La regolazione dell'espressione genica

LA REGOLAZIONE GENICA

Per regolazione genica si intende la capacità delle cellule di controllare l’espressione dei propri geni in modo tale da regolare quel processo mediante cui l’informazione portata da un gene viene trasformata in un prodotto funzionale di natura proteica.

Il controllo dell’espressione avviene attivando o disattivando i geni a secondo delle necessità.

Naturalmente, nella regolazione genica si incontrano dei “vantaggi” per una cellula di “accendere o spegnere” gran parte dei propri geni; innanzitutto, c’è un problema di energia: tenere in funzione moltissimi geni anche quando non servono comporta un dispendio di energia inutile.

Negli eucarioti i meccanismi della regolazione sono molto più complessi.

Un organismo pluricellulare si sviluppa a partire da uno zigote (una cellula uovo fecondata). Lo zigote si divide ripetutamente per mitosi e citodieresi dando luogo a molte cellule. Queste cellule cominciano a differenziarsi, diventando cellule muscolari, nervose, intestinali ecc. Le cellule che appartengono allo stesso individuo avranno lo stesso genoma ma un diverso corredo di proteine (il proteoma) dato che ogni tipo di cellula inizia a produrre proteine differenti che lo rendono distinguibile da altri tipi di cellule dal punto di vista strutturale e funzionale.

Tutte le informazioni genetiche originariamente presenti nello zigote si trovano ancora in ogni cellula diploide dell’organismo. I segmenti di DNA che codificano per i tre tipi di emoglobina (embrionale, fetale e adulta) sono presenti nelle cellule della pelle e del cuore, in quelle nervose e in ognuna delle cellule di tutti i 200 differenti tipi cellulari del nostro corpo.

Allo stesso modo, la sequenza di DNA che codifica per l’ormone insulina è presente, oltre che nelle cellule del pancreas specializzate nella produzione di insulina, ma anche in tutte le altre cellule. Però non è espressa.

Per dimostrare che qualsiasi cellula matura di un individuo contiene ancora tutti i geni presenti nello zigote, J. Gurdon condusse un esperimento in cui erano coinvolti in nuclei delle cellule intestinali di un girino.

In questo esperimento dalla cellula intestinale di un girino veniva asportato e, successivamente, inserito in una cellula uovo prelevata da una rana femmina, a cui è stato distrutto il nucleo mediante radiazioni ultraviolette. Infine, la cellula uovo dà origine a una rana con le caratteristiche del girino donatore del nucleo. Naturalmente, in alcuni casi l’uovo si sviluppò normalmente, indicando che il nucleo della cellula intestinale di girino conteneva ancora tutte le informazioni necessarie per tutte le cellule dell’organismo.

Ogni tipo di cellula produce solo le sue proteine caratteristiche. A questo punto, appare chiaro che il differenziamento delle cellule di un organismo pluricellulare dipende dall’attivazione di certi gruppo di geni e dall’attivazione di altri.







LA REGOLAZIONE GENICA NEI PROCARIOTI

Abbiamo già parlato di controllo genico ma questa volta lo affronteremo nei procarioti.Nei batteri, infatti, il processo di trascrizione consiste nella sintesi di una molecola di RNA messaggero a partire da un filamento di DNA utilizzato come stampo. Il processo inizia quando l’enzima RNA polimerasi, legandosi a un sito specifico del DNA, noto come promotore, provoca l’apertura della doppia elica. Il filamento di mRNA rimane per poco tempo legato allo stampo di DNA mediante legami a idrogeno e si stacca per essere poi tradotto in una sequenza di amminoacidi e formare una proteina.

Nei procarioti il controllo di tutto questo processo può avvenire in almeno tre momenti diversi ma ha luogo prevalentemente proprio a livello della trascrizione. Il controllo prevede la presenza di particolari proteine codificanti dai geni regolatori; queste proteine (fattori di regolazione della trascrizione) si legano in vicinanza del promotore e possono agire o da controllo negativo (repressivo) imponendo la trascrizione dell’mRNA o da controllo positivo (attivatori) favorendo la sua trascrizione.

Nel controllo della trascrizione intervengono anche piccole molecole effettrici che si legano a questi fattori domini (regioni funzionali):

modificando la loro configurazione proteica; esse possono permettere o impedire l’inizio della trascrizione. I fattori di regolazione controllati da queste piccole molecole effettrici possiedono due

·         Nel primo dominio il fattore si lega al DNA;

·         Nel secondo dominio si inserisce una molecola effettrice.

Un segmento di DNA che codifica per un polipeptide è noto come gene strutturale. Spesso i geni strutturali che codificano per polipeptidi con funzioni correlate lavorano in sequenza. Questi gruppi possono contenere due catene polipeptidiche che costituiscono un particolare enzima. I gruppi di geni che codificano per queste molecole vengono trascritti in un singolo filamento di mRNA.

L’estremità 5’ della molecola dell’mRNA presenta una breve sequenza leader e l’estremità 3’ una sequenza trailer. Di solito nei batteri la traduzione può già aver inizio all’estremità 5’ della molecola di mRNA anche se la restante parte della molecola è ancora in fase di trascrizione. In un gruppo di polipeptidi necessari alla cellula nello stesso momento e in uguale quantità può essere sintetizzato contemporaneamente. Il fatto che l’mRNA venga immediatamente tradotto in proteine aumenta l’efficienza di questa strategia di regolazione.

Esistono proteine indispensabili alla cellula durante l’intero arco della sua vita e i geni che le codificano non hanno bisogno di un controllo sofisticato essendo sempre attivi; questi geni sono detti geni costituitivi. Nella maggior parte dei casi le cellule non producono continuamente tutte le proteine possibili, ma solo quelle necessarie e solo nel quantitativo richiesto a seconda dei cambiamenti.

Le nostre conoscenze si basano su un modello noto come operone, proposto da F. Jacob e J. Monod. Un operone è un’unita funzionale che comprende il promotore di uno o più geni strutturali, tutti sotto il controllo di una sequenza di DNA nota come operatore. L’operatore è un insieme di nucleotidi che ha una funzione regolatrice ed è posto fra il gene promotore e i geni strutturali.

La trascrizione dei geni strutturali è controllata anche dall’attività del gene regolatore; questo gene può codificare per un fattore di regolazione della trascrizione (l’attivatore) che promuove la trascrizione, oppure può far avvenire la sintesi di un fattore (il repressore) che ostacola il promotore; in questo caso, la RNA polimerasi non può legarsi alla molecola di DNA o non può spostarsi lungo la molecola. In presenza del repressore non si verifica la trascrizione dell’mRNA.

La capacità del repressore di legarsi all’operatore dipende da una piccola molecola effettrice che attiva o disattiva il repressore di quel particolare operone. Una molecola effettrice che attiva un repressore è detta corepressore,  mentre una che lo disattiva è detta induttore. Se esso è presente nel terreno di coltura, attiva il repressore dell’operone del triptofano; il repressore attivato si lega poi all’operatore e blocca la sintesi degli enzimi non necessari.

Molte piccole molecole effettrici che interagiscono con i repressori degli operoni esercitano i loro effetti modificando la configurazione tridimensionale della molecola di repressore. La manipolazione degli operoni è un importante meccanismo utilizzato nei processi biotecnologici per indurre le cellule batteriche a produrre proteine d’importanza medica, come l’insulina umana.