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Espressione Genica negli Eucarioti - Regolazione

Dispense di Biologia Applicata. Il file pdf tratta la Regolazione dell'espressione genica negli eucarioti. Codice genetico degli zigoti. Meccanismi di controllo della trascrizione. Sequenze del DNA. Mappatura. Sequenze promoter. Filamenti dei DNA. Enzima polimerasi. TATA Box e CAAT box.

  • Per l'esame di Biologia applicata del Prof. A. Cicero
  • Università: Foggia - Unifg
  • CdL: Corso di laurea magistrale in medicina e chirurgia (a ciclo unico - 6 anni)
  • SSD:
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Voto: 5 verificato da Skuola.net

  • 5
  • 09-11-2012
1di 48 pagine totali
 
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Espressione Genica negli Eucarioti - Regolazione
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Questo contenuto si trova sul sito http://www.medicina.unifg.it
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Anteprima Testo:
REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICA NEGLI EUCARIOTI Ogni cellula differenziata contiene proteine necessarie per il mantenimento delle funzioni metaboliche generali e proteine specifiche per quel particolare stato differenziato. Poiché le cellule di un organismo mantengono, anche se differenziate, tutta l’informazione genetica della specie e quindi la stessa informazione genetica dello zigote, la sintesi di proteine caratteristiche per ogni tipo cellulare differenziato dipende da attivazione differenziale di geni specifici. Questo comporta un controllo dell’espressione dell’informazione genetica. Per il raggiungimento dello stato differenziato (durante lo sviluppo) è necessario che alcuni geni siano espressi secondo precisi rapporti spazio-temporali.
Dopo il raggiungimento dello stato differenziato, nei vari tipi di cellule sono in funzione geni: 1) che vengono continuamente trascritti perché codificano per proteine necessarie per il mantenimento di funzioni generali ( es.: il gene per l’actina, i geni per enzimi, quali la glucoso-6-fosfato deidrogenasi, ecc.) e 2) geni espressi solo in un particolare tipo di cellule e in momenti ben precisi, in risposta a determinati stimoli. I primi sono chiamati “housekeeping genes”: “geni domestici” e sono riconosciuti da attivatori ubiquitari, cioè presenti in tutte le cellule. Vengono considerati “geni costitutivi”. I secondi sono “geni regolati” e nel promotore contengono elementi (sequenze nucleotidiche) riconosciuti solo da attivatori presenti in quel tipo di cellula e in quel determinato momento.
Il nucleo di cellule differenziate contiene tutta l’informazione genetica dello zigote Per i dettagli si rimanda a Karp J. : Biologia cellulare e molecolare EdiSES
Negli organismi eucarioti • La regolazione dell’espressione genica avviene principalmente su tre livelli: • Controllo a livello della trascrizione: determina quando e quanto spesso un gene deve essere trascritto. • Controllo a livello della maturazione: determina la via attraverso la quale il trascritto primario di RNA diventa un RNA messaggero maturo. • Controllo a livello della traduzione: determina quando, quanto frequentemente e per quanto tempo un mRNA deve essere tradotto. • A questi si aggiunge un controllo post-traduzionale: determina la maturazione funzionale delle proteine.
Il controllo della trascrizione rappresenta un livello cruciale per la regolazione dell’espressione genica perché con esso le cellule eucarioti determinano quali geni devono essere attivati o spenti e di conseguenza quali proteine devono essere sintetizzate in ogni preciso momento della vita cellulare.
Controllo a livello della trascrizione • • • • • •
Il controllo trascrizionale è regolato dall’azione di molte proteine: i fattori di trascrizione. Questi possono essere distinti in due classi funzionali: fattori di trascrizione generali, che si legano agli elementi della regione fondamentale e prossimale del promotore in associazione con la RNA polimerasi; fattori di trascrizione specifici, che si legano con diversi siti regolatori (elementi distali) di numerosi geni e ne stimolano o inibiscono la trascrizione. Un singolo gene può essere controllato da molti siti regolatori, capaci di legare differenti proteine di regolazione, in risposta a differenti stimolatori (che agiscono su quel determinato gene). Mentre, una singola proteina di legame al DNA può legarsi a numerosi siti nel genoma, controllando l’espressione di diversi geni.

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La regolazione della trascrizione dei geni eucariotici è complessa e influenzata da vari fattori, tra i quali: l’affinità dei fattori di trascrizione per particolari sequenze del DNA e la capacità da parte dei fattori di trascrizione, legati a sequenze vicine, di agire in maniera cooperativa Cellule esposte a diversi stimoli rispondono sintetizzando diversi fattori di trascrizione, che si legano a differenti siti del DNA. Il grado di trascrizione dipende dalla particolare combinazione con cui i fattori di trascrizione si legano ad elementi di regolazione a monte.
Modulazione della trascrizione • Il DNA che contiene promotori intatti è in grado di permettere un livello basale di trascrizione in vitro in presenza di RNA polimerasi seconda • Questo livello è modulato da fattori specifici di trascrizione legati ad altri siti del DNA che possono stimolare (attivatori) o inibire (repressori) la trascrizione • Bisogna fare rilevare che nei sistemi eucariotici viene regolata l’efficienza della trascrizione, che può aumentare o diminuire tra due stati estremi “on”,”off”.
Individuazione della funzione di sequenze di DNA Mappatura per delezione La individuazione della funzione di sequenze di DNA coinvolte con la regolazione della trascrizione sono state eseguite mediante diverse tecniche, tra le quali la mappatura per delezione. In breve: vengono preparate molecole di DNA con deEspandi »lezioni in diversi punti del promotore del gene. Le molecole modificate di DNA vengono inserite(trasfezione) nelle cellule che lo inglobano nel loro DNA. Si determinerà poi la capacità e l’efficienza della trascrizione del DNA trasfettato nella cellule. La fig sottostante rappresenta i risultati di questi esperimenti; l’attività della trascrizione è indicata come % rispetto alle sequenze non modificate (100%).Fig. sottostante:
Identificazione delle sequenze promotore necessarie per la trascrizione Per i dettagli si rimanda ai testi
DNA footprinting La individuazione della funzione di sequenze di DNA coinvolte con la regolazione della trascrizione e dei fattori di trascrizione (FT) legati possono essere eseguite mediante la tecnica del footprinting. Quando un FT si lega ad una sequenza di DNA protegge la sequenza dalla digestione con nucleasi (es., DNAasi I). La digestione con nucleasi degrada il DNA non protetto da FT legati. Dopo che la DNAasi ha digerito la cromatina estratta dalla cellula, la proteina legata al DNA viene rimossa. Possono essere analizzati sia I frammenti di DNA isolato sia le proteine. ( per la descrizione della tecnica si rimanda ai testi). Le sequenza funzionali del promotore si distinguono in 1) nucleo del promotore (comprendente il TATA box) e 2) elementi prossimali (CAAT box e GC box). Tutti questi siti sono riconosciuti dai fattori di trascrizione generali (GTF). Altre sequenze regolatrici in cis del DNA si trovano più a monte e sono riconosciuti dal fattori di trascrizione specifici attivati da determinati stimoli (ormoni, fattori di crescita,ecc). Queste sequenze sono indicate come sequenze (elementi) distali del promotore.
Struttura dei fattori di trascrizione
I Fattori di Trascrizione contengono in genere due domini: un dominio di legame al DNA, che lega una specifica sequenza, e un dominio di attivazione attraverso il quale interagisce con le altre proteine per attivare la trascrizione. Molti FT contengono anche un terzo dominio per legare una proteina simile o diversa, per la formazione di dimeri. Il legame al DNA è reso possibile da domini strutturali delle proteine capaci di riconoscere sequenze di basi nei solchi della doppia elica. Le Figure che seguono presentano i vari motivi strutturali dei FT. Per i dettagli si rimanda ai libri di testo.
Interazioni tra fattori di trascrizione e DNA Motivo “zinc finger” Interazioni tra il recettore per i glucocorticoidi (GR) dimerizzato e l’elemento di risposta (GRE) sul DNA. In rosso le parti che interagiscono.
5’-AGAACAnnnTGTTCT-3’ 3’-TCTTCTnnnACAAGA-5’
Il motivo Zinc-finger (inserto) è coordinato da un atomo di zinco che lega due residui di cisteina, facente parte di un foglietto beta, e due residui di istidina, facenti parte di un’alfaelica situata sul lato opposto. Per i dettagli si rimanda al Karp.
Motivo Zinc-finger: Modello del legame tra il TFIIIA al DNA del gene per l’RNA 5s. TFIIIA è necessario per la trascrizione del gene da parte della RNA polimerasi III
Motivo “heliz-loop-helix (bHLH) Fattore di trascrizione MyoD dimerico che avvia il differenziamento delle cellule muscolari
Motivo HLH - La dimerizzazione dei FT fa aumentare la specificità di legame al DNA. L’associazione di due o più subunità in combinazione può formare diversi FT che riconoscono sequenze diverse di DNA
Le proteine HMG piegano il DNA. Fattore UBF della RNA polimerasi I
Descrizione del gene per la fosfoenolpiruvato carbossichinasi (PEPCK). • La PEPCK è uno degli enzimi chiave della gluconeogenesi, la via metabolica che converte il piruvato in glucosio. L’enzima viene sintetizzato nel fegato quando i livelli di glucosio sono bassi, per es., dopo un prolungato digiuno. • Le regioni più importanti del promotore sono TATA box, che definisce il sito preciso in cui inizia la trascrizione, CAAT box e CG box, localizzate a monte, riconosciute da fattori come NF1 ed SP1 e che regolano la frequenza(l’efficienza) con cui la RNA polimerasi II trascrive il gene.
Regolazione della trascrizione del gene PEPCK Elementi di risposta del promotore a vari fattori di trascrizione
Esempi di stimolatori del gene PEPCK • Tra i diversi ormoni che influenzano l’espressione del gene PEPCK vi sono l’insulina, l’ormone tiroideo, il glucagone, i glucocorticoidi. Tutti questi ormoni svolgono la loro azione attraverso fattori di trascrizione specifici che legano il DNA in corrispondenza di sequenze specifiche chiamate elementi di risposta in cis. • Nella figura sovrastante son evidenziati i siti di legame sul DNA: per un recettore per l’ormone tiroideo (IRE), l’elemento di risposta ai glucocorticoidi (GRE), per una proteina che lega l’AMP ciclico (CRE-1) e per vari altri fattori che attivano la trascrizione da parte della RNA polimerasi II. Tutti questi elementi di risposta in cis ( cioè sulla stessa molecola del DNA) esemplificano gli elem « Comprimi
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