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La regolazione genica negli eucarioti avviene a vari livelli
Il differenziamento cellulare è una conseguenza della regolazione dell’espressione genica
Il
differenziamento
è il processo attraverso il quale le cellule acquisiscono una specializzazione strutturale e funzionale
Il differenziamento è una diretta conseguenza dell’attivazione e della disattivazione di geni specifici
Il ripiegamento del DNA contribuisce alla regolazione dell’espressione genica prima della trascrizione
Negli eucarioti il DNA dei cromosomi va incontro a diversi livelli di
spiralizzazione
Struttura a collana di perle
Fibra elicoidale compatta
Superavvolgimento della fibra compatta
Vari livelli di ripiegamenti nei cromosomi metafasici
La spiralizzazione regola l’espressione genica impedendo all’RNA polimerasi di entrare in contatto con il DNA
I cromosomi degli eucarioti contengono anche piccole proteine: gli
istoni
Il complesso DNA-istoni è chiamato
cromatina
che si distingue in:
Eucromatina
formata da DNA poco ripetitivo e attivamente trascritto
Eterocromatina
fatta da molte sequenze ripetute e poco trascritta
Il DNA ha diversi livelli di impacchettamento:
Il primo livello è il
nucleosoma
, formato da DNA avvolto attorno a 8 istoni; i nucleosomi sono uniti da brevi tratti di DNA detti
linker
Nel secondo livello il complesso DNA-istoni forma una
fibra elicoidale
Ulteriori ripiegamenti formano un
cromatide
Modificazioni chimiche dei cromosomi regolano l’espressione genica prima della trascrizione
I cromosomi degli eucarioti possono essere modificati chimicamente per regolare l’espressione genica
La
metilazione
, ovvero l’aggiunta di un gruppo metile, gioca un ruolo importante nell’inattivazione a lungo termine dei geni
Una volta metilati i geni mantengono la modificazione nei cicli successivi di divisione cellulare
Le mutazioni del DNA sono permanenti, le modificazione della cromatina sono reversibili
Le
modificazioni epigenetiche
sono importanti nel controllo dell’espressione genica
La trasmissione ereditaria di caratteristiche che non dipendono direttamente dalla sequenza nucleotidica si chiama
eredità epigenetica
La regolazione genica prima della trascrizione può avvenire su tutto il cromosoma
La
regolazione genica prima della trascrizione
può avvenire su tutto il cromosoma, non solo su suoi frammenti
Nelle cellule somatiche delle femmine dei mammiferi avviene questo: uno dei due cromosomi X si trova in forma inattiva
Disattivazione del cromosoma X
In tutti i mammiferi le femmine ereditano due cromosomi X
In ogni cellula somatica uno dei due si trova in una forma inattiva, detta
corpo di Barr
La disattivazione avviene durante la fase precoce dello sviluppo embrionale
Un effetto evidente di questo fenomeno di disattivazione è la colorazione del pelo a “squama di tartaruga” che si verifica in alcune femmine di gatto
Durante la trascrizione un complesso di proteine controlla la regolazione dell’espressione genica
Regolazione genica negli eucarioti
I geni sono controllati da
proteine regolatrici
che interagiscono con il DNA e tra di loro, per attivarli o disattivarli
Ogni gene è dotato di un proprio promotore e di specifiche
sequenze di controllo
Solitamente sono più importanti gli attivatori rispetto ai repressori
Le proteine regolatrici e le sequenze di controllo formano il
complesso di trascrizione
Fattori di trascrizione
Sono un insieme di proteine necessarie alla RNA polimerasi per legarsi al DNA e iniziare la trascrizione
Enhancer
e
silencer
Sono sequenze di DNA necessarie per il controllo dell’espressione genica
Gli attivatori si legano agli enhancer e attraverso l’interazione con altri fattori di trascrizione attivano la trascrizione
I repressori si legano ai silencer e inibiscono la trascrizione
Anche il processo di splicing controlla l’espressione genica
Anche lo splicing dell’RNA contribuisce al controllo dell’espressione genica
Finché il processo di splicing non è ultimato l’mRNA non può uscire dal nucleo ed essere tradotto
Lo
splicing alternativo
permette di ottenere polipeptidi differenti partendo da un singolo gene
I microRNA hanno un ruolo nel controllo dell’espressione genica dopo la trascrizione
MicroRNA (miRNA)
Brevi sequenze di RNA a singolo filamento (circa 20 nucleotidi)
Si legano alle sequenze complementari sull’mRNA
Formano complessi miRNA-proteina in grado di degradare l’mRNA bersaglio o bloccarne momentaneamente la traduzione
Interferenza dell’RNA (RNAi)
Il meccanismo d’azione dei miRNA è sfruttato in laboratorio per controllare l’espressione genica
Per esempio, iniettando un miRNA in una cellula si può inibire l’espressione di un gene con la sequenza nucleotidica complementare
La regolazione avviene anche durante e dopo la traduzione
La regolazione genica avviene anche negli ultimi passaggi del percorso dal gene alla proteina
Demolizione dell’mRNA
Traduzione dell’mRNA
Attivazione delle proteine
Degradazione delle proteine
Demolizione dell’mRNA
: le molecole di mRNA quando hanno esaurito la loro funzione vengono demolite:
Nei procarioti sono demolite pochi minuti dopo essere state sintetizzate
Negli eucarioti l’mRNA si conserva per ore o per settimane, come avviene nei globuli rossi dei vertebrati che sintetizzano grandi quantità di emoglobina
Traduzione dell’mRNA
: diversi ribosomi possono agire in successione su uno stesso mRNA formando un
polisoma
(o
poliribosoma
)
Attivazione delle proteine
: dopo la traduzione talvolta è necessario che i polipeptidi siano modificati per diventare funzionali
Negli eucarioti le modifiche comportano spesso il taglio, detto
clivaggio
, di una parte del polipeptide
Degradazione delle proteine
: dopo la traduzione talvolta avviene una degradazione selettiva delle proteine svolta dal proteasoma, un complesso multiproteico
Il proteasoma riconosce le proteine da degradare grazie al legame dell’
ubiquitina
alla proteina da degradare
Negli eucarioti l’espressione di un gene può passare attraverso diversi controlli
Regolazione della trascrizione
Despiralizzazione e altre modifiche del DNA
Sequenze e proteine di controllo della trascrizione
Maturazione dell’mRNA
Passaggio dell’mRNA dal nucleo al citoplasma
Demolizione dell’mRNA
Traduzione dell’mRNA
Attivazione e degradazione delle proteine