Il gene come unità funzionale, i batteri, i difetti a base genetica del metabolismo

Il gene come unità funzionale

Genotipo e fenotipo

Genotipo: costituzione genetica di un individuo, è costante in un individuo. Fenotipo: caratteristiche visibili e non di un individuo; dipende dal genotipo e dalla sua interazione con l’ambiente, varia a seconda dello stadio di sviluppo dell’individuo. Possono essere riferiti a tutto l’individuo o solo ad alcuni geni/caratteri o uno solo. L’azione di un gene può variare perché interagisce con altri per l’espressione di un carattere; l’espressione è finemente regolata da due coordinate: spazio (in diversi tessuti) e tempo (in diverse fasi del ciclo vitale).

Dogma centrale della biologia molecolare

Nel 1956, Crick formulò il dogma centrale della biologia molecolare: l'unidirezionalità dell'informazione genetica: DNA → RNA → proteine.

Struttura del gene e la trascrizione nei procarioti

Nei procarioti (accoppiamento trascrizione-traduzione), l'RNA polimerasi, coadiuvata dalla presenza del fattore sigma, forma un complesso P chiuso presso il promotore. Quando il complesso P diventa aperto, presso una regione a monte del nucleotide +1 viene svolta l'elica. Gli elementi regolatori nei promotori batterici (come in E. coli) consistono in sequenze consenso nel promotore che si trovano quindi in una specifica posizione e sono condivise da più geni.

Pribnow box: ricca di basi T-A (TATA box, utile per il passaggio tra promotore chiuso e aperto; influenza la velocità, il livello di trascrizione), situata a -10. Un'altra a -35 è importante per stabilire il legame tra DNA e RNA polimerasi. Con lo scorrimento si ha il rilascio del fattore sigma e la formazione della bolla di trascrizione. All'interno, inizia a formarsi l'ibrido RNA-DNA; l'RNA si allunga e si stacca dal complesso.

I segnali di terminazione, che provocano l'arresto della trascrizione, sono di due tipi:

• Rho-indipendenti: brevi sequenze ripetute invertite (determinano una struttura a forcina che determina una pausa persistente da parte dell’RNA polimerasi) seguite da almeno sei A ripetute (legame poco stabile).
• Rho-dipendenti: sequenze ricche di C ai quali si lega RHO (fattore proteico, elicasi) che svolge l’elica e determina il distacco dell’mRNA dall’elica stampo.

Complementarietà nella trascrizione

La sintesi dell'RNA avviene in direzione 5’-3’, con una sola elica trascritta. L'elica letta è l'elica stampo (3’-5’) complementare alla sequenza dell'RNA. L'elica senso (5’-3’) ha la sequenza uguale alla sequenza di basi dell'RNA, con la differenza U al posto di T.

Struttura del gene e la trascrizione negli eucarioti

Negli eucarioti, ci sono diverse RNA polimerasi, ciascuna specifica per vari tipi di RNA:

• RNA polimerasi I: rRNA 28S, 18S, 5,8S.
• RNA polimerasi II: mRNA, snRNA.
• RNA polimerasi III: tRNA, rRNA 5S, snRNA.

Nel promotore, ci sono almeno tre sequenze consenso, chiamate elementi regolatori o del nucleo o core (regione entro -50bp). In questa regione si indica il punto di inizio per l’assemblamento del complesso di inizio. Elementi prossimali (regione tra -50 e -200 bp) determinano l’efficienza (intensità) della trascrizione e del promotore e hanno un ruolo nel determinare come, quando e dove un gene viene espresso: CAAT box e GC box.

Ci sono poi altre combinazioni di sequenze regolatrici, come enhancer (+) o silencer (-), situate a monte (alcune trovate anche a valle), specifiche per determinati geni e funzionano per tutti e due gli orientamenti. Legano proteine di tipo regolativo (TF) e regolano il livello di espressione. Si trovano tutti sullo stesso filamento in cis.

Fattori di trascrizione e geni "housekeeping"

Fattori di trascrizione (TF): sono proteine che si legano alle sequenze regolatrici e agiscono in trans. I geni "housekeeping" sono sempre espressi durante lo sviluppo di un organismo e in tutte le cellule, necessari per funzioni cellulari di base (es.: actina, glucosio-6-fosfato deidrogenasi).

I geni espressi in alcuni tessuti e solo in alcune fasi del ciclo vitale (es.: emoglobina) richiedono l'assemblamento di complessi di trascrizione ben definiti. Ad esempio, TFIID è composto da TAF e TBP (TATA box binding protein) che si lega alla TATA box. Altri TF si legano secondo un ordine ben preciso: TFIIA e TFIIB.

Struttura mRNA e colinearità

Colinearità:

• Procarioti: tra sequenza del gene e trascritto;
• Eucarioti: tra sequenza del gene e trascritto primario. Nei eucarioti, il trascritto subisce modificazioni all'interno del nucleo; una volta maturo, va nel citoplasma.