Espressione genica
Che cos'è l'espressione genica?
L'espressione genica è quel complesso processo grazie al quale la cellula trasforma le informazioni contenute nel proprio DNA in molecole (proteine o RNA) che svolgono le funzioni necessarie alle attività metaboliche e strutturali.
Il patrimonio di ogni cellula contiene le informazioni per produrre le molecole necessarie allo svolgimento di un numero elevatissimo di funzioni, molte delle quali non sempre necessarie.
Per far sì che la cellula ottimizzi le proprie risorse energetiche e produca solo le molecole necessarie al suo funzionamento, l'espressione genica è regolata mediante meccanismi spesso molto raffinati.
Le regolazione dell'espressione genica nei procarioti è più semplice, mentre negli eucarioti coinvolge un gran numero di processi e può avvenire a vari livelli del percorso che porta alla definitiva espressione del contenuto genico del nucleo cellulare.
Espressione genica: schema generale
L'espressione genica può essere descritta semplicemente in quattro passaggi:
- Trascrizione del DNA: il gene, ossia la sequenza di DNA contenente le informazioni, viene ricopiata dall'RNA Polimerasi in una sequenza complementare di RNA. Alcuni RNA sono direttamente funzionali (RNA ribosomali, RNA transfert, MicroRNA), altri verranno tradotti in sequenze peptidiche. La maggior parte degli RNA prodotti dalla trascrizione (pre-RNA) va incontro però al processo di maturazione
- Maturazione dell'RNA: la molecola prodotta dalla RNA Polimerasi viene sottoposta ad un rimaneggiamento mediante l'aggiunta di alcune componenti con funzione di protezione e stabilizzazione (capping, adenilazione) e la rimozione selettiva degli introni (splicing). L'RNA maturo che codifica per le proteine è detto RNA messaggero (mRNA).
- Traduzione: questo processo, noto come sintesi proteica, coinvolge tutti gli mRNA e porta alla sintesi di una proteina in cui la sequenza di nucleotidi dell'mRNA è tradotta in una sequenza polipeptidica corrispondente, secondo l'alfabeto molecolare per cui ad ogni tripletta di nucleotidi corrisponde uno specifico ed unico amminoacido.
- Modifiche post traduzionali: il punto d'arrivo, cioè la realizzazione della proteina nella sua forma finale, coinvolge spesso dei processi di modifica a carico della catena peptidica, che includono l'aggiunta di gruppi specifici funzionali come fosfati o acetile.
L'espressione genica è quell'insieme di processi che porta alla realizzazione di una proteina funzionante a partire da una sequenza di DNA.
Regolazione dell'espressione genica
Il DNA contenuto in una cellula porta con sé le informazioni necessarie allo svolgimento di una grande quantità di funzioni metaboliche. Queste funzioni non sono sempre necessarie e spesso è conveniente, per la cellula, evitare di esprimere l'intero patrimonio genico.
In ogni momento, quindi, la cellula "decide" quali geni esprimere e quali no, a seconda di un variegato mosaico di esigenze. I geni espressi in ogni circostanza sono detti "costitutivi", gli altri sono definiti "geni regolati".
Negli organismi unicellulari sono le modificazioni ambientali a stimolare la cellula ad avviare o reprimere l'espressione dei geni regolati; negli organismi pluricellulari la capacità di modulare l'espressione genica è alla base della differenziazione cellulare.
Qualunque cellula di un organismo, infatti, contiene lo stesso patrimonio genico di tutte le altre, ma attraverso una regolazione differenziata dell'espressione genica ognuna si trasforma in una cellula di un determinato tipo ed esprime i geni specifici per le attività metaboliche di quel determinato tipo cellulare.
Regolazione dell'espressione genica nei procarioti
Nei procarioti i "geni regolati" sono gestiti da semplici meccanismi a feedback, in cui l'oggetto della via metabolica in cui il prodotto genico è coinvolto (ad esempio il triptofano nell'operone Trp) svolge il ruolo di mediatore della regolazione.
Nel DNA procariotico, i geni responsabili dei vari passaggi di una medesimi via metabolica sono riuniti in "operoni", cioè sequenze di DNA che contengono vari geni, precedute e seguite dalle sequenze necessarie alla regolazione.
La via metabolica che porta al catabolismo del lattosio, ad esempio, è regolata dai geni dell'Operone Lac, che si attiva solo in presenza di Lattosio.
Il meccanismo di funzionamento degli operoni è stato trattato nel dettaglio nella specifica dispensa, qui ci limitiamo a sottolineare come, in questo sistema, la presenza o assenza dei substrati che rappresentano il target dei geni dell'operone determina la sua attivazione o disattivazione (regolazione dell'espressione genica mediante feedback positivo/negativo).
Negli eucarioti, specialmente quelli pluricellulari, i meccanismi di controllo dell'espressione genica sono più complessi e legati spesso a fattori estranei all'ambiente esterno.
Regolazione dell'espressione genica nei procarioti - operone lac.
Regolazione dell'espressione genica negli eucarioti
Oltre a rispondere a specifiche esigenze metaboliche, i geni regolati negli eucarioti sono responsabili della differenziazione cellulare.
Mediante la repressione dell'espressione di determinati geni e l'attivazione di altre sequenze specifiche, una cellula embrionale di un topo può trasformarsi in una cellula nervosa, in una cellula muscolare, in una cellula del tessuto osseo etc... pur mantenendo il medesimo contenuto complessivo del DNA del proprio nucleo.
La regolazione dell'espressione genica negli eucarioti può avvenire a vari livelli: l'azione di fattori trascrizionali basali o specifici agisce sulla regolazione della trascrizione; i trascritti primari di RNA sono soggetti a splicing e poliadenilazione alternativa, in modo da essere trasformati in mRNA maturi contenenti informazioni differenti.
L'avvio della traduzione è regolato dall'azione di specifiche molecole di RNA, dette microRNA, che sono sequenze di 20-30 nucleotidi che agiscono interagendo con porzioni degli mRNA impedendone la traduzione.
Le modifiche post- traduzionali includono l'aggiunta di gruppi funzionali, quali glucidi, lipidi, fosfati, acetili o metili, che attivano, disattivano o modificano le caratteristiche delle proteine prodotte.
In ultimo, un meccanismo molto interessante di regolazione dell'espressione genica riguarda modifiche epigenetiche: queste modifiche coinvolgono il DNA attraverso la metilazione delle citosine delle doppiette CpG (Citosina-Guanina) oppure l'aggiunta di gruppi metili, acetili o fosfati agli istoni.
Queste modificazioni agiscono sulla capacità del DNA di passare dalla forma condensata a quella rilassata, determinando quindi la possibilità o meno di essere trascritto.
Ciò che è rilevante è che queste modificazioni possono essere acquisite durante la vita dell'individuo, in risposta a circostanze ambientali, e trasmesse alla progenie in un meccanismo di ereditarietà che non coinvolge la mutazione del DNA ed è quindi meno drastico e soprattutto reversibile.
Espressione genica: regolazione a vari livelli negli eucarioti.
Link correlati:
Quanto è lungo il DNA?
Che cosa sono i frammenti di Okazaki?
Che cos'è la reazione a catena della polimerasi o PCR?
Studia con noi