Genoma Espressione - Biologia

GENOMA ESPRESSIONE PARTE I E II

I GENI

Per definizione i geni sono le unità responsabili delle caratteristiche ereditarie; è la regione di DNA trascritta che

contiene istruzioni per la sintesi di una proteina, di un RNA o ignota.

Le funzione che svolgono è attribuita in base al ruolo svolto dal prodotto genico.

• Se il gene produce proteine (geni che specificano per mRNA tradotti in proteine):

o Funzione di metabolismo: 22%;

o Funzione di contenere ed esprimere l’informazione genetica: 25%;

o Funzione di struttura (come il citoscheletro): 21%;

o Funzione di trasmettere segnali: 12%;

o Funzioni tessuto-specifiche (come l’emoglobina): 20%

• Se il gene produce RNA, ncRNA (geni che specificano per RNA non tradotti):

o Funzione di produzione di rRNA: 85%

o Funzione di produzione di tRNA: 10%

o Funzione produzione di ncRNA cioè RNA non codificanti che svolgono il ruolo di regolazione

dell’espressione genica.

Esistono due tipologie di geni:

• Geni essenziali o geni housekeeping: sono geni che devono essere espressi praticamente in tutti i tipi di cellule

poiché specificano per prodotti utili al funzionamento generale delle cellule, come ad esempio la sintesi

proteica o alla produzione di energia.

• Geni con limitazioni spazio-temporali nell’espressione: sono geni che vengono espressi in maniera differente:

o In tessuti diversi;

o In singole cellule di uno stesso tessuto (ad esempio alcuni linfociti e non altri);

o In uno stadio preciso del ciclo di divisione e di sviluppo, poi vengono spenti;

o Durante il differenziamento, in fasi e momenti specifici;

Gene:

Trascritto Non trascritto

Attivo Silente

Espresso Non espresso

“On” “Off”

Acceso Spento

I geni sono quindi sequenze di DNA di due tipologie:

• Sequenze trascrivibili: tratto di DNA che viene trascritto e specifica per una molecola di RNA.

• Sequenze regolatrici: tratti di DNA necessarie per la sua trascrizione. Queste sono:

o Promotori;

o Intensificatori;

o Silenziatori;

o Elementi di risposta.

L’insieme di queste due tipologie di sequenze è detta unità di trascrizione. GIULIA PIRAZZINI

GENOMA ESPRESSIONE PARTE I E II

Come si esprime l’informazione

L’informazione genica viene espressa mediante due principali meccanismi: la trascrizione e la

traduzione.

La trascrizione

È la sintesi di RNA sulla base di uno stampo di DNA.

È un processo biochimico attraverso il quale l’informazione genetica si esprime.

L’informazione genetica contenuta in un tratto di DNA viene letta e trascritta in una

sequenza di RNA in base al principio della complementarietà delle basi. La sequenza di RNA

in questione verrà prodotta in molteplici copie.

Questo processo è catalizzato da un enzima chiamato RNA-polimerasi DNA-dipendente, poiché questo catalizzatore

biologico non è in grado di agire autonomamente ma ha bisogno di fattori proteici detti fattori di trascrizione.

I prodotti generati dalla trascrizione sono vari:

• rRNA o RNA ribosomiale: svolge una

funzione fondamentale durante la

sintesi proteica e inoltre svolge un

ruolo strutturale e catalitico.

• tRNA o RNA transfer o RNA di

trasporto: è un “adattatore”, durante

il processo di traduzione, delle

sequenze di nucleotidi in

amminoacidi, ovvero trasporta questi

ultimi al ribosoma per la sintesi.

• mRNA o RNA messaggero: è

fondamentale per il trasferimento

dell’informazione utile alla sintesi

proteica dal nucleo al citoplasma.

• ncRNA o RNA non codificanti: sono RNA che svolgono una funzione regolativa dell’espressione genica degli

altri geni.

Nelle cellule eucariotiche esistono tre diverse tipologie di RNA-polimerasi DNA-dipendenti:

• RNA polimerasi I: è il precursore dell’rRNA.

• RNA polimerasi II: è il precursore degli mRNA, snoRNA, snRNA, microRNA e lncRNA.

• RNA polimerasi III: è il precursore dei tRNA.

La trascrizione consta di tre fasi:

• Iniziazione: viene riconosciuta la

sequenza “promotore” da parte

dei fattori di trascrizione che

legano la RNA-polimerasi;

• Allungamento: i nucleotidi sono

aggiunti all’estremità 3’ della

molecola di RNA in allungamento.

Dopo il passaggio dell’RNA

polimerasi la doppia elica di

richiude.

• Terminazione: l’RNA polimerasi

riconosce la “sequenza di

terminazione” e il trascritto e

l’enzima si staccano. GIULIA PIRAZZINI

GENOMA ESPRESSIONE PARTE I E II

La trascrizione è quindi un processo regolato, e perché avvenga è necessario:

• Il riconoscimento del gene da esprimere;

• L’individuazione di inizio e termine del gene specifico;

• La trascrizione nella giusta quantità del gene;

• Un alto grado di fedeltà, ovvero di accuratezza, durante tutto il processo di trascrizione.

Perché la RNA-polimerasi possa trascrivere deve: riconoscere il gene, legarsi al DNA ed essere regolata nella sua

processività da sequenze di DNA specifiche e da fattori di trascrizione (che sono proteine di controllo del processo).

La regolazione della RNA-polimerasi si basa quindi sull’interazione di:

• Sequenze di regolazione: sono sequenze nucleotidiche di DNA chiamate elementi in cis del gene (poiché hanno

la stessa natura, sono geni ma non codificanti) come ad esempio il promotore, gli intensificatori e i silenziatori.

• Proteine regolatrici chiamate fattori di trascrizione: sono chiamati elementi in trans al gene (sono proteine che

sono state prodotte dalla sintesi proteica e quindi derivano dai geni) poiché sono anch’essi prodotti genici

trascritti e tradotti e poi traslocati nuovamente nel nucleo per regolare la RNA-polimerasi e quindi tutto il

processo di trascrizione.

Le sequenze regolative quindi brevi sequenze di DNA riconosciute in modo

specifico dai fattori di trascrizione, che svolgono quindi un ruolo di veri e propri

“interruttori molecolari”, che sono in grado di accendere o spegnere l’attività

dell’enzima RNA-polimerasi, conducendola correttamente nel riconoscimento del

gene specifico da trascrivere e regolando la sua processività.

L’interazione tra le sequenze regolative di DNA e fattori di trascrizione avviene

senza necessità di apertura della doppia elica: i fattori di trascrizione hanno un

dominio che lega il DNA in sequenze regolative riconosciute dall’esterno e un

dominio che può legare l’RNA-polimerasi.

S ( DNA)

EQUENZE DI REGOLAZIONE BREVI SEQUENZE DI

Le sequenze di regolazione sono gli elementi in cis al gene, e sono di vario tipo:

• Promotore: sono sequenze che

definiscono l’aggancio, l’orientamento e

la partenza della trascrizione da parte

dell’enzima RNA-polimerasi e di trova

nelle immediate vicinanze del gene. È

posto “a monte” del gene ovvero prima

rispetto alla direzione della trascrizione e

non viene, di norma, trascritto.

Ogni promotore è costituito da una

combinazione di più sequenze che sono

utili al:

o Riconoscimento del sito di inizio della trascrizione;

o Al riconoscimento da parte dei fattori di trascrizione basali/generali che realizzano il complesso di

pre-inizio della trascrizione richiamando la RNA-polimerasi in loco;

o Al legame stabile da parte della RNA-polimerasi;

o Alla regolazione o modulazione della processività della RNA-polimerasi (intensificatori o silenziatori).

• Enhancer ovvero gli intensificatori: sono sequenze che aumentano la capacità di iniziare la trascrizione e quindi

la intensificano. Sono poste anche a grande distanza dal gene.

• Silenziatori: sono sequenze che spengono o reprimono la trascrizione. Sono poste anche a grande distanza dal

gene.

• Elementi di risposta: sono sequenze che modulano la trascrizione in risposta a stimoli specifici (poste entro

1Kb dal sito di inizio del gene) come ad esempio ormoni fattori di crescita, secondi messaggeri, etc…

GIULIA PIRAZZINI

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Entrambi i filamenti di DNA possono costituire lo

stampo per la trascrizione, in rapporto al gene

considerato.

Gli stampi di DNA sono sempre letti in direzione

3’→5’, poiché la crescita del filamento di RNA è in

direzione 5’→ 3’.

La velocità della trascrizione è di 40 nucleotidi al

secondo, e di conseguenza i tempi di trascrizione di un

gene sono di circa 17 ore.

F ATTORI DI TRASCRIZIONE

Sono gli elementi in trans al gene che si legano e riconoscono specificatamente gli elementi in cis, ovvero le sequenze di

regolazione.

I fattori di trascrizione, che di norma sono proteine, sono principalmente di due tipi:

• Fattori generali o basali di trascrizione: permettono alla

DNA-polimerasi II di riconoscere e legare il promotore,

creando il complesso di pre-inizio, denaturando il DNA e

iniziando l’allungamento. Questi fattori sono:

o Necessari per l’inizio della trascrizione;

o Ubiquitari, cioè sono gli stessi per tutti i geni

trascritti dalla RNA-polimerasi II in ampia varietà

di organismi diversi.

o Si legano a livello del promotore core, che è la parte più vicina al sito di inizio della trascrizione.

• Fattori di trascrizione specifici o proteine regolatrici

specifiche: sono in grado di modulare l’attivitò della RNA-

polimerasi intensificandola e silenziandola completamente

in modo tessuto-specifico. Si possono legare a sequenze

specifiche (silencer o enhancer) anche lontane, sia a valle

che a monte del gene. Il ripiegamento del DNA le porta

vicine al promotore per influenzare la RNA-polimerasi.

La trascrizione, ovvero l’attività dell’RNA-polimerasi, sarà dovuta ad un bilancio complessivo tra fattori che orienteranno

l’enzima verso specifiche unità geniche favorendo o inibendo la trascrizione e ciò dipenderà dalla miscela specifica di

regolatori presenti in una certa cellula in un dato momento del percorso differenziativo.

In ogni momento la cellula può modulare l’espressione del gene agendo sulla produzione di RNA.

Un gene può esprimere le proprie informazioni solo nel

contesto dell’intero genoma della cellula in esame. La

regolazione della trascrizione si basa sul riconoscimento di

sequenze promotrici e regolatrici da parte dei fattori di

trascrizione che possono modulare l’efficienza di

espressione di ogni singolo gene, condizionando la RNA-

polimerasi. GIULIA PIRAZZINI

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I L TRASCRITTO DI UN GENE EUCARIOTICO

Il trascritto di un gene eucariotico è, di norma, un prodotto i