Regolazione dell'espressione genica

TRADUZIONALE

L’interferenza a RNA utilizza corti RNA per silenziare

l’espressione dei geni

Le proteine di regolazione che si legano a specifici

mRNA, come la proteina che lega la sequenza IRE e le

proteine PUF, non sono le uniche molecole utilizzate

dalle cellule per il controllo dell’attività degli mRNA. I

singoli mRNA possono essere controllati anche da una

classe speciale di corte molecole di RNA, che

inibiscono l’espressione di quegli mRNA che

contengono sequenze correlate a quella dei corti RNA.

Tale inibizione mediata dagli RNA, conosciuta come

RNA interference),

interferenza a RNA (RNAi, è

basata sulla capacità di corti RNA di indurre la

degradazione degli mRNA, o di inibirne la traduzione, o

di impedire la trascrizione del gene codificante per un

determinato mRNA.

Il primo tipo di interferenza a RNA a essere stato

scoperto è quello che si verifica in risposta alla

presenza di un RNA a doppio filamento. Per esempio,

se le piante sono infettate da virus che producono RNA

a doppio filamento in una parte del loro ciclo vitale, il

meccanismo di interferenza a RNA riduce l’espressione

dei geni virali, limitando in tal modo l’infezione virale.

Inoltre, l’effetto non è ristretto ai geni virali. Se un

virus è geneticamente ingegnerizzato in modo che contenga un gene vegetale

propria

normale, le cellule infettate dal virus reprimono l’espressione della copia

normale dello stesso gene. 2

I microRNA prodotti da normali geni cellulari

silenziano la traduzione degli mRNA

La scoperta che l’espressione genica può

essere silenziata introducendo nelle cellule

RNA a doppio filamento solleva un quesito:

ogni gene normale produce un RNA che

funziona in questo modo? La ricerca di tali

molecole ha portato alla scoperta dei

microRNA (miRNA), una classe di RNA a

singolo filamento lunghi circa 21-22

nucleotidi, che sono prodotti da geni presenti

in quasi tutti gli eucarioti. I microRNA si

legano e regolano l’espressione di RNA

messaggeri prodotti da geni separati da quelli

I microRNA sono prodotti da un processo a più passaggi in cui

che codificano per i microRNA stessi.

① il gene per un microRNA è trascritto in un trascritto

primario, detto pri-miRNA, che si ripiega in una struttura a

forcina. ②L’enzima nucleare Drosha taglia il pri-miRNA in un

RNA a forcina più piccolo (circa 70 nucleotidi), detto pre-

miRNA, che ③viene esportato dal nucleo e tagliato da Dicer

per formare una molecola di microRNA (miRNA) lunga circa

21-22 nucleotidi. ④Il miRNA si unisce poi alle proteine RISC a

formare miRISC, che è guidato dal suo miRNA agli RNA

messaggeri contenenti sequenze complementari a quella del

miRNA. ➄aNella situazione più comune, vari miRNA si legano

allo stesso RNA messaggero attraverso sequenze

parzialmente complementari e, tutti insieme, ne inibiscono la

traduzione. ➄bIn alcuni casi, il miRNA è perfettamente

complementare a una regione di un particolare RNA

messaggero; in questo caso, l’mRNA viene tagliato e

degradato con un meccanismo analogo a quello osservato con 2

5° LIVELLO DI REGOLAZIONE: CONTROLLO

POST-TRADUZIONALE

L’ubiquitina marca le

proteine per la degradazione

da parte dei proteasomi

L’esempio precedente solleva la questione di

come la degradazione delle singole proteine

possa essere selettivamente regolata. Il metodo

più comune per indirizzare le proteine alla

distruzione consiste nel loro legame

all’ubiquitina, una piccola proteina costituita

da 76 aminoacidi. L’ubiquitina si lega alle

proteine bersaglio mediante un processo che

enzima che attiva

coinvolge tre componenti: un

l’ubiquitina enzima che coniuga

(E1), un

l’ubiquitina proteina di

(E2) e una

riconoscimento del substrato, ubiquitina ligasi

o

(E3). Come mostrato nella Figura 20.38, prima

di tutto ① l’ubiquitina viene attivata dal legame

a E1, in una reazione ATP-dipendente. ②

L’ubiquitina attivata è poi trasferita a E2 e ③

successivamente legata, in una reazione

catalizzata da E3, a un residuo di lisina presente

in una proteina bersaglio. ④ Vengono poi

aggiunte altre molecole di ubiquitina in

sequenza, formando delle corte catene.

Queste catene di ubiquitina servono come

segnali che vengono riconosciuti da grosse

strutture deputate alla degradazione delle

proteine, i proteasomi. ① I proteasomi

svolgono la funzione di “centro di riciclaggio

cellulare” delle proteine, permettendo la

liberazione degli aminoacidi durante la

degradazione delle proteine.

Nella Figura 20.39 è mostrato il proteasoma 26S di

lievito, che ha una regione centrale 20S e un cap 19S a

entrambe le estremità. Il cap a un’estremità del

proteasoma lega le proteine ubiquitinate e ne rimuove

le catene di ubiquitina. Le proteine sono quindi

introdotte nel canale centrale del proteasoma e i loro

legami peptidici sono idrolizzati in un processo ATP-

dipendente, generando piccoli frammenti peptidici, che

sono poi rilasciati dall’altra estremità del cilindro. Alcuni 2

proteasomi possono degradare corti peptidi in modo ATP-indipendente: i cap di questi

proteasomi sono 11S, più piccoli.

I BATTERI SPESSO RISPONDONO AI

CAMBIAMENTI AMBIENTALI

CONTROLLANDO LA TRASCRIZIONE

GENICA

Le cellule batteriche in grado di conservare metaboliti e fonti energetiche mostrano un

vantaggio selettivo rispetto alle cellule che non presentano tale capacità. Pertanto, la

selezione naturale ha favorito quei batteri che esprimono solo i geni i cui prodotti sono

necessari alla cellula.

Il controllo della via metabolica può operare a due livelli, come mostra la Figura 17.2

per la sintesi di triptofano. In primo luogo, le cellule possono modificare l’attività degli

enzimi già presenti al loro interno. Questa è una risposta fisiologica relativamente

rapida e dipende dalla sensibilità degli enzimi a fattori chimici in grado di aumentare o

ridurre la loro attività catalitica (si veda il Concetto 8.5). L’attività del primo enzima

della via di sintesi del triptofano viene inibita dal prodotto finale della via stessa – in

questo caso il triptofano (Figura 17.2a). In particolare, l’accumulo di triptofano

all’interno della cellula determina l’interruzione della sintesi di tale aminoacido

attraverso un meccanismo di

L’inibizione a

inibizione enzimatica.

feedback, tipica dei processi anabolici

(biosintetici), permette alla cellula di

adattarsi alle brusche fluttuazioni di

concentrazione delle sostanze di cui

necessita.

Inoltre, le cellule possono regolare la

produzione di alcuni enzimi, ovvero

possono modulare l’espressione dei

geni che codificano per tali enzimi. In

riferimento all’esempio sopra indicato,

qualora l’ambiente esterno fosse

provvisto di abbondanti fonti di

triptofano, la cellula batterica

interromperebbe la produzione degli

enzimi coinvolti nella sintesi di questo

aminoacido (Figura 17.2b). In tal caso,

il controllo della produzione

enzimatica avviene a livello di trascrizione genica, influenzando la sintesi dell’RNA

messaggero del gene che codifica per questi enzimi.

BIOSINTESI DEGLI AMMINOACIDI: UNA VIA

ANABOLICA

E. coli sintetizza il triptofano a partire da un precursore attraverso le tre tappe

illustrate nella Figura 17.2; ogni reazione di tale via metabolica viene catalizzata da

uno specifico enzima. I cinque geni che codificano le catene polipeptidiche dei diversi 2

enzimi sono raggruppati insieme sul cromosoma batterico. Esiste un unico promotore

per i cinque geni che, nel loro insieme, costituiscono un’unità di trascrizione. (Si ricordi

che un promotore è la sede in cui la RNA polimerasi può legarsi al DNA dando inizio

alla trascrizione genica; si veda la Figura 16.8.) La trascrizione genera una lunga

molecola di mRNA che codifica le cinque catene polipeptidiche degli enzimi coinvolti

nella sintesi del triptofano (Figura 17.3a). La cellula può tradurre questo unico

trascritto in cinque polipeptidi distinti grazie alla presenza, nell’ambito della molecola

di mRNA, di codoni di avvio e di arresto che segnalano i tratti corrispondenti all’inizio e

al termine della sequenza che codifica ogni specifico enzima.

Il vantaggio di notevole rilevanza offerto dal raggruppamento di geni con funzioni

correlate in una singola unità di trascrizione risiede nella possibilità di controllare geni

funzionalmente correlati attraverso un unico “interruttore”; in altri termini, i geni sono

controllo coordinato. E. coli

soggetti a un In tal modo, quando una cellula di deve

produrre autonomamente il triptofano perché non è presente nell’ambiente

circostante, tutti gli enzimi necessari alla sintesi di tale aminoacido vengono prodotti

contemporaneamente. L’“interruttore” è rappresentato da un segmento di DNA

definito operatore. Questo tratto di DNA, localizzato all’interno del promotore o,

talvolta, fra il promotore e i geni codificanti, controlla l’accesso della RNA polimerasi ai

geni. Nel loro insieme, l’operatore, il promotore e i geni sottoposti al loro controllo,

ovvero l’intero segmento di DNA necessario alla produzione degli enzimi coinvolti nella

sintesi del triptofano, costituiscono un operone.

Considerato che l’operatore rappresenta l’“interruttore” che controlla la trascrizione,

trp

come si svolge la sua azione? Generalmente l’operone è attivo e tale condizione

consente all’RNA polimerasi di legarsi al promotore e di operare la trascrizione dei geni

dell’operone. L’operone può essere disattivato da una proteina denominata repressore

trp. Il repressore si lega all’operatore e impedisce all’RNA polimerasi di trascrivere il

gene, spesso impedendo il legame dell’RNA polimerasi (Figura 17.3b).

Il repressore è codificato da un gene regolatore, in questo caso un gene noto come

trpR, che è localizzato a una certa distanza

dall’operone controllato ed è provvisto di un proprio

promotore. I geni regolatori sono tra i geni batterici

che vengono espressi costantemente, seppure in

trp

maniera lenta, e alcune molecole di repressore

E. coli.

sono sempre presenti nelle cellule di

In questo sistema il triptofano funziona da

corepressore, una piccola molecola che coopera

con il repressore per disattivare un operone.

Parallelamente all’accumulo del triptofano, un

numero sempre maggiore di molecole di tale

trp

aminoacido si associa a molecole di repressor