proteine implicate nella formazione della cromatina, che sanno legare qualsiasi sequenza nel DNA perché interagiscono con l’ossatura, e non con una particolare sequenza di nucleotidi con le specifiche basi. Le proteine che legano il DNA, hanno dei “motivi strutturali”, questi “motivi strutturali “sono delle particolari combinazioni di alfa elica e foglietti beta organizzati in una struttura tridimensionale, in una regione della proteina che ha una particolare conformazione, che è deputata ad una specifica funzione, in questo caso l’interazione con il DNA. Diverse proteine regolatrici hanno in comune uno stesso “motivo strutturale “perché devono interagire con il DNA. I motivi caratteristici delle proteine regolatrici sono quello elica-giro-elica o elica-ansa-elica e permettono l’interazione con la doppia elica. Uno dei “motivi “più comuni è quello a dita di zinco, così chiamato poiché è presente uno zinco compressato, ma soprattutto la struttura è quella di dita che si vanno ad interporre all’interno della sequenza. Un altro “motivo” comune è quello a cerniera di leucine, nella quale sono coinvolti dei particolari residui di leucina e c’è sempre una interazione con il DNA. La proteina per interagire con il DNA deve avere una certa conformazione, e c’è una conservazione tra proteine diverse deputate a funzioni simili relativamente ai motivi. REGOLAZIONE NEI BATTERI. La regolazione nei batteri (procarioti) è stata modello per lo studio della regolazione degli eucarioti. Nei procarioti, i geni strutturali sono quelli che codificano per proteine utilizzate per le funzioni e le strutture cellulari. Mentre i geni regolatori sono quelli che codificano per delle proteine ad attività regolativa. Ci sono anche le sequenze regolatrici, perché anche i batteri hanno bisogno di sequenze che siano dei siti di legame per certe proteine. È presente quindi, sia il promotore, che permette il legame della RNA polimerasi, e inoltre è presente una sequenza che prende il nome di operatore, che permette il legame della proteina regolatrice. Nel gene la sequenza codificante è preceduta dal promotore ma è presente anche l’operatore , in genere sovrapposto al promotore. Tuttavia, i geni che codificano per proteine che lavorano insieme nei batteri, sono organizzati nei cosiddetti operoni, cioè sono organizzati in gruppi e sono regolati insieme. Quindi l’operone consiste in una serie di geni, che è preceduta da elementi regolativi comuni, e questi geni sono trascritti insieme, in una molecola di RNA, definito RNA POLICISTRONICO. Un trascritto policistronico vuol dire che è un trascritto che corrisponde a più geni e questo trascritto dovrà essere tradotto in più proteine, per cui ci sarà un segnale di inizio e un segnale di terminazione per la traduzione, in corrispondenza di un imporzione del trascritto che corrisponde ad uno specifico gene. OPERONI. Gli operoni possono essere: INDUCIBILI o REPRIMIBILI. INDUZIONE=ATTIVAZIONE. L’operone INDUCIBILE, viene attivato o quando viene legato ad un attivatore o quando viene rimosso un repressore. L’induzione vuol dire che quei geni sono regolati in maniera tale che, ad un certo punto è necessario farli esprimere, normalmente sono spenti e li accendiamo in seguito. Come esprimo il gene? Il gene lo esprimo o perché c’è un regolatore positivo o lo esprimo perché rimuovo il regolatore negativo. 1. È un controllo positivo quando arriva l’ATTIVATORE che permette la trascrizione.  2. È un controllo negativo quando c’è un repressore, che sta inibendo, e l’attivazione corrisponde ad una derepressione, cioè andiamo a rimuovere il repressore. La rimozione del repressore permette la trascrizione. I geni che fanno parte di un operone, i geni strutturali, cioè i geni che ci devono permetterci la sintesi di prodotti che lavorano insieme, quindi i geni che ad esempio codificano per enzimi della stessa via metabolica, sono arruolati A monte c’è la sequenza dell’operatore e la sequenza del promotore. Il primo operone studiato, che è stato oggetto poi del premio Nobel 1965, è l’operone del lattosio, chiamato OPERONE LAC. L’operone del lattosio, codifica per gli enzimi che ci permettono di utilizzare il lattosio (Il lattosio è un disaccaride composto da galattosio e glucosio) Quali sono gli enzimi di questo operone? Gli enzimi, che devono lavorare insieme, sono: 1) BETA-GALATTOSIDASI che catalizza l’idrolisi del lattosio a galattosio e glucosio. 2) BETA-GALATTOSIDE PERMEASI che è responsabile del trasporto del lattosio attraverso la membrana, quindi fa entrare il lattosio se presente, nel mezzo, all’interno della cellula. 3) BETA- GALATTOSIDE TRANSACETILASI coinvolta nel metabolismo del lattosio. Questi sono degli pre enzimi che ci servono per utilizzare il lattosio, la 2) PERMEASI per farlo entrare e la 1) BETA-GALATTOSIDASI per ottenere il galattosio e il glucosio, inoltre fa anche una reazione secondaria che ci porta ad un isomero, l’alolattosio. Questi tre sono chiamati: LAC Z——1) BETA-GALATTOSIDASI LAC Y——-2) BETA-GALATTOSIDE PERMEASI LAC A —-3) BETA-GALATTOSIDE TRANSACETILASI Sono organizzati in successione all’interno dell’operone, e sono controllati dal promotore P LAC e la sequenza operatore (O), che in questo caso l’operatore non è posto prima della sequenza del promotore, ma si trova parzialmente sovrapposto al promotore nella porzione al 3 primo OPERONE =organizzazione strutturale dei geni OPERATORE=sequenza di regolazione Perché l’operatore è una sequenza di regolazione? Perché fuori nell’operone c’è un gene, che si chiama LAC I , che codifica per il repressore. Il gene (LAC I) ha un suo promotore, è un gene che codifica per una proteina, che agisce come repressore dell’operone del lattosio. Il gene regolatore ha un promotore costitutivo, cioè normalmente nella cellula è presente il repressore, e questo repressore si va a legare sull’operatore. 1. In assenza di lattosio, il repressore è normalmente legato all’operatore, e la presenza del repressore sull’operatore impedisce la trascrizione dell’operone. È un operone soggetto a controllo negativo, perché normalmente abbiamo il repressore che reprime l’espressione dei geni strutturali. 2. L RNA polimerasi, quando il repressore si trova sull’operatore, non è capace di legare il promotore, per cui la trascrizione è repressa. Cosa succede quando si devono accendere i geni? Normalmente l’operone è spento, è spento perché c’è un regolatore negativo che è il repressore, e questi geni possono accendersi se nel mezzo di coltura è presente il lattosio. 1) Quando è presente il lattosio, questi geni possono essere spenti, poiché il lattosio permette l’allontanamento del repressore dall’operatore. 2) Il repressore è una proteina allosterica, cioè può cambiare conformazione, e anche lo studio del repressore dell’operone del lattosio è stato uno studio che ha permesso di evidenziare allosteria, perché il repressore diventa inattivo poiché cambia conformazione in seguito al legame dell’alolattosio.  1- La forma attiva, quella che può legare e bloccare la trascrizione, cambia conformazione nel momento in cui è presente il lattosio. 2- Il lattosio va a legare il repressore e lo rende incapace di interagire con la sequenza dell’operatore, questo significa che in assenza del repressore, l’RNA polimerasi potrà legare il promotore e quindi trascrivere i geni. 3- In presenza di lattosio, il repressore non si lega più all’operatore e l’RNA polimerasi può trascrivere e l’operone viene indotto. 4- C’è inducibiltà di questo operone nel momento in cui è presente nel mezzo il lattosio. In questo caso c’è il controllo negativo del repressore e una derepressione in presenza del lattosio. In realtà, tra i geni strutturali c’è anche la PERMEASI, che serve a far entrare il lattosio, e questo può sembrare un circolo vizioso, poiché il lattosio è quello che permette l’espressione della PERMEASI, ma se non si ha la PERMEASI come fa ad entrare il lattosio? 1. In mancanza di derepressione, c’è un livello di trascrizione basale minimo, che fa in modo che qualche molecola di PERMEASI viene prodotta, e questo è sufficiente a permettere l’ingresso del lattosio. 2. Quando il lattosio diventa disponibile, una piccola quantità entra nella cellula e questo rende possibile il distacco del repressore dall’operatore, e quindi inizia la sintesi della proteina dell’operone, il lattosio viene metabolizzato finché è presente, quando poi non sarà più disponibile, il repressore (che c’è sempre) tornerà a legarsi sull’operatore e bloccherà l’operone. REPRESSIONE DA CATABOLITA. Quando sia il lattosio che il glucosio sono presenti in un ambiente, può manifestarsi un fenomeno noto come "repressione da catabolita". Questo fenomeno implica che il glucosio inibisce l'attività degli enzimi necessari per il catabolismo del lattosio, poiché, per l’efficienza della cellula, è più vantaggioso utilizzare il glucosio. Infatti, il glucosio è una fonte di energia immediata e più efficiente rispetto al lattosio, che richiede una serie di passaggi metabolici aggiuntivi per essere utilizzato come fonte di energia.  Il glucosio regola la trascrizione dell'operone lac, che è responsabile della metabolizzazione del lattosio, attraverso un meccanismo di controllo positivo mediato da una proteina attivatrice, la proteina CAP (Catabolite Activator Protein), che si lega all’adenosina monofosfato ciclica (cAMP). cAMP è una molecola che, quando legata alla proteina CAP, attiva la trascrizione dei geni dell'operone lac. Tuttavia, il problema sorge poiché, in presenza di glucosio, la produzione di cAMP è inibita. La sintesi del cAMP, infatti, è catalizzata dall'enzima adenilato ciclasi, ma il glucosio ne blocca l’attività, portando a una diminuzione della concentrazione di cAMP e, quindi, a un'inefficace attivazione della proteina CAP. Questo meccanismo genera tre possibili situazioni che determinano l'attività trascrizionale dell'operone lac: 1. Glucosio presente, lattosio assente: In questa condizione, la concentrazione di cAMP è bassa. Di conseguenza, la proteina CAP rimane inattiva e il repressore legato all’operatore impedisce la trascrizione dell'mRNA lac. La cellula, quindi, non esprime i geni necessari per metabolizzare il lattosio. 2. Glucosio presente, lattosio presente: Anche se la concentrazione di cAMP è ancora bassa, la presenza di lattosio provoca l’inattivazione del repressore, ma la proteina CAP resta inattiva a causa della bassa concentrazione di cAMP. Sebbene il repressore non blocchi la trascrizione, la proteina CAP non è in grado di attivarla, quindi la trascrizione dell’operone lac avviene in misura molto limitata. 3. Assenza di glucosio, lattosio presente: Quando il glucosio è assente, la concentrazione di cAMP aumenta, permettendo alla proteina CAP di attivare l’operone lac. In questa situazione, il lattosio inattiva il repressore, e la proteina CAP, essendo attiva, promuove la trascrizione dell’mRNA lac, che porta alla produzione degli enzimi necessari per metabolizzare il lattosio. Un altro aspetto della regolazione genica riguarda i geni coinvolti nelle vie anaboliche, che spesso sono reprimibili e quindi sottoposti a repressione in presenza del prodotto finale. In questa via si parte dal precursore e si raggiunge il prodotto finale passano per degli intermedi con l’aiuto di alcuni enzimi che sono determinati in base al gene specifico. OPERONE PER LA BIO SINTESI DEL TRIPTOFANO. I geni che codificano per gli enzimi coinvolti nella sintesi del triptofano (TrpE, TrpD, TrpC, TrpB, TrpA) sono regolati da sequenze di controllo come il promotore, l’operatore e l'attenuatore. Quando i livelli di triptofano sono sufficientemente alti, il prodotto finale della biosintesi, il triptofano stesso, agisce come un corepressore. Questo significa che il triptofano si lega al repressore e attiva la sua capacità di legarsi all'operatore, impedendo così la trascrizione dei geni dell'operone e la produzione di ulteriori enzimi. In assenza di triptofano, il repressore rimane inattivo, permettendo la trascrizione e la sintesi degli enzimi necessari per produrre il triptofano. In generale, la regolazione della trascrizione nei batteri può essere divisa in diverse modalità, ognuna delle quali rappresenta un meccanismo specifico di controllo: - Regolazione negativa inducibile (come nell’operone lac): In questa modalità, un repressore blocca la trascrizione, ma la sua inibizione può essere rimossa quando l'induttore (in questo caso, il lattosio) si lega al repressore, inattivandolo e permettendo la trascrizione. - Regolazione negativa reprimibile (come nell’operone triptofano): Qui, un repressore inizialmente inattivo viene attivato dal prodotto finale (triptofano), che lega il repressore e ne permette l’interazione con l’operatore, bloccando la trascrizione una volta che la cellula ha accumulato abbastanza triptofano. - Regolazione positiva inducibile (come nell’operone arabinosio): In questo caso, l'attivatore della trascrizione viene inattivato dall'induttore, bloccando la trascrizione. La rimozione dell’inibitore consente invece l’attivazione. - Regolazione positiva reprimibile: Questo tipo di regolazione non si verifica nei batteri, ma potrebbe implicare una situazione in cui un attivatore è sempre presente, permettendo così la trascrizione. ATTENUAZIONE. Oltre a questi meccanismi, nei procarioti esiste anche la attenuazione, un tipo di regolazione trascrizionale che si verifica dopo l’inizio della trascrizione, quando viene impedito il completamento della sintesi dell’mRNA. Un esempio di attenuazione si trova nell’operone triptofano, dove una sequenza leader tra l’operatore e i geni strutturali gioca un ruolo cruciale nel determinare se la trascrizione proseguirà o verrà terminata prematuramente. La sequenza leader contiene quattro regioni, che possono appaiarsi tra loro formando strutture secondarie chiamate "forcine". Se i livelli di triptofano sono bassi, il ribosoma rallenta lungo la sequenza di codoni, permettendo la formazione di una forcina 2-3 che impedisce la terminazione della trascrizione. Al contrario, quando i livelli di triptofano sono abbondanti, il ribosoma scorre rapidamente e si forma una forcina 3-4 che porta alla terminazione della trascrizione. SUBUNITA’ SIGMA. Un altro elemento fondamentale della regolazione della trascrizione nei batteri è rappresentato dalle subunità sigma della RNA polimerasi. Queste subunità mediano l'interazione della RNA polimerasi con il promotore, legandosi a sequenze di consenso situate nelle regioni -35 e -10 del promotore, e avviano la trascrizione di specifici gruppi di geni. Le subunità sigma sono sensibili a vari stimoli ambientali, che possono indurre lo scambio tra diverse subunità. In questo modo, la cellula è in grado di adattare l’espressione genica alle esigenze ambientali, regolando non solo l’attività della RNA polimerasi, ma anche la stabilità delle subunità sigma attraverso modificazioni post-traduzionali. Questi meccanismi, insieme alla capacità dei batteri di adattarsi rapidamente a cambiamenti nelle condizioni ambientali, sono essenziali per la loro sopravvivenza e per l’ottimizzazione dell’uso delle risorse, garantendo la massima efficienza nelle risposte metaboliche e nella gestione delle risorse energetiche disponibili.