Concetti Chiave
- La produzione di proteine specifiche è controllata da geni strutturali, ma non tutti i geni devono essere espressi in ogni tipo cellulare.
- Negli eucarioti, la regolazione genica è complessa e avviene su più livelli, inclusi la compattazione della cromatina e l'attivazione tramite fattori di trascrizione.
- Il sistema di operone, scoperto da Jaques Monod, regola l'espressione genica nei batteri, come dimostrato dall'operone lac che controlla la produzione di enzimi digestivi del lattosio.
- Lo splicing alternativo consente a un singolo gene di produrre più proteine, aumentando la varietà proteica negli eucarioti.
- Alcune proteine, come l'insulina, necessitano di ulteriori processi di attivazione dopo la sintesi per diventare funzionali, come il clivaggio e la formazione di strutture complesse.
Indice
Produzione di proteine specifiche
Geni che conducono alla produzione di una proteina specifica, come emoglobina o insulina. Ogni cellula contiene tutti i geni dell'individuo, ma non tutti devono essere espressi. (Es. L'insulina viene prodotta ed espressa nel pancreas, ma non nelle cellule epiteliali).
Viene dunque impiegato un sistema di controllo/regolazione che favorisce l'espressione dei geni utili, ossia dei geni strutturali, tramite l'impiego di geni regolatori che trascritti e tradotti generano una proteina detta “repressore”. Per regolazione genica si intende l'attivazione o disattivazione dei geni.
Qual è la regolazione genica nei batteri?
Il primo caso di regolazione genica nei batteri venne scoperto da Jaques Monod, biologo e filosofo amico di Albert Einstein e Camus. Egli definisce “operone” questo sistema di controllo, il primo è l’operone lac.
Facendo crescere un batterio in un terreno di coltura, esso per nutrirsi necessita di lattosio e di enzimi che lo digeriscano. Invece, se il batterio non vive in un terreno in cui è presente del lattosio, il batterio non necessita di enzimi digestivi, di conseguenza la RNA-polimerasi non deve avere accesso al sito promotore per la trascrizione del gene che codifica per gli enzimi digestivi del lattosio. Di questo si occupa l'operatore: la proteina repressore si lega all'operatore, nel suo sito specifico, impedendo così l'accesso della RNA-polimerasi a quello stesso sito promotore, e dunque la produzione di enzimi digestivi del lattosio > repressore attivo.
Se nel terreno è presente il lattosio, il repressore vi si lega. Il lattosio blocca il repressore, rendendolo inattivo, e così il gene regolatore ha l'accesso libero > gli enzimi vengono trascritti > repressore inattivo.
Componenti dell'operone
Promotore: sito in cui si lega la RNA-polimerasi per iniziare la trascrizione.
Operatore: segmento di DNA che agisce da interruttore.
Repressore: proteina regolatrice che si lega all'operatore, impedendo fisicamente il legame tra RNA-polimerasi e promotore.
Operone: promotore + operatore + geni che codificano per il metabolismo del lattosio > un solo “interruttore” può controllare l'intero gruppo di geni correlati, trascritti in un’unica molecola di mRNA.
Operone lac: operone del lattosio (lactose operon), inattivo se nella cellula non è presente lattosio, grazie al repressore.
Regolazione Genica negli Eucarioti
Regolazione genica negli eucarioti
Negli eucarioti il sistema di regolazione è molto più complesso e si svolge su più livelli, a differenza che nei procarioti, in cui coinvolge solo la trascrizione.
A livello del DNA: Durante la fase di compattazione della cromatina. Essa rimane particolarmente densa in alcune zone, a tal punto che il DNA in quelle zone non viene trascritto. Viene chiamata eterocromatina.
Esempio nei mammiferi
Esempio nelle femmine di mammifero: Nelle femmine di mammifero dovrebbero essere presenti due cromosomi sessuali XX, invece uno dei due (uno in ogni cellula) spesso degenera e si spegne. Questo fatto è stato dedotto dallo studio della specie dei gatti-tartaruga, dal pelo maculato. Il colore del pelo è codificato da un gene che ha un locus sul cromosoma X. Ad esempio, se il “gatto papà” è nero e il “gatto mamma” è rosso, il cucciolo eterozigote avrà il pelo maculato: nei punti in cui si è spento il cromosoma X responsabile del colore rosso del pelo, il pelo sarà nero, e viceversa.
Inizio della trascrizione negli eucarioti
Perché inizi la trascrizione negli eucarioti, è necessaria una serie di proteine (fattori di trascrizione, ossia proteine che legano il DNA a una regione specifica del promotore o enhancer e servono per l'avvio della trascrizione) che si leghino sia al promotore che ai due siti che lo precedono. Sono dette intensificatori o enhancer le sequenze di DNA di controllo che avviano la trascrizione. Soltanto grazie alla formazione di questo legame, può avere inizio la trascrizione.
Splicing alternativo
Splicing alternativo: Come visto in precedenza, è necessaria l'aggiunta di coda e cappuccio, parte del processo di maturazione, perché la molecola di mRNA possa passare dal nucleo al citoplasma. In seguito lo splicing rimuove gli introni. Questo processo offre diverse possibilità di regolazione genica. Lo splicing può avvenire in modi diversi e possono avvenire più splicing per un singolo gene. Un gene, tagliato in modo diverso, può produrre più proteine. Infatti, lo splicing alternativo è uno dei metodi usati dagli eucarioti per disporre di un gran numero di proteine. Un esempio di splicing alternativo si può osservare nella drosofila, comune moscerino da frutta.
Attivazione delle proteine
Alcune proteine, seppure sintetizzate, non sono ancora in forma attiva, ma sono ancora inattive, anche in seguito a trascrizione e traduzione. È necessario un ulteriore processo di attivazione. Ad esempio, l'insulina (ormone proteico sintetizzato dalle cellule pancreatiche che regola la glicemia nel sangue) per attivarsi deve essere sottoposta a un processo di clivaggio, perché non risulta “in forma perfetta", con tutte le strutture propriamente organizzate (dalla primaria alla quaternaria) subito dopo trascrizione e traduzione. Tramite il clivaggio viene tradotta la struttura primaria (catena di amminoacidi) e poi tagliata. Si creano dei ponti disolfuro (S-S) tra gli amminoacidi che la compongono e così l’insulina, che assume una forma più complessa, diventa attiva.
Domande da interrogazione
- Qual è il ruolo dei geni regolatori nella produzione di proteine specifiche?
- Cosa rappresenta l'operone lac e quale è la sua funzione?
- In che modo la regolazione genica negli eucarioti differisce da quella nei procarioti?
- Cos'è lo splicing alternativo e quale importanza ha nella regolazione genica?
- Qual è il processo necessario per attivare alcune proteine dopo la loro sintesi?
I geni regolatori controllano l'espressione dei geni strutturali, generando proteine come i repressori che attivano o disattivano i geni, permettendo così la produzione di proteine specifiche in base alle necessità cellulari.
L'operone lac è un sistema di regolazione genica scoperto da Jaques Monod, che controlla la produzione di enzimi digestivi del lattosio nei batteri. Se il lattosio è presente, il repressore si disattiva, permettendo la trascrizione dei geni necessari.
Negli eucarioti, la regolazione genica è più complessa e avviene su più livelli, coinvolgendo non solo la trascrizione ma anche la compattazione della cromatina e l'uso di fattori di trascrizione per avviare la trascrizione.
Lo splicing alternativo è un processo che consente a un singolo gene di produrre diverse proteine, rimuovendo introni e variando il modo in cui il gene viene tagliato, aumentando così la diversità proteica negli eucarioti.
Alcune proteine, come l'insulina, richiedono un processo di attivazione tramite clivaggio, che modifica la loro struttura primaria e crea legami disolfuro, rendendole attive e funzionali.
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