Regolazione dell'espressione genetica negli eucarioti

Differenze tra eucarioti e procarioti

La regolazione dell'espressione genica negli eucarioti è diversa e più articolata di quella dei procarioti. Il materiale genetico degli eucarioti è molto più complesso di quello dei procarioti, ed è costituito da geni discontinui, che contengono esoni alternati a introni.

L'mRNA appena trascritto (detto anche primo trascritto o mRNA precursore, o RNA eterogeneo nucleare - hRNA) subisce un processo di elaborazione prima di essere trasportato nel citoplasma per la traduzione, e la regolazione dell'espressione genica non si esaurisce con la regolazione della trascrizione, bensì riguarda diverse fasi del processo che porta alla sintesi delle proteine.

In un confronto con i procarioti si devono considerare due aspetti principali in primo luogo, i geni degli eucarioti non sono raggruppati in operoni, in secondo luogo la regolazione risponde a esigenze molto differenti.

Processo di differenziamento cellulare

Se, nei procarioti, il controllo dell'espressione genica serve essenzialmente per produrre le proteine di volta in volta necessarie per utilizzare i nutrienti disponibili nell'ambiente, negli eucarioti pluricellulari è indispensabile per permettere il differenziamento. È importante ricordare che tutte le cellule di un organismo pluricellulare derivano da un'unica cellula, chiamata zigote. che si divide ripetutamente per mitosi, fino a formare l'individuo adulto.

Nel corso dello sviluppo embrionale, le cellule si differenziano, producendo proteine diverse che ne caratterizzano la struttura e la funzione.

Anche se differenziate tutte le cellule di un organismo contengono l'intero programma genetico (lo stesso numero e tipo di geni): sono cioè geneticamente equivalenti. Il differenziamento dipende dal fatto che ogni cellula, pur possedendo l'informazione genetica completa, esprime soltanto i geni che codificano per le sue proteine caratteristiche.

Regolazione dell'espressione genica negli eucarioti

Gli eucarioti possono regolare l'espressione dei loro geni controllando i diversi processi che permettono di tradurre in proteine il messaggio genetico:

1. La cromatina si presenta in due forme: eucromatina, poco condensata e eterocromatina, più condensata. L'eterocromatina è ricca di sequenze ripetute di DNA e non viene trascritta perché troppo compatta e inaccessibile all'RNA polimerasi; a essere trascritta è invece l'eucromatina, più accessibile come stampo.

2. Come nei procarioti, la trascrizione selettiva dei geni è il principale meccanismo di regolazione dell'espressione genica; questo controllo coinvolge proteine regolatrici che si legano a siti specifici sulla molecola del DNA, però avviene con modalità molto più complesse di quelle viste per i procarioti.

Meccanismi di controllo della trascrizione

Il controllo della trascrizione è legato anche a modificazioni chimiche a carico del DNA, in particolare questo processo coinvolge la metilazione di alcuni nucleotidi di citosina nelle sequenze geniche che non vengono trascritte.

N.B. Come nei procarioti, anche negli eucarioti la RNA polimerasi si lega a un sito specifico, detto promotore. La trascrizione però dipende anche dalla presenza di particolari sequenze dette intensifi-catori (o enhancer), poste a volte anche a grande distanza dal gene trascritto, che aumentano notevolmente la velocità di sintesi dell'RNA. Elementi analoghi agli enhancer sono i silencer che agiscono a distanza inibendo la trascrizione. La regolazione della trascrizione coinvolge proteine regolatrici, dette fattori di trascrizione, che si legano al DNA in corrispondenza dei siti appena visti e possono fungere da attivatori o da inibitori.

3.

Maturazione e traduzione dell'mRNA

Il precursore dell'mRNA viene profondamente modificato prima di migrare nel citoplasma. La regolazione dell'espressione genica si può attuare attraverso la maturazione selettiva degli RNA pre-cursori: i trascritti primari di mRNA modificati migrano nel citoplasma, mentre quelli non maturi restano nel nucleo e sono poi degradati. Lo stesso trascritto primario di mRNA può inoltre essere elaborato in maniere differenti, assemblando diversamente gli esoni e producendo cosi più di una proteina a partire dallo stesso mRNA.

4. Il controllo della traduzione si attua attraverso il legame dell'mRNA a proteine inibitrici presenti nel citoplasma, che si legano alla sua estremità 5', impedendo il legame con il ribosoma.

5. L'attivazione delle proteine sintetizzate, e la durata della loro vita nella cellula, dipende in gran parte da modificazioni che le catene polipeptidiche subiscono una volta sintetizzate.