Controllo dell'espressione genica

Il controllo dell'espressione genica

Per espressione genica si intende il processo tramite cui le cellule regolano in modo selettivo la sintesi di migliaia di proteine ed RNA codificati all'interno del loro genoma. Il differenziamento cellulare avviene perché le cellule producono e accumulano un insieme di molecole di RNA e di proteine differente, ossia esprimono geni diversi. Le cellule sono in grado di decidere quali geni esprimere senza alterare la sequenza nucleotidica del proprio DNA. Le cellule di un organismo differiscono tra loro non perché contengono geni diversi ma perché li esprimono in maniera diversa. Tutte le cellule di uno stesso organismo hanno sempre lo stesso corredo genomico (40k geni). Gli unicellulari e i pluricellulari si servono di questi geni in modo selettivo (5k circa). Le cellule esprimono geni diversi = producono e accumulano un corredo composto da molecole di RNA e proteine differenti = acquisiscono un fenotipo morfologico e funzionale specifico di un tipo cellulare e di un tessuto = differenziamento.

È possibile valutare quanto differisce l'espressione genica da un tipo di cellula all'altro confrontando la composizione in proteine. In passato si usava la tecnica dell'elettroforesi su gel bidimensionale ma ora si usa la spettrometria di massa. Entrambe le tecniche rivelano che molte proteine sono comuni a tutte le cellule di un organismo pluricellulare: proteine housekeeping (comprendono le proteine strutturali dei cromosomi, le RNA polimerasi, gli enzimi di riparazione del DNA, le proteine ribosomiali, gli enzimi attivi nella glicolisi e in altri processi metabolici, le proteine che formano il citoscheletro). In ogni cellula differenziata e in un particolare momento dello sviluppo è attivo solo un sottoinsieme di geni (restrizione spaziale e temporale dell'espressione genica):

• Geni housekeeping: o "costitutivi", codificano per proteine ubiquitari e strutturali (sono sempre espressi).
• Geni con espressione ristretta nel tempo: espressione in più organi/tessuti diversi (stesso ruolo in più tessuti o isoforme); espressione specifica per un tessuto, linea o tipo cellulare; espressione solo in singole cellule; espressione e localizzazione intra/extracellulare.
• Geni con espressione ristretta nello spazio: stadio di sviluppo, differenziamento, fase del ciclo cellulare o stimoli extracellulari.

Le cellule specializzate sono in grado di modificare il quadro di espressione genica in risposta a segnali extracellulari. Esempio: se si espone una cellula epatica al cortisolo, la produzione di glucosio aumenta. Se l'ormone non è più presente, la produzione di glucosio torna alla normalità. Una cellula può regolare la sintesi delle varie proteine che contiene:

• Controllando quando e con quale frequenza trascrivere il gene;
• Controllando come un trascritto di RNA viene modificato attraverso lo splicing o altrimenti elaborato;
• Selezionando gli mRNA da esportare dal nucleo al citoplasma;
• Regolando la velocità di degradazione di alcune molecole di mRNA;
• Selezionando gli mRNA da tradurre in proteine sui ribosomi;
• Definendo la velocità con cui proteine specifiche vengono distrutte dopo essere state prodotte.

Quindi, la regolazione dell'espressione genica può agire a qualsiasi livello della codificazione dell'informazione dal DNA alla proteina.

Controllo della trascrizione

Fattori di trascrizione:

• Dominio di legame al DNA o MOTIFs (assicura il riconoscimento sequenza-specifico):
• Motivo zinc finger (Zn Finger) -> caratterizzato da 2 foglietti beta ed una alfa-elica; la struttura è stabilizzata dal legame allo ione zinco (Zn), che è mediato da un residuo di cisteina (foglietto beta antiparalleli sheet) ed istidina (alfa-elica). Le "dita" sono organizzate come una serie di ripetizioni in tandem che possono arrivare fino a 9 ripetizioni. La parte C-terminale di ogni dito forma alfa-eliche che legano il DNA, mentre la parte N-terminale forma un foglietto beta. Gli amminoacidi non conservati nel C-terminale di ogni dito sono responsabili del riconoscimento di siti specifici.
• Motivo helix-loop-helix (HLH) -> motivo di 40-50 amminoacidi contenente 2 alfa-eliche separate da un'ansa di lunghezza variabile. Le proteine contenenti questi domini hanno la capacità di legare il DNA e di dimerizzare formando omodimeri o eterodimeri. Contengono un dominio basico adiacente a un dominio HLH, necessari per il legame al DNA.
• Motivo leucin zipper -> è costituito da un dominio ricco in residui di leucina, presenti ogni 7 amminoacidi lungo un'alfa-elica di 30-40 amminoacidi totali. Si lega al DNA sotto forma di dimeri (omo o etero): due alfa-eliche espongono tutte le leucine sul lato idrofobico e si uniscono a formare una struttura a spirale (coiled-coil) nella quale le leucine di un'elica sono addossate alle leucine dell'altra elica, come in una cerniera.
• Motivo helix-turn-helix (HTH) -> caratterizzato da 2 alfa-eliche unite da un piccolo segmento di amminoacidi. Il riconoscimento e la capacità di legame al DNA è dovuta alle due alfa-eliche: una occupa l'N-terminale della struttura, l'altra il C-terminale. L'elica C-terminale è chiamata "recognition helix" perché lega il solco maggiore del DNA. L'alfa-elica N-terminale stabilizza l'interazione tra la proteina e il DNA. Spesso queste proteine dimerizzano, le due eliche di riconoscimento in questo caso sono separate tra loro da un giro di elica del DNA (3,4 nm).
• Motivo homeobox -> costituito da 3 alfa-eliche unite da interazioni idrofobiche. Il riconoscimento e la capacità di legame al DNA è dovuta all'alfa-elica (recognition helix) che lega il solco maggiore del DNA tramite il suo residuo di asparagina. L'alfa-elica 1 stabilizza tale legame interagendo con il solco minore del DNA. Le alfa-elica 1 e 2 formano tra loro un motivo "elica-giro-elica".

Dominio di attivazione (DA): attiva la trascrizione interagendo con altre proteine. La dimerizzazione dei fattori di trascrizione ne aumenta l'affinità e la specificità per il DNA. La struttura dei nucleosomi favorisce il legame cooperativo del fattore di trascrizione al DNA. Il DNA tende a dissociarsi dall’ottamero istonico e a stare più rilassato. Differenza fra eucromatina e eterocromatina (nell’eterocromatina i fattori non riescono ad arrivarci meccanicamente).

Regolazione dell'espressione genica nei procarioti

L'ipotesi che i geni potessero essere accesi e spenti viene verificata studiando il batterio E. Coli, capace di adattarsi ai cambiamenti di composizione del suo mezzo di coltura. Regolatori della trascrizione: proteine che si legano al DNA e controllano l'espressione genica a livello della trascrizione. I batteri possono adott