Controllo dell'espressione genica, riparazione del DNA e mutazione

MECCANISMI DI RIPARAZIONE DEL DNA E MUTAZIONI

Controllo dell'espressione genica

Definiamo genoma l'insieme dei geni che caratterizzano un organismo, trascrittoma l'insieme degli RNA messaggeri prodotti da una determinata popolazione cellulare, e proteoma l'insieme delle proteine prodotte da una determinata popolazione cellulare.

In tutti gli organismi viventi le informazioni contenute nel genoma non si esprimono contemporaneamente e sono finemente regolate. Ci sono geni ad espressione costitutiva (housekeeping), geni ad espressione condizionale (inducibili, reprimibili) e geni specializzati (es. tessuto-specifici, che a loro volta possono essere costitutivi o condizionali). Le cellule rispondono in modo complesso a stimoli complessi. La maggior parte delle risposte cellulari richiede l'attivazione e/o la repressione coordinata di molti geni: controllo dell'espressione genica o regolazione dell'espressione genica. Le cellule eucariotiche mantengono un

patrimonio genetico completo (equivalenza genomica) e hanno la capacità di sintetizzare qualsiasi RNA e proteina dell' specie alla quale appartengono. La differenza tra il potenziale sintetico delle cellule eucariotiche e il numero di RNA e proteine realmente prodotte riflette la presenza di meccanismi di controllo.

Controllo dell'espressione genica nei procarioti. Finalità: rispondere rapidamente ai cambiamenti ambientali risparmiando il più possibile energia, quindi niente mRNA o proteine che non servano subito. Base fisiologica: la maggior parte dei geni è espressa costitutivamente - pochi geni sono regolati, ognuno con il proprio meccanismo individuale, di induzione o di repressione, ad esempio la traduzione è subito successiva alla trascrizione e gli mRNA hanno vita breve. Geni regolati possono essere Geni inducibili = induzione da substrato o Geni reprimibili = repressione da prodotto finale.

Gene inducibile = Operone lac: si tratta di una via catabolica,

normalmente inattiva (non espressa), che viene attivata (indotta) dalla presenza della molecola da degradare (es. il lattosio), è un Operone inducibile: l'operone dellattosio (E. Coli) Operone lac dove lac Z codifica per la β-galattosidasi (enzima che scinde il lattosio in glucosio + galattosio), lac Y galattoside permeasi (proteina di membrana che permette di trasportare il lattosio all'interno della cellula), lac A tiogalattoside acetiltransferasi (enzima il cui ruolo fisiologico non è ancora chiaro), lac I (gene regolatore) codifica per il repressore dell'inducibilità. Solo in presenza di lattosio il repressore viene rimosso dall'operatore che sta a cavallo del promotore e avviene la trascrizione dell'operone lac.

Gene reprimibile = Operone Triptofano: Si tratta di una via anabolica, normalmente attiva (espressa), che viene inattivata (repressa) dalla presenza della molecola che si forma per effetto delle attività enzimatiche

Ivi codificate (es. il triptofano) In assenza di triptofano il gene è attivato. Il triptofano si lega al repressore e lo porta sull'operatore per bloccare la trascrizione, è un operone reprimibile: In assenza di trp i geni per la sintesi del trp sono attivi. In presenza di trp il repressore si posiziona sull'operatore che sta a cavallo del promotore e non avviene la trascrizione dell'operone trp.

Per quanto riguarda l'operone inducibile lac possiamo dire che ha un promotore debole: per essere trascritto richiede il legame di un attivatore (proteina CAP). L'interazione tra repressore (che lega l'operatore) e attivatore controlla l'efficienza di trascrizione. Proteina CAP = indotta dalla mancanza di Glucosio.

Regolazione dell'espressione genica degli Eucarioti: Finalità è la Specializzazione (differenziamento) o la risposta a messaggi che arrivano da altre cellule (o dalla cellula stessa) o la risposta ai cambiamenti.

ambientali. Ci sono livelli multipli di regolazione genica degli Eucarioti:

- Controllo trascrizionale: Promotori costitutivi: tata box che lega fattori di trascrizione generali. 25 nucleotidi a monte del sito d'inizio il fattore d'inizio TFIID riconosce la TATA BOX - Si associano altri fattori di trascrizione generici (TFIIA, TFIIB). Viene reclutata l'rna polimerasi II legata a fattori proteici e al fattore TFIIF ed i fattori TFIIE e TFIIH che si associano al promotore. La polimerasi viene fosforilata da TFIIH e ha inizio la trascrizione. Ci sono alcuni siti regolativi: Enhancer e silencer = Regioni di DNA regolatorio che si trovano a distanze variabili dal promotore costitutivo (elementi a distanza). Gli enhancer (chiamati anche intensificatori) sono sequenze di DNA che svolgono il loro ruolo pro-trascrizione attraverso l'associazione con diverse proteine, tra cui diversi fattori coinvolti nell'avvio della trascrizione stessa. Al contrario, il silencer viene legato

da repressori della trascrizione. Diverse proteine regolatrici quindi controllano l'espressione del gene.

Maturazione dell'mRNA (in particolare lo splicing): controllo dello splicing alternativo, ovvero la rimozione alternativa di introni ed esoni a dare trascritti diversi. Esempio di controllo post-trascrizionale: i miRNA. I microRNA (miRNA) hanno sequenze nucleotidiche complementari a sequenze presenti in mRNA. Si legano a questi mRNA per appaiamento complementare e ciò impedisce all'mRNA di essere tradotto.

Controllo della stabilità (ossia della vita media) dell'mRNA: la quantità di proteina prodotta dipende dalla stabilità dell'mRNA o della proteina stessa.

Controllo della traduzione (inizio, allungamento, terminazione) o controllo traduzionale: Controlla il grado e l'efficienza con cui gli mRNA sono utilizzati come stampo nella sintesi proteica. Vi è anche poi il controllo post-traduzionale: le proteine subiscono

• Ulteriori modificazioni che sono critiche per una loro corretta funzione, come modificazioni chimiche (taglio, glicosilazione, fosforilazione, ecc.) o ripiegamento. La formazione di ponti disolfuro tra due amminoacidi cisteina e successiva rimozione di una parte della proteina è un esempio di taglio.
• Il ripiegamento delle proteine avviene attraverso le cosiddette chaperonine: possiedono una struttura multimerica, organizzata a cilindro e non "impongono" il ripiegamento, ma lo aiutano legandosi alle parti idrofobiche.
• Il ripiegamento errato di diverse proteine e peptidi provoca l'assemblaggio spontaneo di fibrille amiloidi insolubili. Questo processo patologico è associato alla malattia di Alzheimer, alle encefalopatie spongiformi trasmissibili (causate da prioni) e alle patologie da espansione del tratto poliglutamminico (es. malattia di Huntington).
• L'accumulo di fibrille amiloidi è associato alla lenta degenerazione del cervello.

La patologia dell'amiloidosi non è ancora compresa bene. L'inizio della formazione delle fibrille è molto lento, ma una volta formate, esse agiscono da seme per la sintesi di nuove fibrille. I livelli delle proteine all'interno delle cellule sono determinati non soltanto dalla velocità di sintesi ma anche dalla velocità di degradazione. Nelle cellule eucariotiche le proteine seguono due principali vie di degradazione: la proteolisi lisosomiale e la via ubiquitina-proteasoma. Il proteasoma o proteosoma è un complesso multiproteico presente in tutte le cellule, che ha il compito di degradare polipeptidi all'interno della cellula. La proteina da degradare viene prima ubiquitinata da una ubiquitina ligasi (E1-E2-E3) e quindi indirizzata al proteasoma.

Meccanismi epigenetici: Meccanismi che regolano l'accessibilità di un gene alla trascrizione (la rendono più o meno facilitata).

-Metilazione del DNA: Nelle cellule eucariotiche

La metilazione è a carico della C. Solo il 5% delle C sono metilate ed in genere è bersaglio della metilazione la C della doppietta CpG. 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, tramite l'inibizione dell'espressione genica a livello trascrizionale. Nei vertebrati, il 5% delle citosine del DNA è convertito in 5-metilcitosina (solo quando C è seguita da G). La metilazione delle C nella regione promotore di un gene reprime la trascrizione del gene. Ad esempio, nel differenziamento degli eritrociti dell'uomo, il DNA dei promotori dei geni delle globine è quasi completamente non metilato; gli stessi promotori sono altamente metilati nelle cellule che non producono globine.

Modificazioni degli istoni: Acetilazioni e metilazioni responsabili di cambiamenti conformazionali.

Della cromatina. Gli istoni nel nucleosoma contengono code aminoterminali flessibili che sporgono dalla loro porzione globulare, ricche in lisine (aa con carica positiva) - In virtu’ della carica positiva, le lisine interagiscono con i gruppi fosfato del DNA e favoriscono il compattamento della cromatina - Le lisine possono essere reversibilmente acetilate e deacetilate da enzimi specifici; l’acetilazione neutralizza la carica positiva eliminando l’interazione con il DNA e rendendo meno compatto il DNA. L’acetilazione degli istoni decondensa il DNA e quindi favorisce la trascrizione genica.

Meccanismi di riparazione del DNA. Nonostante le modificazioni casuali create ogni giorno nel DNA di una cellula umana da incidenti metabolici, sono pochi i cambiamenti stabili (mutazioni) nella sequenza del DNA di una cellula tipica. Meno di un cambiamento accidentale su mille nel DNA provoca una mutazione, il resto viene eliminato con notevole efficienza dai meccanismi di riparazione del DNA.

Esistononumerosi meccanismi di riparazione, ciascuno catalizzato da una serie diversadi enzimi. Questi meccanismi dipendono dall'esistenza di due copiedell'informazione genetica, una su ciascun filamento della doppia elica delDNA: se la sequenza di un filamento viene cambiata accidentalmente,l'informazione non è persa in quanto resta nella sequenza dei nucleotidi delfilamento complementare. La sopravvivenza di una specie può esseremigliorata mediante cambiamenti genetici, ma la sopravvivenza dell'individuorichiede stabilità genetica. Il mantenimento della stabilità genetica richiedenon solo un meccanismo accurato per replicare il DNA, ma anche meccanismiper riparare le lesioni accidentali che avvengono nel DNA. I processi diriparazione del DNA solo raramente falliscono, portando ad un cambiamentopermanente nel DNA (mutazione). Una mutazione può essere fatale per unorganismo se il cambiamento avviene in un punto vitale della

sequenza del DNA. Gl