Generica agraria

Regolazione dell’espressione genetica

L’espressione genica

L'espressione genica è il processo attraverso il quale le informazioni contenute nei geni vengono utilizzate per sintetizzare i prodotti genici funzionali come le proteine. Questo processo include diverse fasi fondamentali: trascrizione, modificazione dell'mRNA, trasporto dell'mRNA, traduzione e, in alcuni casi, modificazione post-traduzionale della proteina.

1. Traduzione

Negli eucarioti:

• L'mRNA viene trasportato dal nucleo al citoplasma dove la traduzione avviene sui ribosomi.

Nei procarioti:

• La traduzione può iniziare immediatamente dopo o persino durante la trascrizione, dato che il materiale genetico non è segregato in un nucleo.

2. Trascrizione

Negli eucarioti:

• La trascrizione del DNA avviene nel nucleo dove l'mRNA appena sintetizzato subisce ulteriori modifiche come l'aggiunta di un cappuccio di 5’ e di una coda di poli(A). Lo splicing dell'RNA rimuove gli introni non codificanti.

Nei procarioti:

• La trascrizione avviene direttamente nel citoplasma e l'mRNA prodotto è generalmente pronto per essere tradotto senza ulteriori modifiche.

Geni costitutivi e geni regolati

Tutte le cellule di un organismo possiedono lo stesso genoma, ma non tutti i geni sono espressi in ogni cellula. L'espressione genica è regolata in modo da rispondere alle esigenze specifiche di ogni tipo cellulare e alle condizioni ambientali.

Geni costitutivi:

• Sono espressi in maniera continua e costante, poiché sono essenziali per le funzioni cellulari di base come il metabolismo e la sintesi di tRNA.

Geni regolati:

• Inducibili: La loro espressione può essere attivata in risposta a specifiche condizioni o segnali.
• Repressi: La loro espressione può essere inibita quando non è necessaria.

Genoma della pianta modello: Arabidopsis thaliana

Genoma: Arabidopsis thaliana è un modello vegetale che ha un genoma contenente circa 25.000 geni. Tuttavia, in una singola cellula sono espressi mediamente tra 10.000 e 15.000 mRNA diversi.

Espressione genica specifica: L'espressione genica è specifica per tipo di cellula, tessuto o organo. Ad esempio, diversi geni sono attivi nelle foglie rispetto alle radici o ai fiori, garantendo che ogni parte della pianta svolga la sua funzione specifica.

Ogni cellula, pur contenendo la stessa informazione genetica, esprime solo una parte dei geni presenti nel genoma.

Non tutti i geni sono sempre attivi durante lo sviluppo di un organismo; prodotti genici diversi sono richiesti in diversi stadi di sviluppo di un organismo.

Tipi di regolazione genica

1. Regolazione spaziale

Un gene è espresso solo in specifici tessuti o organi. Ad esempio, le proteine di riserva sono espresse solo nei semi.

2. Regolazione temporale

Un gene è espresso solo in specifici stadi di sviluppo. Ad esempio, alcuni geni sono attivati durante la fioritura.

Uno stesso gene può essere regolato sia spazialmente che temporalmente (esempio: proteine di riserva del seme).

I geni sono attivati o disattivati in risposta a condizioni ambientali variabili e durante diversi stadi di sviluppo. Questo permette all'organismo di adattarsi e rispondere ai cambiamenti.

Regolazione nei procarioti

Nei procarioti, i geni con funzioni correlate spesso formano un'unità di trascrizione nota come operone.

Operone:

• L’operone include un promotore, un operatore e uno o più geni strutturali.

mRNA policistronici: Questi mRNA contengono informazioni per più geni, consentendo la co-regolazione di geni funzionalmente correlati.

Modelli di regolazione:

• Regolazione negativa: Un repressore si lega all'operatore bloccando la trascrizione.
• Regolazione positiva: Un attivatore si lega all'operatore o al promotore promuovendo la trascrizione.

Gene inducibile

Un gene inducibile è un gene la cui espressione può essere attivata in risposta a specifici stimoli o segnali ambientali. In altre parole, questi geni sono generalmente "spenti" (non trascritti) e vengono attivati solo quando è necessario.

La sua trascrizione è attivata da un ATTIVATORE che si lega al promotore o per rimozione di un REPRESSORE legato al promotore.

Operone inducibile: la sua trascrizione è stimolata dalla presenza di una molecola (induttore) che interagisce con il prodotto del gene regolatore bloccandolo.

Gene reprimibile

Un gene reprimibile è un gene che è normalmente "acceso" (trascritto continuamente) e può essere disattivato in risposta a specifici segnali o condizioni. Questi geni sono spesso coinvolti in processi biosintetici che devono essere regolati in base alla disponibilità dei prodotti finali.

La sua trascrizione è inibita: o da una proteina regolatrice (REPRESSORE) che si lega al promotore, o per rimozione di una proteina regolatrice (ATTIVATORE) legato al promotore.

Operone reprimibile: la sua trascrizione è inibita dalla presenza di una molecola (corepressore) che interagisce con il prodotto genico del gene regolatore attivandolo.

Esempio dell’operone lac

• Coinvolto nel metabolismo del lattosio in E. coli.
• In presenza di lattosio: Il lattosio agisce come induttore, inattivando il repressore e permettendo la trascrizione dei geni lac.
• In assenza di lattosio: Il repressore è attivo e si lega all'operatore, bloccando la trascrizione dei geni lac.

Controllo dell’espressione genica negli eucarioti

• Non esiste l’operone, ma ogni gene viene trascritto separatamente.
• L’espressione è generalmente regolata a livello di trascrizione: alcune proteine, legandosi al DNA a monte del gene, sono capaci di favorire o bloccare l’RNA polimerasi.
• L’espressione può essere controllata anche in altre fasi (alterazione dell’impacchettamento della cromatina, maturazione dell’mRNA, traduzione etc.).
• Alcuni fattori di trascrizione sono normalmente presenti (es. nel TATA box), altri sono regolativi (intensificano o reprimono).

Il genoma eucariotico:

• È più grande di quello dei procarioti (contenuto aploide).
• È organizzato in cromosomi.
• Possiede i telomeri.
• Contiene sequenze ripetitive.
• Possiede molti geni interrotti.
• Trascrizione e traduzione avvengono in ambienti separati.
• Contiene sequenze regolatrici.

I compartimenti del materiale genetico

La trascrizione dei geni avviene nel nucleo, dove viene sintetizzato l’mRNA. La traduzione dell’mRNA avviene, invece, nel citoplasma.

Struttura di un gene eucariotico: I geni sono formati da sequenze codificanti, gli esoni, e sequenze non codificanti, gli introni. Gli introni e gli esoni della regione codificante vengono trascritti. Gli introni vengono rimossi. Dopo la rielaborazione, gli esoni ricuciti sono pronti per essere tradotti.

I geni contengono anche sequenze regolatrici, come il promotore e il terminatore, che controllano il processo di trascrizione.

Il controllo dell’espressione genica

L’espressione genica può essere regolata in diversi momenti (prima, durante e dopo la trascrizione e la traduzione) e in ambienti cellulari differenti (nel nucleo o nel citoplasma).

Regolazione prima della trascrizione

Prima che inizi la trascrizione, avviene un rimodellamento della cromatina. I nucleosomi si disgregano, rendendo possibile il legame del complesso di trascrizione al DNA. Nella regione attive la cromatina è iperacetilata e in quelle inattive ipoacetilata.

Avviene l’aggiunta di gruppi metilici ad alcuni nucleotidi del DNA (citosina). La metilazione del DNA è associata ad alcune modificazioni strutturali della cromatina nel controllo epigenico dell’espressione genica, inoltre influenza la compattazione della cromatina e l’accessibilità del DNA.

Regolazione durante la trascrizione (trascrizione differenziale)

Tutti i tessuti dell’organismo contengono lo stesso materiale genetico. Le cellule della foglia hanno un metabolismo diverso da quello delle cellule del frutto e perciò hanno bisogno di differenziare la loro espressione genica per produrre proteine diverse. La regolazione dell’espressione genica da parte dei fattori di trascrizione è definita combinatoria perché richiede l’interazione coordinata di molteplici proteine.

Fattori di trascrizione: sono proteine che determinano se e quando l’RNA polimerasi trascrive il DNA, riconoscendo nel gene le sequenze di regolazione.

Coordinazione fra geni: La coordinazione dell’espressione di più geni avviene grazie a un singolo segnale ambientale, che induce la sintesi di una proteina regolatrice della trascrizione. Un segnale di stress (per esempio la siccità) attiva la trascrizione di una proteina regolatrice. Il legame della