Biologia Molecolare - Regolazione della Trascrizione

Regolazione della trascrizione

La regolazione della trascrizione è evidente dalla risposta agli stimoli esterni. I livelli di regolazione sono vari:

• Controllo trascrizionale, ovvero capacità dei fattori di regolazione di legarsi al sito promotore;
• Controllo delle modificazioni dell'mRNA;
• Controllo del trasporto nel citosol dell'mRNA attraverso canali specializzati;
• Controllo della traduzione;
• Controllo della degradazione dell'mRNA;
• Controllo della funzionalità della proteina;

Controllo della trascrizione

Il controllo della trascrizione prevede 2 meccanismi principali: l'utilizzo di fattori di regolazione e proteine regolatrici che possono modulare la velocità di trascrizione del gene, e la modifica conformazionale della struttura cromatinica in cui risiede il gene. Le sequenze di regolazione si distinguono in sequenze di regolazione di base, come ad esempio la TATA box o la inr, che costituiscono il promoter e che sono responsabili del posizionamento corretto dell'RNA polimerasi sul +1 del gene, e in sequenze di regolazione di ordine superiore.

Tra le sequenze di regolazione di base si distinguono altre sequenze che regolano la velocità di trascrizione, ovvero che velocizzano il reclutamento dei fattori di regolazione necessari per far attivare l'RNA polimerasi; tra queste troviamo la sequenza CAAT box e la sequenza di isole C-P-G. La sequenza CAAT è posta a circa 75-80 nucleotidi a monte rispetto al sito di inizio della trascrizione, e lega la proteina CTF, mentre la sequenza di isole C-P-G si trova a circa 100-200 nucleotidi a monte rispetto al sito di inizio della trascrizione, e lega la proteina SP1. Entrambe legano proteine di regolazione, che successivamente prenderanno contatto con i fattori di regolazione.

Il legame delle proteine CTF e SP1 con le rispettive sequenze provoca una modifica conformazionale del DNA che pone entrambe le proteine in vicinanza delle proteine che si assembleranno sulla TATA box; tale meccanismo di assemblaggio aumenta la velocità di reclutamento dell'RNA polimerasi sul complesso del PIC; un'altra ipotesi è quella che il PIC è sempre legato alla proteina CTF, e quindi, successivamente al legame con la RNA polimerasi, una modifica conformazionale trasporta il PIC a livello della TATA box.

Le isole C-P-G sono presenti nel genoma dei mammiferi in un numero minore rispetto alle aspettative. Ciò è dovuto al fatto che la citosina può andare incontro a metilazione in posizione 5, così come può essere rapidamente deaminata. La deaminazione della citosina non metilata porta alla formazione di uracile, un nucleotide riconosciuto come errore; la deaminazione della citosina metilata, invece, porta alla formazione di timina, che a questo punto può essere sostituita con una citosina per ripristinare la coppia C-G, o può portare alla sostituzione della guanina con una adenina, eliminando così una coppia C-G.

Le sequenze C-G possono trovarsi oltre che in vicinanza della TATA box, anche in zone lontane da essa. In generale, sono presenti 25000 isole, di cui solo la metà vicino la TATA, queste ultime mai metilate. Ricordiamo infatti che la metilazione della citosina porta a silenziamento genico. Le citosine metilate sono solo quelle lontane dalla TATA box. Le isole C-P-G sono inoltre presenti in prossimità di tutti i geni che codificano per proteine del metabolismo e per proteine del ciclo cellulare e dell'apoptosi.

Sequenze di regolazione di ordine superiore

Tra le sequenze di regolazione di ordine superiore troviamo le sequenze enhancer (permissive) e le sequenze silencer (inibitrici). Non hanno una localizzazione specifica; possono infatti trovarsi sia a monte o a valle del +1 del gene, così come vicine o lontane fino a migliaia di basi dal sito di inizio della trascrizione.

Alcune sequenze vengono trascritte solo in presenza di un determinato stimolo; di conseguenza, nel nucleo sarà presente una proteina di regolazione che, legandosi all'enhancer, consente l'assemblamento del PIC o l'inibizione dell'assemblaggio. Sull'enhancer non si assembla un solo fattore di trascrizione, ma un numero elevato di proteine; uno o più di queste proteine sono correlate allo stimolo, mentre altre vengono assemblate allo scopo di modificare i nucleosomi dei geni in questione (come ad esempio le HAT o i complessi di rimodellamento).

Viene a costituirsi il cosiddetto enhanceosoma, l'insieme delle proteine assemblate sull'enhancer. Le sequenze enhancer sono molto lunghe, anche migliaia di paia di basi; alcune proteine che si legano ad esse sono costanti, come la HMGI, una proteina architetto come la TBP, ricca in fenilalanina, che consente la modificazione conformazionale dell'enhaner e quindi del DNA; altre proteine sono invece legate allo stimolo, come ad esempio le p50 e p65, presenti nell'enhanceosoma per l'interferone che costituiscono il fattore di trascrizione NF-kB.

Meccanismi di attivazione dei fattori di trascrizione

L'attivazione dei fattori di trascrizione può seguire tantissime tipologie di meccanismi, tra i quali la fosforilazione dell'inibitore del fattore di trascrizione che si distacca e diventa attivo (avviene in NF-kB), l'attacco di un ligando al fattore che determina la sua attivazione, l'aggiunta di una seconda subunità, la fosforilazione del fattore di trascrizione, attivandolo, il rilascio del fattore dalla membrana, la rimozione della proteina inibitrice che rende possibile l'ingresso del fattore all'interno del nucleo, così come la diretta sintesi del fattore di trascrizione.

Inibizione della trascrizione genica

La trascrizione di un gene può essere inibita in vari modi: attivazione dei silencer tramite legame con l'inibitore, che determina una modifica conformazionale tale da consentire l'azione dell'attivatore sull'enhancer; competizione della proteina inibitrice con l'attivatore per il legame con il DNA, quando le sequenze enhancer e silencer sono sovrapposte tra loro; formazione di un dimero tra inibitore e attivatore al momento del legame con le rispettive sequenze, impedendo la formazione dell'enhanceosoma, fenomeno che si verifica quando la sequenza enhancer e silencer si trovano ad una distanza tale da consentire la formazione del dimero; reclutamento da parte delle sequenze silencer di complessi di rimodellamento negativi o deacetilasi.

Controllo della trascrizione da parte degli ormoni

Un esempio di meccanismo di controllo della trascrizione è il controllo genico da parte degli ormoni, che superano la membrana plasmatica senza problemi, grazie alla loro idrofobicità per quanto riguarda quelli di origine steroidea e grazie alla loro piccola struttura per quanto riguarda gli ormoni tiroidei, che ne permette la penetrazione attraverso i pori. Degli ormoni lipofili distinguiamo i glucocorticoidi, gli ormoni sessuali estrogeni e progestinici, la vitamina A, la vitamina D e gli ormoni tiroidei.