Nei procarioti l’espressione genica è generalmente regolata da un’unità costituita da geni codificanti per proteine e siti adiacenti di controllo (promotore ed operatore), chiamata nel suo complesso operone. I meccanismi molecolari del funzionamento dell’operone forniscono un mezzo semplice per controllare la sintesi coordinata di proteine con funzioni correlate. Negli eucarioti, l’espressione genica è pure regolata a livello di unità costituita da una sequenza codificante una proteina e da siti adiacenti di controllo. D’altra parte, nei geni eucarioti non vi è nulla di formalmente simile alla regione dell’operone procariotico, per cui si ritiene che gli eucarioti non abbiano operoni. La regolazione genica negli eucarioti può essere suddivisa in due categorie. La regolazione genica a breve termine implica eventi di regolazione, in cui insiemi di geni vengono rapidamente accesi o spinti in risposta a cambiamenti nelle condizioni ambientali o fisiologiche nell’ambiente della cellula o dell’organismo. La regolazione genica a lungo termine implica eventi regolativi diversi da quelli richiesti per un rapido adattamento a cambiamenti ambientali o fisiologici locali, vale a dire, gli eventi richiesti perché un organismo si sviluppi e differenzi
1. Livelli di controllo dell’espressione genica negli eucarioti
Gli organismi procarioti sono per la maggior parte unicellulari. Rispondono velocemente all’ambiente mediante cambiamenti nella regolazione genica, prevalentemente a livello della trascrizione, con qualche controllo a livello della traduzione. La risposta trascrizionale avviene mediante l’interazione di proteine regolatrici con sequenze di regolazione situate a monte delle regioni codificanti. Cambiamenti rapidi nei livelli di sintesi proteica vengono ottenuti sia spegnendo la trascrizione del gene corrispondente, che degradando rapidamente le molecole di mRNA coinvolte.
Negli eucarioti, sia monocellulari che pluricellulari, il controllo dell’espressione genica è più complicato che nei procariotico. Questo deriva in parte dalla compartimentalizzazione delle cellule eucarioti è dalle esigenze imposte dalla necessità degli eucarioti multicellulari di generare numeri elevati e tipi diversi di cellule.
1. Controllo trascrizionale
Il controllo trascrizionale regola, per prima cosa, la possibilità che un gene venga trascritto e anche la quantità di trascritti prodotta. Geni eucarioti codificanti per proteine contengono sia elementi promotori che enhancer. Ricordiamo inoltre che particolari proteine si legano a promotori ed enhancer per facilitare l’inizio della trascrizione da parte dell’RNA polimerasi II.
- Gli elementi promotori si trovano appena a monte dei siti di inizio della trascrizione.
- Gli enhancer si trovano in genere a qualche distanza, a monte o a valle (gli elementi enhancer furono originalmente identificati in quanto capaci di attivare la trascrizione a partire dal promotore ad essi associato, anche se localizzati a qualche distanza da esso).
I diversi elementi promotori possono essere visti come moduli che funzionano nella regolazione dell’espressione del gene a cui sono associati. Certi elementi promotori, come gli elementi TATA, sono richiesti per definire dove la trascrizione deve iniziare. Altri elementi promotori determinano se avverrà la trascrizione del gene; specifiche proteine regolatrici (chiamati fattori trascrizionali) si legano a questi ultimi elementi.
- Se la trascrizione viene attivata da questo legame, l’elemento promotore è chiamato elemento di regolazione positiva e la proteina è una proteina regolatrice positiva.
- Se la trascrizione viene spenta, l’elemento promotore viene chiamato elemento di regolazione negativa e la proteina è una proteina regolatrice negativa.
Un elemento regolatore del promotore è specializzato rispetto al gene (o a igieni) che controlla, perché si lega ad una molecola segnale coinvolta nella regolazione di quell’espressione genica. Un particolare gene può avere una, pochi o molti elementi promotori, perché in condizioni diverse vi possono essere una, poche o molte proteine regolatrici, che controllano l’espressione di quel gene. La notevole specificità delle proteine regolatrici nel legarsi alla loro specifico elemento di regolazione nel DNA, e non ad altri, assicura un accurato controllo di quali geni vengono attivati e quali repressi. Mentre gli elementi promotori sono critici nel determinare se la trascrizione può avvenire, gli elementi enhancer fanno sì che avvenga la massima trascrizione di un gene. Proteine regolatrici si legano agli elementi enhancer è la sequenza di DNA dell’enhancer determina quale proteina vi si legherà. Un modello di come gli enhancer influenzano la trascrizione a distanza prevede questo comportamento: una specifica proteina regolatrice si lega la sequenza enhancer; il DNA forma poi un’ansa in modo che la proteina regolatrice legata al enhancer possa interagire con le proteine regolatrici e da altri fattori legati agli elementi promotori; l’interazione fra le proteine determina se la trascrizione verrà attivato repressa. Sia i promotori che gli enhancer sono importanti nel regolare la trascrizione genica.
Ogni elemento promotore o enhancer lega una specifica proteina regolatrice. Alcune proteine regolatrici si trovano nella maggior parte o in tutti i tipi cellulari, mentre altri si trovano solo in un numero limitato di tipi cellulari. Poiché alcune proteine regolatrici attivano la trascrizione quando si legano ad elementi promotori o enhancer, mentre altre reprimono la trascrizione, l’effetto netto di un elemento di regolazione sulla trascrizione dipende dalla combinazione delle diverse proteine legate. Se proteine regolatrici positive sono legati sia agli elementi promotori che agli enhancer, il risultato sarà l’attivazione della trascrizione. Tuttavia, se la proteina regolatrice negativa si lega al enhancer e da una proteina regolatrice positiva si lega al elemento promotore, il risultato dipende dall’interazione fra le due proteine regolatrici. Se la proteina regolatrice negativa ha un effetto forte, il gene viene espresso. In questo caso l’enhancer è definito elemento silenziatore (silencer). Elementi enhancer e promotori sembrano spesso legare le stesse proteine. Questo implica che entrambi i tipi di elementi di regolazione interferiscono con la la trascrizione mediante meccanismi simili, probabilmente attraverso l’interazione di proteine regolatrici come descritto sopra. È interessante il fatto che sembra esservi un numero piccolo di proteine regolatrici che controllano la trascrizione. Quindi, combinando relativamente poche proteine regolatrici in modi particolari, si può regolare in modo specifico la trascrizione di diverse combinazioni di geni e determinare così un grande numero di tipi cellulari. Questa chiamata regolazione genica di tipo combinatorio.
Molti fattori trascrizionali e proteine regolatrici coinvolte nel processo d’inizio della trascrizione negli eucarioti e nei procarioti sono proteine che legano il DNA. Essi interagiscono con specifiche sequenze di DNA ed esercitano un effetto sull’inizio della trascrizione. Per molte di queste proteine, ma non necessariamente per tutte, certi ben definiti motivi strutturali della proteina sono responsabili del legame della proteina al DNA.
Cambiamenti nei cromosomi
Cambiamenti nella struttura dei cromosomi giocano un ruolo importante nel controllo della trascrizione.
2. Regolazione genica nello sviluppo e nel differenziamento
Gli eucarioti superiori sono formati da molte cellule diverse che si organizzano a formare tessuti e organi con diverse e specifiche funzioni nonostante tutte le cellule dello stesso organismo possiedono lo stesso genotipo. Durante il periodo dello sviluppo di un organismo, cellule geneticamente identiche diventano fisiologicamente e fenotipicamente differenziate in termini sia di struttura che di funzione.
Quando si discute di regolazione genica a lungo termine, vengono usati due termini: sviluppo e differenziamento.
- Lo sviluppo è il processodi crescita regolata, che deriva dall’interazione del genoma con il citoplasma e l’ambiente esterno e che implica una sequenza programmata di eventi fenotipici a livello cellulare, generalmente irreversibili. La somma dei cambiamenti fenotipici costituisce il ciclo vitale di un organismo.
- Il differenziamento coinvolge la formazione di diversi tipi cellulari, tessuti ed organi, attraverso i processi di regolazione specifica dell’espressione genica; cellule differenziate hanno specifiche caratteristiche strutturali e proprietà funzionali.
