geni regolatori

IL CONTROLLO
DELL’ESPRESSIONE GENETICA
INDICE
Scopo della regolazione genica
Geni costitutivi e non costitutivi
Regolazione genica dei procarioti
Il modello dell’operone
Operone del triptofano e del lattosio
Regolazione genica negli eucarioti
Cromosoma eucariote
Splicing
Regolazione della traduzione
Link a: sintesi proteica nei procarioti, geni strutturali, geni
regolatori
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La regolazione genica
La regolazione genica è il
processo che permette alla cellula
di esprimere alcuni geni e di
silenziarne altri
Nel 2002 Sydney Brenner fu
insignito del premio Nobel per la
Medicina. I suoi studi sulla
regolazione genica hanno aperto la
strada alla comprensione dei
meccanismi cellulari che portano alla
formazione di un organismo adulto
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Geni costitutivi e non costitutivi
Nel genoma sono presenti geni costitutivi e geni non costitutivi:
Geni costitutivi (housekeeping)
→
sono sempre attivi
↓
esprimono proteine indispensabili alla cellula per tutto l’arco della loro vita
L’espressione dei geni non costitutivi è sottoposta a diversi
meccanismi di regolazione
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Importanza della regolazione genica
Sia nei procarioti che negli eucarioti i meccanismi di regolazione
genica consentono alle cellule di “rispondere” alla variazione
degli stimoli provenienti dall’esterno
Per non sprecare energia ogni cellula sintetizza solo le proteine
necessarie in quel momento
Negli organismi più complessi ogni tessuto si specializza per
svolgere una determinata funzione e non sono espressi i geni
che codificano per altre funzioni
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Regolazione nei procarioti
La regolazione genica nei procarioti avviene durante la sintesi
proteica, prevalentemente a livello di trascrizione
La trascrizione ha inizio quando l’RNA-polimerasi si lega a una
sequenza denominata promotore
Esistono geni regolatori che codificano per molecole in grado di
impedire o facilitare il legame dell’RNA-polimerasi con il
promotore
L’insieme dei geni che vengono regolati in modo strettamente
coordinato è chiamato operone
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Operone
Secondo il modello di F. Jacob e J. Monod, un operone è un sistema
costituito da: un promotore, un operatore e uno o più geni strutturali.
L’operone è controllato dal gene regolatore
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Operone del triptofano
I geni strutturali dell’operone “triptofano” codificano per gli enzimi
che catalizzano la sintesi di questo amminoacido. Quando il
triptofano è presente, non è necessario produrlo: il repressore si
lega all’operatore e la trascrizione è bloccata
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Operone del lattosio
I geni strutturali dell’operone del lattosio sintetizzano enzimi
necessari per la sua demolizione. Quando è presente il lattosio, il
repressore libera l’operatore e la trascrizione è attivata
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Differenziamento
negli eucarioti pluricellulari
Negli eucarioti le cellule specializzate dei vari tessuti contengono
tutte lo stesso genoma ma il proteoma è diverso, cioè le cellule
esprimono proteine differenti
Il differenziamento
cellulare consiste
quindi nell’attivazione
di geni differenti
arancione = gene attivo
violetto = gene inattivo
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Espressione del genoma eucariote
Cellule di organismi della stessa specie contengono la stessa
quantità di DNA. Nel genoma umano solo il 2% del DNA di ogni
cellula codifica per le proteine
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Espressione genica negli eucarioti
Nelle cellule eucariote, soprattutto negli organismi pluricellulari, i
meccanismi della regolazione genica sono molto più complessi che
nelle cellule procariote e si realizzano in vari modi:
favorendo o impedendo la trascrizione del DNA
rielaborando il trascritto primario dell’mRNA
inibendo la traduzione
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Regolazione della sintesi proteica
Nelle cellule eucariote la
trascrizione e la traduzione
avvengono separatamente
nel tempo e nello spazio
Il trascritto primario di RNA
subisce un processo di
maturazione detto splicing
Da un singolo gene si
possono formare diversi
mRNA (splicing alternativo)
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Gene eucariote
Un gene eucariote è costituito da un promotore, da un sito di
riconoscimento per l’RNA polimerasi, e da sequenze codificanti
(esoni) e non codificanti (introni)
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Promotore degli eucarioti
Il promotore controlla la trascrizione tramite un complesso sistema
costituito da una sequenza nucleotidica ricca di timina (T) e adenina
(A), dal TATA box, da fattori di trascrizione (GTF) e da un sito di
riconoscimento per l’RNA polimerasi II
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Enhancer e silencer
A monte del promotore si trovano
siti regolatori chiamati:
enhancer
silencer
↓
↓
che sono posti sotto il controllo
di proteine dette:
↓
↓
attivatori
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inibitori
Ruolo del mediatore
Spesso i siti enhancer e silencer
si trovano lontani dal sito di
attacco dell’RNA-polimerasi e,
pertanto, interviene un mediatore
che mette in comunicazione
questi geni
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Maturazione dell’RNA mediante splicing
Tutto il gene viene trascritto in
mRNA
Viene aggiunto un cappuccio
necessario per indirizzare
l’mRNA sui ribosomi e una
coda di poli A
Vengono rimossi gli introni, e
gli esoni si legano tra loro
formando l’mRNA maturo
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Spicing alternativo
Il processo di splicing può avere diverse varianti: l’informazione
portata da un gene può infatti determinare la formazione di RNA
maturi diversi e la conseguente sintesi di polipeptidi differenti
(spicing alternativo)
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Regolazione a livello della traduzione
Anche la traduzione può essere regolata; per esempio, è possibile
ostacolare l’attacco dell’mRNA ai ribosomi tramite:
la modificazione della sequenza di attacco (chiamata sequenza
leader)
l’attivazione di un repressore che si lega all’mRNA impedendone
la lettura da parte dei ribosomi
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Sintesi proteica nei procarioti
Nei procarioti quasi tutto il DNA viene espresso e i processi di
trascrizione e di traduzione avvengono quasi simultaneamente
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Caratteristiche della sintesi proteica
dei procarioti
I gruppi di geni strutturali vengono spesso trascritti in un singolo
filamento di mRNA
La traduzione può avvenire a partire dall’estremità 5’ anche
quando la molecola di mRNA è ancora in fase di trascrizione
L’RNA trascritto è distrutto velocemente
Più polipeptidi sono sintetizzati contemporaneamente
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Geni strutturali
Il gene strutturale è un segmento di DNA che codifica per un
polipeptide
Nel cromosoma batterico i geni strutturali portano spesso
l’informazione per funzioni correlate e lavorano in sequenza
Sono esempi di geni strutturali quelli che codificano per i
polipeptidi che costituiscono un particolare enzima o quelli che
codificano per gli enzimi che fanno parte di una sequenza
biochimica
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Geni regolatori
I GENI REGOLATORI CODIFICANO PER:
REPRESSORI
ATTIVATORI
Effettuano un controllo negativo
impedendo la trascrizione
Effettuano un controllo positivo
favorendo la trascrizione
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Regolazione del repressore
IL REPRESSORE PUÒ ESSERE:
attivato
inattivato
↓
↓
da un corepressore
da un induttore
↓
↓
Il triptofano è un corepressore:
attiva il repressore e blocca la
trascrizione
Il lattosio è un induttore:
disattiva il repressore e avvia la
trascrizione
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Caratteristiche del cromosoma eucariote
Per genoma si intende il corredo di cromosomi contenuto in ogni
cellula di un organismo
Nelle cellule eucariote i cromosomi sono formati da una doppia
elica di DNA che si avvolge intorno a proteine dette istoni,
costituendo una struttura chiamata nucleosoma
I nucleosomi si dispongono in
maniera compatta formando un
lungo filamento che si attorciglia
più volte su se stesso assumendo
varie configurazioni di diverso
diametro
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Eucromatina ed eterocromatina
L’eucromatina è la forma di DNA
despiralizzato, che viene trascritto
L’eterocromatina è la forma di DNA
compatto, che non viene trascritto
Durante la divisione cellulare, per
esempio, il compattamento è
massimo e la trascrizione non
avviene
Un cromosoma durante la divisione
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I VIRUS
INDICE
Caratteristiche dei virus: il capside e il genoma virale
Classificazione virale
Fasi del ciclo riproduttivo
Ciclo litico e ciclo lisogeno
Latenza
Retrovirus
Virus e ricombinazione genica
Link a: trascrittasi inversa e vaccino
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I virus: caratteristiche generali
I virus sono microrganismi costituiti da un involucro proteico detto
capside che contiene il materiale genetico
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I virus: caratteristiche generali
I virus:
sono visibili soltanto al microscopio elettronico e, pertanto, è stato
possibile identificarli solo alla fine degli anni ’30
non contengono citoplasma né dispositivi metabolici
sono parassiti obbligati in quanto possono riprodursi solo
all’interno di una cellula viva
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Alcuni esempi di virus
Virus del Mosaico
del tabacco
Adenovirus
(virus dell’influenza)
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Altri esempi di virus
Batteriofago T4
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Capside
Il capside può:
essere costituito da un’unica
proteina che si ripete più volte o da
proteine diverse
avere sulla superficie glicoproteine
che servono a riconoscere le cellule
bersaglio
Le forme più comuni sono:
elicoidale, come quella del mosaico
del tabacco
icosaedrica, come quella del virus
del raffreddore
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Pericapside
Il capside può essere avvolto da
un rivestimento lipoproteico,
detto pericapside (o envelope),
che deriva dalla membrana
della cellula ospite ed è
composto da un doppio strato di
fosfolipidi intervallati da
numerose glicoproteine
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Genoma virale
Il genoma virale codifica le proteine del capside e uno o più enzimi
che catalizzano la sua duplicazione; il genoma virale può essere
costituito da DNA oppure da RNA
a doppio filamento o a filamento singolo
con disposizione lineare o circolare
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Classificazione dei virus
I virus si possono distinguere in base
all’organismo nel quale si
riproducono in:
batteriofagi (o fagi), che infettano
i batteri
virus vegetali, che infettano le
cellule delle piante (come il virus
del mosaico del tabacco)
virus animali, che infettano le
cellule animali (come Herpes virus
che provoca la varicella)
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Ciclo litico e lisogeno
I principali gruppi virali utilizzano
meccanismi di riproduzione specifici
che si possono ricondurre a due
modalità principali:
il ciclo litico
il ciclo lisogeno
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Ciclo litico
Nel ciclo litico la cellula ospite diventa una “fabbrica” di virus:
dopo l’ingresso nella cellula ospite, l’acido nucleico e le proteine
virali sono prodotti rapidamente sfruttando le strutture e l’energia
della cellula
la cellula ospite si rompe e le particelle virali sono liberate
all’esterno
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Ciclo lisogeno
Nel ciclo lisogeno il genoma virale si
integra nel cromosoma ospite
Il genoma virale si duplica durante il
processo di duplicazione della cellula
ospite. Quando questa si divide, quindi,
trasmette alle cellule figlie anche il DNA
virale (che però non è espresso)
Dopo migliaia di divisioni cellulari, il DNA
virale può attivarsi, staccandosi dal
cromosoma e dando inizio a un ciclo
litico
Il genoma virale integrato è chiamato profago, se la cellula ospite è un
batterio, o provirus, se la cellula ospite è eucariote
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Fasi del ciclo virale
Entrambi i cicli riproduttivi sono caratterizzati da cinque fasi:
attacco
penetrazione
replicazione
maturazione
liberazione
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Ciclo riproduttivo dei virus: attacco
L’attacco (o adsorbimento)
consiste nella formazione di un
legame specifico tra molecole (in
genere glicoproteine) presenti
sulla superficie virale e molecole
proteiche recettrici presenti sulla
superficie della cellula ospite
In tal modo solo alcuni tipi di
cellule vengono infettate da un
particolare virus: il virus del
raffreddore, per esempio,
attacca solo le cellule della
mucosa nasale
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Ciclo riproduttivo dei virus: penetrazione
La penetrazione è l’ingresso dell’intera particella virale o
l’iniezione del solo acido nucleico all’interno della cellula ospite
La maggior parte dei fagi inocula il genoma all’interno del
batterio, lasciando all’esterno le proteine del capside
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Ciclo riproduttivo dei virus: penetrazione
Quasi tutti i virus umani
entrano nella cellula con il
capside intatto
In presenza del pericapside,
questo si fonde con la
membrana cellulare;
altrimenti il virus può entrare
per endocitosi
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Ciclo riproduttivo dei virus: replicazione
La replicazione consiste nella duplicazione del materiale
genetico virale utilizzando le risorse energetiche e gli
enzimi della cellula ospite
La replicazione dell’acido nucleico può avvenire con il
materiale genetico virale separato da quello della cellula
ospite (come si verifica nel ciclo litico) o inserito nel DNA
della cellula ospite (come si verifica nel ciclo lisogeno)
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Ciclo riproduttivo dei virus: maturazione
Durante la maturazione sono sintetizzati i componenti
strutturali del virus (capside, enzimi virali)
Nel ciclo litico questa sintesi avviene subito dopo
l’infezione, mentre nel ciclo lisogeno il virus può rimanere
“latente” (duplicarsi senza produrre nuove componenti
strutturali del virus) anche a lungo
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Ciclo riproduttivo dei virus: liberazione
La liberazione dei virus
dalla cellula può avvenire
per gemmazione o per lisi
cellulare
I virus caratterizzati dalla
presenza del pericapside
fuoriescono per
gemmazione (es. virus
Ebola), i virus senza
pericapside per lisi cellulare
Fuoriuscita per gemmazione
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Latenza
I virus che integrano i loro geni all’interno
del DNA della cellula ospite sono di due
tipi: virus a DNA e retrovirus a RNA
Un esempio di virus a DNA che
alterna lunghi periodi di latenza a
brevi periodi riproduttivi è l’Herpes
simplex che viene attivato da fattori
legati a stress fisico o emotivo
Un esempio di retrovirus a RNA è il
virus HIV che provoca la cosiddetta
immunodeficienza umana, in quanto
colpisce le cellule immunitarie
(linfociti T)
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Retrovirus
L’integrazione di un virus a RNA in un
cromosoma costituito da DNA può
avvenire grazie a un importante enzima
virale: la trascrittasi inversa
La trascrittasi inversa copia l’RNA virale in
un filamento singolo di DNA
complementare (cDNA)
Dal cDNA si origina una molecola di DNA
a doppio filamento che si inserisce nel
cromosoma della cellula ospite e si replica
con essa
Meccanismo d’infezione di un retrovirus
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Virus e ricombinazione genica
Un virus batteriofago si può comportare
da vettore e trasferire DNA da una cellula
batterica a un’altra, processo noto come
trasduzione
Durante il ciclo litico di molti virus il DNA
batterico si spezza in frammenti
Alcuni tratti di DNA batterico possono
essere inglobati nei nuovi virus
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Trasduzione generalizzata
Se il virus infetta una nuova cellula
batterica e non svolge la fase litica, i geni
batterici trasportati dal virus possono
essere incorporati nel DNA della nuova
cellula ospite
Questo processo è detto di trasduzione
generalizzata poiché qualunque gene
batterico può essere trasferito
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Trasduzione specializzata
Quando i profagi si staccano dal cromosoma
ospite per iniziare un ciclo litico, possono
portarsi dietro un frammento del cromosoma
batterico contiguo al sito d’inserzione del
profago. In questo caso si parla di
trasduzione specializzata, perché solo la
porzione di DNA adiacente al DNA virale può
essere trasferita
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Trasduzione specializzata
Una successiva infezione porta
all’inserzione, nel nuovo genoma
batterico, di geni provenienti dal primo
ospite
I geni trasferiti sono quelli situati nella
zona contigua all’inserzione del profago,
per questo la trasduzione è detta
specializzata
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Trascrittasi inversa
È un enzima virale in grado di sintetizzare DNA a partire da uno
stampo di RNA
Fu scoperto nel 1975 da Howard Temin e da David Baltimore
(premi Nobel per la medicina)
Ha una frequenza di errore di copiatura piuttosto alta, circa 1 ogni
2000 basi, quindi la frequenza di mutazione è elevata
A causa dell'elevato tasso di mutazione dei retrovirus, la ricerca
scientifica non è ancora riuscita a mettere a punto un vaccino o
un farmaco capace di debellare tali virus
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Vaccino
Il vaccino è un preparato contenente materiale costituito da
microrganismi o parti di essi, trattati in modo da perdere le
proprietà infettive, ma non la capacità di stimolare nel soggetto
ricevente la produzione di anticorpi
Gli anticorpi sono molecole prodotte dai linfociti B che hanno un
ruolo fondamentale nel neutralizzare il microrganismo stesso
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Retrovirus
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