Regolazione dell espressione genica

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1 Regolazione dell espressione genica Ogni processo che porta dal DNA alla proteina funzionale è soggetto a regolazione. Il primo processo relativo alla trascrizione è il più importante punto di regolazione (principio della massima economia cellulare). Una situazione analoga è presente nella regolazione delle principali vie metaboliche 1

2 Geni costitutivi & inducibili Geni costitutivi Sono costantemente espressi durante tutto il ciclo vitale della cellula indipendentemente dal suo stato metabolico. In genere riguardano geni che codificano per proteine di membrana ed enzimi coinvolti nelle vie metaboliche di base Geni inducibili o reprimibili Aumentano o diminuiscono in risposta a segnali molecolari* legati a cambiamenti ambientali e/o condizioni cellulari *I segnali molecolari sono almeno tre: Fattori di specificità: alterano la specificità della RNA polimerasi per un dato promotore Repressori: impediscono l accesso dell RNA polimerasi al promotore Attivatori: favoriscono l interazione RNA polimerasi-promotore 2

3 Promotore & Fattori di specificità La regolazione della trascrizione è localizzata in una zona a monte del sito di trascrizione del DNA e prende il nome di promotore. Alcuni promotori comprendono, oltre alle sequenze di consenso, l elemento UP (upstream promoter) Promotore Un esempio di regolazione dell espressione genica da fattori di specificità è la risposta allo shock da calore in E.coli. Quando l E.coli è sottoposto a stress termico e/o ambientale, un fattore di specificità s 32, presente sulla subunità s dell RNA polimerasi, interagisce con un promotore specifico inducendo la sintesi di un gruppo di proteine che permettono l adattamento allo stress 3

4 Repressori & attivatori Vicino al promotore o al suo interno sono presenti siti di controllo denominati operatori dove si legano specifiche proteine che impediscono l accesso della RNA polimerasi (repressori) o la favoriscono (attivatori) 4

5 I geni regolatori nei procarioti L interazione degli operatori con il DNA è regolata da effettori, in genere piccole molecole, che interagendo con l operatore ne provocano una variazione conformazionale con conseguente aumento o diminuzione della trascrizione genica 5

6 Gli operoni I procarioti possiedono gruppi di geni strettamente correlati e regolati che prendono il nome di operone 6

7 Regolazione dell operone del lattosio (1) Il lac operon è stato il primo esempio di regolazione genica a livello trascrizionale chiarito a livello molecolare (Nobel 1961 a Jacob e Monod) Regolazione negativa b-galattosidasi Permeasi Transacetilasi Il repressore lac si lega all operatore principale (O 1 ) e ai siti pseudo-operatori (O 2 e O 3 ), formando nel DNA un cappio che si avvolge intorno alla molecola del repressore impedendo all RNA polimerasi di trascrivere 7

8 Regolazione dell operone del lattosio (2) La repressione viene rimossa con un meccanismo analogo al caso (a) visto nei sistemi di regolazione generale 8

9 Regolazione dell operone del lattosio (3) Regolazione positiva L attivazione avviene con un meccanismo analogo al caso (d) dei sistemi di regolazione generale. Quando la concentrazione del glucosio è bassa, la concentrazione di camp è alta, si forma un complesso CRP-cAMP che interagendo con l RNA polimerasi incrementa di 50 volte la trascrizione Proteina Recettore dell camp (CRP o CAP) AMP ciclico (camp) Molecola della fame segnala l assenza di glucosio 9

10 Regolazione dell operone del lattosio (4) Effetti combinati del glucosio e del lattosio sull espressione dell operone lac CRP e camp sono coinvolti nella regolazione coordinata di più operoni detti reguloni. Una situazione analoga più complessa la troviamo negli eucarioti 10

11 Regolazione dell espressione genica negli eucarioti (1) La trascrizione è accompagnata da un rimodellamento della cromatina Siti ipersensibili alle nucleasi con scarsità di nucleosomi (pochi istoni e spesso modificati) Prevalgono meccanismi di regolazione positiva (la regolazione negativa è sostituita dall inaccessibilità della cromatina) Ogni gene richiede una specifica regolazione Per aumentare la specificità più attivatori proteici interagiscono tra loro diminuendo così la probabilità di attivazioni casuali I contatti proteina-proteina tra attivatori lontani spesso avvengono grazie alla formazione di anse di DNA 11

12 Regolazione dell espressione genica negli eucarioti (2) Regolazione ormonale Ormoni stereoidei Interagiscono direttamente con le proteine regolatrici che si legano al DNA (recettori intracellulari) con effetti positivi o negativi sulla trascrizione dei geni bersaglio dell ormone Gli ormoni non stereoidei Si legano ai recettori della superficie cellulare, innescando un meccanismo di segnalazione che stimolano la trascrizione 12