Regolazione dell'espressione genica

Regolazione genica negli eucarioti

Negli eucarioti la cellula deve adeguarsi a condizioni tra le più disparate e critiche, quali lo sviluppo e il differenziamento cellulare. Di fatto, gli eucarioti superiori partono da una singola cellula che si deve differenziare in diversi tessuti. Il contenuto dell'informazione rimane lo stesso, a cambiare saranno le modalità con cui tali informazioni vengono impiegate. Una regolazione molto fine si può osservare nel ciclo cellulare, le cui fasi sono estremamente regolate. In più, esiste un'attivazione cellulare attuata da mediatori esterni alla cellula, ma interni all'organismo, quali ormoni e fattori di crescita, per i quali le risposte devono essere reversibili e rapide.

Per parlare della regolazione genica negli eucarioti, risulta necessario introdurre il concetto di modulo e di protocollo. I moduli non sono altro che le informazioni genetiche. Se si analizzano quante informazioni genetiche sono contenute nei vari organismi, si...

osserva che gli eucarioti superiori hanno un maggior numero di informazioni. Nonostante ciò, il numero di moduli e di informazioni è abbastanza simile e non corrisponde alla reale differenza esistente tra vari organismi, quindi, la diversità deve risiedere nelle capacità di usare tali informazioni. I protocolli, di fatto, corrispondono al modo in cui l'informazione genica viene impiegata e regolata. Negli eucarioti esistono diversi tipi di geni:

• geni housekeeping: essere espressi in qualsiasi tipo cellulare, come ad esempio le proteine per la trascrizione, gli istoni o le proteine per la riparazione del DNA
• geni tessuto-specifici: specifici per un certo stadio di sviluppo embrionale oppure specifici di un particolare tessuto, come i recettori di membrana o le immunoglobuline
• geni inducibili: vengono trascritti sempre di base, ma in caso di necessità vengono espressi maggiormente, come i fattori di trascrizione, gli enzimi o gli ormoni. Possono

essere anchetessuto-specifici o housekeeping.

Nella cellula eucariotica esistono diversi livelli di regolazione dell'espressione genica:

• regolazione a livello trascrizionale o nucleare, il maggiore livello di controllo
• regolazione a livello del processamento, infatti il processamento del trascritto non è detto che percorra sempre una stessa via. Tali meccanismi possono anche aumentare l'informatività di un particolare gene che può dare vita a proteine lievemente differenti
• meccanismi di controllo nel citoplasma

Ne esistono così tanti livelli, perché la trascrizione di alcuni geni può richiedere molto tempo, ed è invece necessario talvolta che alcune classi di proteine vengano prodotte in maniera rapida. Per altre proteine, invece, non esiste una necessità così urgente, ma una regolazione così fine permette di soddisfare i bisogni della cellula anche in tempi molto brevi e di intervenire con le giuste

temporale che avviene dopo la replicazione del DNA e può essere reversibile. La metilazione del DNA può influenzare l'espressione genica, poiché può impedire l'accesso dei fattori di trascrizione al DNA, rendendo il gene meno attivo o addirittura silenziato. Le modificazioni delle proteine istoniche sono un altro meccanismo epigenetico importante. Le istone sono proteine che avvolgono il DNA formando una struttura chiamata cromatina. Le modificazioni delle istone, come l'acetilazione, la metilazione o la fosforilazione, possono influenzare l'accesso del DNA ai fattori di trascrizione e quindi l'espressione genica. Insieme, la metilazione del DNA e le modificazioni delle proteine istoniche contribuiscono a regolare l'espressione genica in modo specifico per ogni tipo di cellula. Questi meccanismi epigenetici sono fondamentali per lo sviluppo e la differenziazione delle cellule durante lo sviluppo embrionale, ma possono anche essere influenzati da fattori ambientali come l'alimentazione, lo stress o l'esposizione a sostanze chimiche. La comprensione dell'epigenetica è fondamentale per la ricerca scientifica e ha importanti implicazioni per la medicina. Studi sull'epigenetica hanno dimostrato che le modificazioni epigenetiche possono essere ereditate da una generazione all'altra e possono essere coinvolte nello sviluppo di malattie come il cancro, le malattie cardiovascolari e le malattie neurodegenerative. In conclusione, l'epigenetica rappresenta un campo di ricerca affascinante che sta contribuendo a una migliore comprensione dei meccanismi di regolazione genica e delle loro implicazioni per la salute umana.correlato con il differenziamento cellulare ed è individuo-specifico, locus-specifico e tessuto-specifico. Questo si può dimostrare osservando dei pannelli di metilazione, che rappresentano ogni individuo con un quadrato. I quadrati sono inseriti in righe, che indicano i diversi tessuti e in base al codice a colore si indica il grado di metilazione. La metilazione produce quindi un codice molto variabile, altamente specifico per un tessuto, un individuo e subisce cambiamenti anche in base alla fase di sviluppo in cui si trova l'organismo. La metilazione, cioè l'aggiunta di un gruppo metile alle citosine, è svolta dalle DNA-metiltransferasi. Nell'uomo ne esistono tre tipi, che operano in contesti differenti:

• DNMT3A
• DNMT3B
• DNMT1

Una volta che gli enzimi DNMT3A e DNMT3B hanno metilato "de novo" ed è avvenuta la duplicazione del DNA, le DNMT1 copieranno le metilazioni sulle citosine del filamento neoformato, che si trovano.promoters (circa 1 CpG / 10 nucleotidi): sono i promotori dei geni housekeeping, che sonoespressi in tutti i tessuti. Le CpG presenti sono scarsamente metilate in tutti i tessuti. Le metilazioni del DNA svolgono un ruolo fondamentale nella regolazione dell'espressione genica. La metilazione delle citosine nei promotori dei geni può influenzare l'accessibilità dei fattori di trascrizione al DNA, impedendo o facilitando la trascrizione del gene. In generale, le regioni metilate tendono ad essere associate a una repressione dell'espressione genica, mentre le regioni non metilate sono associate a un'attivazione dell'espressione genica. Le CpG islands presenti nei promotori dei geni housekeeping sono generalmente non metilate, consentendo una costante espressione di questi geni in tutti i tessuti. Al contrario, nelle CpG islands presenti nei promotori dei geni tessuto-specifici, le CpG sono altamente metilate nei tessuti in cui il gene non deve essere espresso, mentre sono scarsamente metilate nei tessuti in cui il gene deve essere espresso. Questo meccanismo permette di regolare in modo preciso l'espressione dei geni tessuto-specifici. In conclusione, le metilazioni del DNA svolgono un ruolo chiave nella regolazione dell'espressione genica, influenzando l'accessibilità dei fattori di trascrizione al DNA. Le CpG islands presenti nei promotori dei geni housekeeping sono generalmente non metilate, consentendo una costante espressione di questi geni in tutti i tessuti, mentre nelle CpG islands presenti nei promotori dei geni tessuto-specifici le metilazioni delle citosine permettono di regolare in modo preciso l'espressione dei geni in base al tessuto in cui devono essere attivi.

promoters: sono ricchi in CpG, ma queste sequenze sono scarsamente metilate in qualsiasi tessuto e indipendentemente dal momento dello sviluppo e dal livello di espressione del gene. Sembra che tali CpG non diano un contributo nei riguardi dell'espressione genica. Le zone ricche di CpG island contengono infatti geni che si devono esprimere e che sono regolati, ma non attraverso metilazione.

La metilazione è reversibile, ma comporta comunque un grande dispendio energetico. Le citosine non metilate danno più stabilità al DNA, quindi la ricchezza di tali dinucleotidi stabilizza le regioni e il DNA mantiene la sua conformazione originale.

La metilazione del DNA è in grado di modificare la conformazione della cromatina, per cui una regione particolarmente metilata, anche in regioni eucromatiche, si conforma in una struttura più chiusa, mentre una regione povera di metilazione risulta più aperta.

Inoltre, l'attacco dei gruppi metile infastidisce i

fattori di trascrizione che riconoscono le sequenze dei promotori e che facilitano l'ingresso della DNA polimerasi. Quindi il gruppo metile interferisce con il riconoscimento delle sequenze in cis del promotore, abbassando ulteriormente l'efficienza della trascrizione. Infine, i gruppi metile possono essere riconosciuti da specifiche proteine che si legano ad essi, le methyl-binding-proteins. Queste proteine, che sono di due classi, MECP1 e MECP2, impediscono ulteriormente la corretta lettura del promotore dai fattori di trascrizione. Nelle regioni eucromatiche sono già legati fattori di controllo, che portano i geni ad esprimersi. Essendo tali siti già occupati, le metilasi non riescono ad occupare tali regioni, quindi il promotore è funzionante. Ma le interazioni nella cellula e nel nucleo sono deboli, così esiste una competizione tra fattori di regolazione positivi e negativi. Quando la regione del promotore è libera, viene facilmente metilata e,a sua volta, la metilazione rende più semplice il riconoscimento dalle methyl-binding-proteins, quindi un gene può passare abbastanza velocemente da uno stadio attivo, ad uno stadio poco attivo. In realtà, quando il gene è ricoperto da metil-binding-proteins è difficile che si abbia un cambiamento reversibile. Quindi, fino ad un certo livello è considerato come un processo reversibile, ma andando oltre può portare, ad esempio, ad una eterocromatizzazione o alla disattivazione del cromosoma X. Lo spermatozoo e la cellula uovo presentano un alto grado di metilazione, poiché sono cellule altamente specializzate, che devono esprimere pochi geni. Non appena si ha lo zigote, questo presenterà una metilazione intermedia. Nel corso dello sviluppo, poi, allo stadio della blastocisti, un si ha forte azzeramento, anche se non totale, della metilazione che è stata ereditata. Successivamente, durante il differenziamento nella via somatica.

Il grado di metilazione è molto maggiore, poiché le cellule non devono esprimere tutte le informazioni e metilano quelle non necessarie. In conclusione, la metilazione rende più difficile l'interazione delle regioni promotore con l'apparato trascrizionale, quindi rappresenta un importante strumento per regolare l'espressione genica.

Processi molecolari in cui risulta importante la metilazione sono:

• imprinting genomico
• inattivazione del cromosoma X
• mantenimento dell'eterocromatina
• controllo dello sviluppo
• controllo dell'espressione specifica di un tessuto

Modifiche delle proteine istoniche

Un altro esempio di processo epigenetico consiste nelle modificazioni delle proteine istoniche. Le proteine istoniche, che formano il nucleosoma, fanno protrudere verso l'esterno una piccola coda amminoacidica N-terminale nei vari istoni, ovvero, escono dai 20 ai 60 residui amminoacidici dell'estremità N-terminale dal

nucleosoma. Queste sequenze sono facilmente visibili e quindi facilmente modificabili. Infatti, queste code istoniche sono soggette a modificazioni chimiche come la metilazione delle code istoniche, l'acetilazione, la fosforilazione, l'ubiquitinazione e altre. Oltre ad essere modificazioni genetiche sono anche epigenetiche, perché a seconda che si abbiano code istoniche con determinate modificazione piuttosto che altre, quel tratto di genoma verrà espresso o meno. Insieme producono un codice istonico, in grado di essere letto e interpretato. In conclusione, queste modificazioni insieme alla metilazione del DNA fanno in modo che un gene si possa esprimere.

Le code istoniche che vengono per lo più modificate sono quelle di H2a, H2b, H3 e H4. Le uniche posizioni che possono essere modificate sono invece:

• nell'istone H2a, in cui la serina in posizione 1 può essere fosforilata e le lisine in posizione 4, 9, 13 e 15, possono essere solo acetilate

nell'istone H3, in cui le lisine in posizione 9 e 14, possono essere metilate o acetilate. L'epigenetica è ancora pi