Biologia animale e molecolare

➢ REGOLAZIONE DELLA TRASCRIZIONE NEGLI

EUCARIOTI

Anche nel caso degli eucarioti possiamo regolare la trascrizione mediante proteine che si comportano da

repressori o attivatori. Negli eucarioti, queste proteine, oltre che al promotore che è la regione regolatrice

per eccellenza, possono legarsi ad altre sequenze che andranno ad interferire/aiutare la trascrizione.

I siti di legame per gli attivatori sono denominati enhancers o intensificatori perché la loro presenza

intensifica il tasso di trascrizione. Gli attivatori possono incrementare la trascrizione anche quando si legano

a coppie di nucleotidi molto distanti dal promotore: la loro azione a distanza si verifica perché il DNA che si

trova tra l'intensificatore e il promotore si ripiega formando un'ansa e consente così agli attivatori proteici

di influenzare in maniera diretta ciò che accade al promotore.

Spesso, per mettere in contatto i regolatori della trascrizione legati a grande distanza con le proteine vicine

al promotore, sono necessarie ulteriori proteine: le più importanti formano il complesso chiamato

Mediatore. Tutte queste proteine insieme attraggono e posizionano i fattori generali di trascrizione e l'RNA

polimerasi sul promotore, formando il complesso di inizio della trascrizione.

I repressori invece lavorano al contrario: impediscono la formazione di questo complesso per diminuire la

trascrizione.

L'inizio della trascrizione negli eucarioti deve tener conto del forte impacchettamento del DNA nella

cromatina: questo, infatti, è compattato in nucleosomi che a loro volta si ripiegano in strutture di ordine

superiore. Gli attivatori e i repressori sfruttano i meccanismi usati per impacchettare il DNA anche per

accendere e spegnere i geni: utilizzano infatti i complessi rimodellatori della cromatina e i modificatori di

istoni.

Gli attivatori si servono di tali sistemi attirando queste proteine nel promotore. Il reclutamento di enzimi che

modificano gli istoni, come le acetiltransferasi, permette l'aggiunta di gruppi acetilici agli

istoni(precisamente alle lisine situate nella coda degli istoni) che attraggono proteine che promuovono

l'inizio della trascrizione. I complessi rimodellatori della cromatina rendono il DNA impaccato nei nucleosomi

più accessibile a varie proteine, comprese quelle necessarie per iniziare la trascrizione. Queste azioni

incrementano l'efficacia dell'inizio della trascrizione.

Allo stesso modo, anche i repressori possono utilizzare questi sistemi per ridurre l'efficienza dell'inizio della

trascrizione. Molti repressori attraggono le deacetilasi degli istoni: questi enzimi rimuovono i gruppi acetilici

dalle code istoniche ottenendo un effetto opposto a quello che aveva l'acetilazione. Alcuni repressori

agiscono su singoli geni, altri invece possono rendere inattivo per la trascrizione un lungo tratto di cromatina

che comprende molti geni.

I geni degli eucarioti sono controllati da combinazioni di regolatori della trascrizione: la maggior parte dei

regolatori della trascrizione funzionano come parte di un gruppo ampio di proteine regolatrici, che cooperano

per esprimere un singolo gene(controllo combinatorio). Tutti insieme, i regolatori guidano la formazione del

complesso multiproteico del Mediatore, che coordina i complessi rimodellatori della cromatina, gli enzimi

modificatori degli istoni, l'RNA polimerasi e i fattori generali della trascrizione.

Gli eucarioti, a differenza dei procarioti, coordinano l'espressione di più geni che sono separati tra loro, che

vengono trascritti e regolati individualmente(nei procarioti i geni non sono separati ma sono raggruppati in

un unico operone, sotto il controllo di un singolo promotore.) L'effetto di un solo regolatore della

trascrizione può essere decisivo nell'attivare o disattivare un qualsiasi gene, semplicemente perché quel

regolatore completa la combinazione molecolare necessaria per attivarlo o reprimerlo. Quando geni diversi

contengono sequenze di regolazione del DNA riconosciute dallo stesso regolatore della trascrizione vengono

accesi e spenti insieme, cose se fossero un'unità

coordinata. Un esempio di ciò, nell'organismo umano,

è quello del cortisolo. Quando questo ormone è

presente, le cellule epatiche incrementano

l'espressione di molti geni diversi, compresi quelli che

permettono al fegato di produrre glucosio. Per

accendere i geni che rispondono al cortisolo, il

recettore del cortisolo forma inizialmente un

complesso con la molecola di cortisolo. Questo

complesso(formato da recettore+ cortisolo), lega una

sequenza di regolazione presente nel DNA di tutti i

geni che rispondono al cortisolo e li attiva. Quando

la concentrazione di cortisolo diminuisce

nuovamente, l'espressione di questi geni ritorna a

livello normale. In questo modo, un solo regolatore

della trascrizione può controllare l'espressione di più

geni.

Il controllo combinatorio può anche generare tipi cellulari differenti. Un esempio di ciò è rappresentato dallo

sviluppo delle cellule muscolari. Queste cellule si distinguono dalle altre per caratteristiche molto particolari.

I geni che codificano queste proteine muscolo-specifiche vengono attivati in maniera coordinata nel

momento in cui le cellule iniziano a differenziarsi. Studiando le cellule muscolari in crescita in coltura, è stato

possibile identificare i principali regolatori della trascrizione che, espressi solo nelle cellule destinate a

differenziarsi come muscolari, coordinano l'espressione genica specifica del muscolo e sono cruciali per

questo tipo di specializzazione. Questi regolatori attivano la trascrizione dei geni che codificano le proteine

specifiche del muscolo legando apposite sequenze di DNA presenti nelle loro regioni di controllo.

MEMORIA CELLULARE

L’espressione genica si tramanda da una cellula alle sue cellule figlie. Le cellule di un organismo

pluricellulare, una volta differenziate, mantengono la loro specializzazione e così fanno anche le cellule loro

discendenti. I tipi cellulari specializzati che si dividono, quando lo fanno, danno origine solo a cellule uguali a

se stesse.

Affinché una cellula in via di proliferazione mantenga la propria identità entra in gioco una proprietà detta

memoria cellulare, secondo la quale le variazioni dell'espressione genica all'origine del differenziamento

devono essere ricordate e trasmesse alle cellule figlie attraverso tutte le successive divisioni cellulari. Le

cellule hanno diversi sistemi per garantire che le cellule figlie ricordino quale tipo di cellula devono diventare:

- Circuito a retroazione positiva(positive feedback loop)

In questo sistema, un regolatore chiave della trascrizione attiva

la trascrizione del proprio gene oltre a quella di altri geni

specifici per quel tipo cellulare. Ogni volta che la cellula si divide,

il regolatore viene distribuito a entrambe le cellule figlie, nelle

quali continua a stimolare il circuito a retroazione positiva: la

stimolazione continua garantisce che il regolatore sia prodotto

anche nelle generazioni successive.

Es. La proteina A è un regolatore della trascrizione in grado di

attivare la trascrizione del suo gene e di altri geni associati ad

altri tipi di proteine. Nella cellula progenitrice non viene

prodotta la proteina A: questa cellula subisce allora un segnale

transitorio che attiva l'espressione del gene A. Nelle cellule figlie

il gene A continua ad essere tradotto in assenza del segnale di inizio perché le cellule figlie ricordano che la

cellula progenitrice ha ricevuto questo segnale. Quindi, se ad un certo punto, una cellula dell'utero riceve un

determinato ormone, e quindi lo stimolo di formazione di una proteina, allora le cellule figlie prenderanno la

stessa informazione e non sarà necessario che si ripeta lo stimolo.

- Metilazione del DNA.

La metilazione avviene solo su determinate

citosine: questa modifica covalente delle

citosine di solito disattiva i geni in quanto

attrae proteine che legano le citosine

metilate e bloccano l'espressione genica.

L'aggiunta di un gruppo metilico è una

modifica tollerata e prevista dalla nostra

cellula: noi subiamo continuamente una

metilazione e demetilazione dei nostri geni.

Questo è infatti il meccanismo che abbiamo

utilizzato maggiormente per differenziare l'espressione genica. Anche questo meccanismo non cambia la

sequenza di nucleotidi ma modifica la compattazione della cromatina: i nucleotidi, infatti, richiamano

queste proteine con cui andiamo a stringere le maglie della cromatina. Se in un filamento di DNA sono

presenti due nucleotidi legati ad un gruppo metilico, nel momento della replicazione, quando verrà prodotto

il filamento nuovo, la metiltransferasi riconosce il gruppo metilico presente nel filamento stampo e lo replica

anche in quello nuovo>questo avviene grazie alla replicazione semiconservativa.

Questi meccanismi di memoria cellulare trasmettono informazioni sull'espressione genica dalle cellule madri

alle figlie senza alterare la sequenza nucleotidica del DNA, vengono considerati delle forme di eredità

epigenetica. L'epigenetica si riferisce proprio all'ereditarietà non solo della struttura del DNA, della sequenza

nucleotidica ma anche del modo in cui deve essere letto il DNA.

Un esempio importante di epigenetica è quello della grande carestia olandese, verificatasi nel 1944 alla fine

della seconda guerra mondiale. In Olanda, nel periodo in cui i paesi alleati alla Germania erano soggetti

all'embargo, si è verificata una grave carestia. Le condizioni del corpo di un individuo che viveva in una

situazione del genere si sono dovute adattare. Vi saranno stati quindi casi in cui il corpo di una madre, si è

dovuto adattare a rendere ancora più nutrienti le sostanze che assumeva, in maniera tale da garantire la

sopravvivenza del feto. Grazie alla cromatina, venne quindi economizzata l'assunzione dei nutrienti: venne

reso efficiente il poco introito calorico. Si sono verifiche quindi, nella generazione successiva, delle modifiche

epigenetiche che hanno portato, le generazioni successive a sviluppare malattie come l'obesità, ipertensione,

diabete di tipo II ma anche schizofrenia e depressione.

Un altro esempio è quello della sindrome da abbandono, di cui soffrono tutti quegli individui che vengono

abbandonati al momento della loro nascita. In questi casi, nell'ipocampo viene silenziata la produzione

dell'ormone della crescita. Il gene viene silenziato dall'aggiunta di gruppi metilici nel promotore. Questo è un

meccanismo epigenetico e può essere ereditato.

CONTROLLI POST-TRASCRIZIONALI

Esistono dei meccanismi che vanno a influenzare e regolare l'espressione genica dopo l'inizio della

trascrizione: questi prendono il nome di controlli post-trascrizionali.

Oltre agli mRNA, che codificano l