Espressione genica

OPERONE DEL TRIPTOFANO: REPRESSORE ATTIVO QUANDO é LEGATO ALL’EFFETTORE.

SI TRATTA IN ENTRAMBI I CASI DI UN MECCANISMO DI CONTROLLO NEGATIVO: IL REPRESSORE IN FORMA

ATTIVA SPENGE SEMPRE LA TRASCRIZIONE.

Esistono anche dei meccanismi di regolazione più fine→ riguardano la modulazione dell’espressione

genica→ non tanto il concetto di gene acceso o spento, ma più o meno espresso→ questo meccanismo si

trova anche nell’operone del lattosio. Un gene può essere acceso o spento ma anche modulato e ciò

riguarda la velocita con cui viene trascritto e le volte che viene trascritto dall’ RNA polimerasi che dipende

da vari fattori.

Se si considera E. coli e viene inserito in un terreno contenente solo lattosio, osservo una trascrivono dei

geni molto elevata→ l’operone è potenziato perché la trascrizione è molto attiva e vengono prodotti grandi

quantità di enzimi.

Se invece E coli viene inserito in un terreno dove ci sono entrambe→ i livelli di trascrizione degli enzimi

sono più bassi. Questo però non è determinato solo dal fatto che vi è un meccanismo di accensione e

spegnimento, per cui il repressore sta attaccato o staccato. In questo caso vi è una modulazione

quantitativa data da altri fattori.

Vi è infatti, all’interno della cellula una molecola, chiamata AMP ciclico che si forma ad alti livelli quando il

glucosio è assente o scarso. Correlazione tra presenza o assenza del glucosio con la presenza o assenza

dell’AMP ciclico.

Questa molecola deriva dall’ATP, ma ha un fosfato unico che oltre ad essere legato al 5’, è legato anche al

3’.

GLUCOSIO PRESENTE→ BASSI LIVELLI DI cAMP.

GLUCOSIO ASSENTE O SCARSO→ ALTI LIVELLI DI cAMP.

È stato visto che all’interno della cellula esiste una proteina legante l’AMP ciclico che è un fattore di

trascrizione, chiamato CRP o CAP, che una volta legato l’AMP ciclico, andrà a legare l’operone in prossimità

del promotore promuovendo il legame dell’RNA polimerasi e quindi potenziando la trascrizione. È uno dei

fattori di regolazione. L’operone è acceso ed è potenziato perché non c’è glucosio ed il repressore è

staccato.

Questo è possibile se è presente il lattosio, perché se esso non è presente il repressore è comunque legato

e la trascrizione è spenta.

In presenza di glucosio, i livelli di AMP ciclico calano e anche se c’è lattosio, la trascrizione avviene a bassi

livelli perché non è attiva la proteina legante l’AMP ciclico che serve a potenziare la trascrizione.

Caso del glucosio e del lattosio presenti. GLUCOSIO PRESENTE, LIVELLI DI AMP CICLICO BASSI. La proteina

che funziona come potenziatore della trascrizione non è attiva, si attiva infatti solo se i livelli di AMP ciclico

sono alti. Siccome però c’è il lattosio, il repressore è staccato; infatti nel caso dell’operone del lattosio il

repressore quando lega l’allolattosio si stacca; l’operone è on, acceso, ma la trascrizione non è potenziata.

Caso del lattosio presente e glucosio scarso o assente del tutto. Il repressore è staccato perché c’è

l’allolattosio, ma in questo caso la proteina legante l’’AMP ciclico è attiva perché i livelli di AMP ciclico sono

alti e si lega→ trascrizione potenziata.

Il lattosio regola il meccanismo on-off, la proteina legante l’AMP ciclico regola l’aspetto quantitativo.

Nel caso dei battei, delle piante e dei funghi oltre al controllo mediato dall’operone che per coinvolge solo i

batteri vi è un altro meccanismo di controllo che è chiamato meccanismo mediato dai riboswitch o

ribointerrutori. Questo meccanismo prevede una regolazione o a livello della trascrizione o della

traduzione. In questo caso non c’è una proteina repressore, ma è lo stesso RNA messaggero che

assumendo una conformazione particolare può essere legato da un metabolita e determinare la

terminazione precoce della trascrizione o della traduzione di un gene.

Il primo è il caso della trascrizione e il secondo della traduzione.

In quest’ultimo caso si vede un RNA messaggero classico, questo RNA messaggero presenta la possibilità di

formare delle strutture secondarie come quella a forcina che possono legare un determinato metabolita,

una molecola. Il legame con questa molecola determina un’alternazione della conformazione dell’RNA

messaggero che causa un blocco della traduzione perché l’AUG si trova in una struttura chiusa che non gli

permette di essere letto da ribosomi.

Es. caso dell’RNA messaggero che in E. coli codifica per un enzima che è responsabile della sintesi dell’FMN,

flavinmononucleotide, ovvero un equivalente riducente come il FAD ed il NAD. Quando l’FMN è assente,

l’RNA messaggero che porta l’informazione per l’enzima che lo deve sintetizzare, deve essere tradotto. In

questo caso i ribosomi riconoscono l’AUG e la produzione avviene normalmente.

Se invece i livelli di FMN sono alti, la cellula non deve spendere energia per formare la proteina, ma la

sintesi proteica viene bloccata. L’FMN lega l’RNA messaggero; esso cambia conformazione l’AUG si trova in

una struttura a forcina che non può essere riconosciuta dai ribosomi e la traduzione viene bloccata.

L’FMN si lega all’RNA messaggero cambiando la struttura. L’FMN è il prodotto quindi dell’enzima che dovrà

essere sintetizzato dall’RNA messaggero, ma se è abbondante è inutile che venga prodotto.

In alcuni batteri come su B. subtilis questo meccanismo di regolazione funziona a livello della trascrizione. Il

concetto è simile perché in questo caso l’RNA inizia la sua sintesi, ma viene legato dall’FMN, si genera la

struttura secondaria che determina una terminazione precoce della trascrizione.

In un caso non inizia proprio la traduzione e nell’altro vi è una terminazione precoce della trascrizione.

l’RNA polimerasi dei batteri presenta diverse subunità come la subunità sigma che è responsabile del

riconoscimento dei promotori. In E. coli sono state trovate 6 subunità sigma e una lega i promotori dei geni

costituitivi, un’altra i promotori per il metabolismo dell’azoto e così via, le diverse sub sigma possono

funzionare come fattori di trascrizione selettivi per determinati geni.

Livelli di controllo dell’espressione genica negli eucarioti.

I livelli di regolazione della trascrizione sono molteplici perché la trascrizione e la traduzione avvengono in

posti separati della cellula. Quindi è possibile regolare la trascrizione, i meccanismi di splicing e anche la

traduzione. I livelli di regolazione sono di più.

Inoltre, ci sono anche dei livelli di regolazione a livello del genoma.

Principali livelli di espressione genica:

➔ Genoma.

➔ Trascrizione.

➔ Maturazione dell’RNA e esportazione dal nucleo.

➔ Traduzione.

➔ Post-traduzione.

Controllo genomico

1- :

Abbastanza raro consiste in amplificazioni di regioni del genoma, riarrangiameti e delezioni (rappresentano

delle eccezioni!!).

Ad esempio, Amplificazione del DNA per gli rRNA durante l’oogenesi in Xenopus. Nel caso del rospo,

quando vengono prodotte le cellule uovo in queste vengono amplificati tantissimo i geni per gli RNA

ribosomiali che normalmente sono 400, ma in questo caso arrivano quasi a due milioni perché l’ovocita

deve contenere tanti ribosomi per essere pronto, nel caso in cui venga fecondato, a fare le proteine per

permettere lo sviluppo embrionale ottimale.

Gli esempi di delezione sono più rari in un crostaceo il DNA eterocromatico viene eliminato, ne abbiamo un

esempio anche nel nostro organismo nel caso degli eritrociti, anche se in realtà non è proprio un

meccanismo di regolazione.

Oppure riarrangiamenti→ caso degli anticorpi che sono proteine variegate. Non è che abbiamo tanti geni

quanti sono gli anticorpi, ma vi è una classe di geni che possono riarrangiarsi determinando la produzione di

una grande quantità di anticorpi diversi.

Controllo genomico: MECCANISMI EPIGENETICI.

Col termine di ‘Epigenetica’ si indicano modificazioni del DNA e della cromatina, e quindi delle proteine che

legano il DNA, che influenzano la struttura del genoma e l’espressione genica senza alterare la sequenza di

nucleotidi→ non sono mutazioni, non cambiano il significato della sequenza dei nucleotidi. Cambiano la

possibilità che quella sequenza di DNA, possa essere realmente trascritta e di conseguenza tradotta in

proteina. Determinano una variazione della compattazione della cromatina e quindi la cromatina può

essere più o meno accessibile all’RNA polimerasi. Regolano la transizione da eterocromatina ad

eucromatina e viceversa. Sono processi reversibili.

Meccanismi epigenetici: Metilazione del DNA.

A livello del DNA abbiamo la metilazione della citosina. Le metilazioni solitamente comportano la

trasformazione delle regioni ipermetilate, ovvero che contengono tante citosine metilate in DNA inattivo

dal punto di vista trascrizionale. Come nel caso di uno dei due cromosomi X della donna detto copro di Barr,

che è estremamente compatto e fortemente etrocromatico, anche se ci sono regioni che si esprimono ed è

fortemente metilato. A volte possono essere metilati i promotori e in questo caso la trascrizione tende ad

essere spenta. La metilazione va correlata ad un’inattivazione della trascrizione.

La metilazione del DNA è un processo post-replicativo. L’estensione delle modificazioni riguardanti la

metilazione del DNA è fondamentalmente decisa durante lo sviluppo. La metilazione del DNA è quindi uno

dei meccanismi correlati con il differenziamento cellulare, generalmente inibisce l’espressione genica a

livello trascrizionale.

Meccanismi epigenetici: Modificazioni degli Istoni.

Gli istoni possono essere metilati, fosforilati oppure acetilati su residui precisi e ben noti per cui si parla di

codice istonico perché ciascuna di queste modificazioni ha un determinato significato. Gli istoni vengono

modificati sempre nella regione N- terminale che forma una coda che sporge dal core istonico. I residui

amminoacidici all’N-terminale di ciascun istone (20-60 residui) si estendono al di fuori della superficie del

nucleosoma. Queste regioni possono essere reversibilmente modificate mediante acetilazione,

fosforilazione e metilazione.

Ad esempio, K→ corrisponde alla lisina e una modificazione caratteristica della lisina è l’acetilazione.

L’acetilazione corrisponde sempre con un’attivazione della tras