# Biologia per il liceo/La regolazione genica

Ogni cellula somatica del corpo contiene generalmente lo stesso DNA. Alcune eccezioni includono i globuli rossi, che non contengono DNA nel loro stato maturo, e alcune cellule del sistema immunitario che riorganizzano il loro DNA mentre producono anticorpi. In generale, tuttavia, i geni che determinano se hai gli occhi verdi, i capelli castani e la velocità con cui metabolizzi il cibo sono gli stessi nelle cellule dei tuoi occhi e del tuo fegato, anche se questi organi funzionano in modo abbastanza diverso. Se ogni cellula ha lo stesso DNA, come mai le cellule o gli organi sono diversi? Perché le cellule nell'occhio differiscono così drasticamente dalle cellule nel fegato?
Mentre ogni cellula condivide lo stesso genoma e la stessa sequenza di DNA, ogni cellula non attiva o esprime lo stesso set di geni. Ogni tipo di cellula ha bisogno di un diverso set di proteine ​​per svolgere la sua funzione. Pertanto, solo un piccolo sottoinsieme di proteine ​​è espresso in una cellula. Affinché le proteine ​​siano espresse, il DNA deve essere trascritto in RNA e l'RNA deve essere tradotto in proteina. In un dato tipo di cellula, non tutti i geni codificati nel DNA sono trascritti in RNA o tradotti in proteina perché cellule specifiche nel nostro corpo hanno funzioni specifiche. Le proteine ​​specializzate che compongono l'occhio (iride, cristallino e cornea) sono espresse solo nell'occhio, mentre le proteine ​​specializzate nel cuore (cellule pacemaker, muscolo cardiaco e valvole) sono espresse solo nel cuore. In un dato momento, solo un sottoinsieme di tutti i geni codificati dal nostro DNA sono espressi e tradotti in proteine. L'espressione di geni specifici è un processo altamente regolato con molti livelli e fasi di controllo. Questa complessità garantisce la corretta espressione nella cellula corretta al momento corretto.

## Confronto tra procarioti ed eucarioti

Per far funzionare correttamente una cellula, le proteine ​​necessarie devono essere sintetizzate al momento e nel luogo appropriati. Tutte le cellule controllano o regolano la sintesi delle proteine ​​dalle informazioni codificate nel loro DNA. Il processo di attivazione di un gene per produrre RNA e proteine ​​è chiamato espressione genica . Che si tratti di un semplice organismo unicellulare o di un complesso organismo multicellulare, ogni cellula controlla quando e come vengono espressi i suoi geni. Affinché ciò avvenga, devono esserci meccanismi chimici interni che controllano quando un gene viene espresso per produrre RNA e proteine, quanta proteina viene prodotta e quando è il momento di smettere di produrre quella proteina perché non è più necessaria.
La regolazione dell'espressione genica conserva energia e spazio. Richiederebbe una notevole quantità di energia a un organismo esprimere ogni gene in ogni momento, quindi è più efficiente dal punto di vista energetico accendere i geni solo quando sono necessari. Inoltre, esprimere solo un sottoinsieme di geni in ogni cellula fa risparmiare spazio perché il DNA deve essere srotolato dalla sua struttura strettamente avvolta per trascrivere e tradurre il DNA. Le cellule dovrebbero essere enormi se ogni proteina fosse espressa in ogni cellula in ogni momento.
Il controllo dell'espressione genica è estremamente complesso. Malfunzionamenti in questo processo sono dannosi per la cellula e possono portare allo sviluppo di molte malattie, tra cui il cancro.
Per capire come viene regolata l'espressione genica, dobbiamo prima capire come un gene codifica per una proteina funzionale in una cellula. Il processo avviene sia nelle cellule procariotiche che in quelle eucariotiche, solo in modi leggermente diversi.
Gli organismi procariotici sono organismi unicellulari privi di nucleo cellulare e il loro DNA quindi fluttua liberamente nel citoplasma cellulare. Per sintetizzare una proteina, i processi di trascrizione e traduzione avvengono quasi simultaneamente. Quando la proteina risultante non è più necessaria, la trascrizione si interrompe. Di conseguenza, il metodo principale per controllare quale tipo di proteina e quanta di ciascuna proteina viene espressa in una cellula procariotica è la regolazione della trascrizione del DNA. Tutti i passaggi successivi avvengono automaticamente. Quando è richiesta più proteina, si verifica più trascrizione. Pertanto, nelle cellule procariotiche, il controllo dell'espressione genica avviene principalmente a livello trascrizionale.
Le cellule eucariotiche, al contrario, hanno organelli intracellulari che ne accrescono la complessità. Nelle cellule eucariotiche, il DNA è contenuto all'interno del nucleo della cellula e lì viene trascritto in RNA. L'RNA appena sintetizzato viene quindi trasportato fuori dal nucleo nel citoplasma, dove i ribosomi traducono l'RNA in proteine. I processi di trascrizione e traduzione sono fisicamente separati dalla membrana nucleare; la trascrizione avviene solo all'interno del nucleo e la traduzione avviene solo all'esterno del nucleo nel citoplasma. La regolazione dell'espressione genica può avvenire in tutte le fasi del processo ( Figura sotto). La regolazione può avvenire quando il DNA viene srotolato e staccato dai nucleosomi per legare i fattori di trascrizione ( livello epigenetico ), quando l'RNA viene trascritto ( livello trascrizionale ), quando l'RNA viene elaborato ed esportato nel citoplasma dopo essere stato trascritto ( livello post-trascrizionale ), quando l'RNA viene tradotto in proteina ( livello traduzionale ) o dopo che la proteina è stata prodotta ( livello post-traduzionale ).
Le differenze nella regolazione dell'espressione genica tra procarioti ed eucarioti sono riassunte nella Tabella sotto. La regolazione dell'espressione genica è discussa in dettaglio nei moduli successivi.
Differenze nella regolazione dell'espressione genica degli organismi procariotici ed eucariotici
| Organismi procariotici | Organismi eucariotici |
| Mancanza di un nucleo legato alla membrana | Contiene nucleo |
| Il DNA si trova nel citoplasma | Il DNA è confinato nel compartimento nucleare |
| La trascrizione dell'RNA e la formazione delle proteine ​​avvengono quasi simultaneamente | La trascrizione dell'RNA avviene prima della formazione delle proteine ​​e avviene nel nucleo. La traduzione dell'RNA in proteina avviene nel citoplasma. |
| L'espressione genica è regolata principalmente a livello trascrizionale | L'espressione genica è regolata a molti livelli (epigenetico, trascrizionale, di trasporto nucleare, post-trascrizionale, traduzionale e post-traduzionale) |
* Evoluzione della regolazione genica
* Le cellule procariotiche possono regolare l'espressione genica solo controllando la quantità di trascrizione. Con l'evoluzione delle cellule eucariotiche, la complessità del controllo dell'espressione genica è aumentata. Ad esempio, con l'evoluzione delle cellule eucariotiche si è verificata la compartimentazione di importanti componenti cellulari e processi cellulari. Si è formata una regione nucleare che contiene il DNA. La trascrizione e la traduzione sono state fisicamente separate in due diversi compartimenti cellulari. È quindi diventato possibile controllare l'espressione genica regolando la trascrizione nel nucleo e anche controllando i livelli di RNA e la traduzione proteica presenti all'esterno del nucleo.
* La maggior parte della regolazione genica viene eseguita per conservare le risorse cellulari. Tuttavia, altri processi regolatori possono essere difensivi. Processi cellulari come il silenziamento genico si sono sviluppati per proteggere la cellula da infezioni virali o parassitarie. Se la cellula potesse rapidamente interrompere l'espressione genica per un breve periodo di tempo, sarebbe in grado di sopravvivere a un'infezione quando altri organismi non ci riuscirebbero. Pertanto, l'organismo ha sviluppato un nuovo processo che lo ha aiutato a sopravvivere ed è stato in grado di trasmettere questo nuovo sviluppo alla prole.

## La regolazione genica nei procarioti

Il DNA dei procarioti è organizzato in un cromosoma circolare, superavvolto all'interno della regione nucleoide del citoplasma cellulare. Le proteine ​​necessarie per una funzione specifica, o che sono coinvolte nello stesso percorso biochimico, sono codificate insieme in blocchi chiamati operoni . Ad esempio, tutti i geni necessari per usare il lattosio come fonte di energia sono codificati uno accanto all'altro nell'operone del lattosio (o lac ) e trascritti in un singolo mRNA.
Nelle cellule procariotiche, ci sono tre tipi di molecole regolatrici che possono influenzare l'espressione degli operoni: repressori, attivatori e induttori. I repressori e gli attivatori sono proteine ​​prodotte nella cellula. Sia i repressori che gli attivatori regolano l'espressione genica legandosi a specifici siti del DNA adiacenti ai geni che controllano. In generale, gli attivatori si legano al sito del promotore, mentre i repressori si legano alle regioni dell'operatore . I repressori impediscono la trascrizione di un gene in risposta a uno stimolo esterno, mentre gli attivatori aumentano la trascrizione di un gene in risposta a uno stimolo esterno. Gli induttori sono piccole molecole che possono essere prodotte dalla cellula o che si trovano nell'ambiente della cellula. Gli induttori attivano o reprimono la trascrizione a seconda delle esigenze della cellula e della disponibilità del substrato.

### L' operone trp : un operone reprimibile

I batteri come l'Escherichia coli hanno bisogno di amminoacidi per sopravvivere e sono in grado di sintetizzarne molti. Il triptofano è uno di questi amminoacidi che l'Escherichia coli può ingerire dall'ambiente o sintetizzare utilizzando enzimi codificati da cinque geni. Questi cinque geni sono uno accanto all'altro in quello che viene chiamato operone del triptofano ( trp ) ( Figura sotto). I geni vengono trascritti in un singolo mRNA, che viene poi tradotto per produrre tutti e cinque gli enzimi. Se il triptofano è presente nell'ambiente, l'Escherichia coli non ha bisogno di sintetizzarlo e l' operone trp viene disattivato. Tuttavia, quando la disponibilità di triptofano è bassa, l'interruttore che controlla l'operone viene attivato, l'mRNA viene trascritto, le proteine ​​enzimatiche vengono tradotte e il triptofano viene sintetizzato.
L' operone trp comprende tre regioni importanti: la regione codificante, l' operatore trp e il promotore trp . La regione codificante comprende i geni per i cinque enzimi di biosintesi del triptofano. Appena prima della regione codificante si trova il sito di inizio trascrizionale . La sequenza del promotore, a cui si lega l'RNA polimerasi per iniziare la trascrizione, è prima o "a monte" del sito di inizio trascrizionale. Tra il promotore e il sito di inizio trascrizionale si trova la regione dell'operatore.
L' operatore trp contiene il codice del DNA a cui la proteina repressore trp può legarsi. Tuttavia, il repressore da solo non può legarsi all'operatore. Quando il triptofano è presente nella cellula, due molecole di triptofano si legano al repressore trp , che cambia la forma della proteina repressore in una forma che può legarsi all'operatore trp . Il legame del complesso triptofano-repressore all'operatore impedisce fisicamente alla RNA polimerasi di legarsi al promotore e di trascrivere i geni a valle.
Quando il triptofano non è presente nella cellula, il repressore da solo non si lega all'operatore, la polimerasi può trascrivere i geni dell'enzima e il triptofano viene sintetizzato. Poiché la proteina repressore si lega attivamente all'operatore per mantenere i geni disattivati, si dice che l' operone trp sia regolato negativamente e le proteine ​​che si legano all'operatore per silenziare l'espressione trp sono regolatori negativi .

#### Collegamento all'apprendimento

Guarda questo video per saperne di più sull'operone trp .

### Proteina attivatrice del catabolita (CAP): un attivatore trascrizionale

Proprio come l' operone trp è regolato negativamente dalle molecole di triptofano, ci sono proteine ​​che si legano alle sequenze promotore che agiscono come regolatori positivi per accendere i geni e attivarli. Ad esempio, quando il glucosio è scarso, i batteri E. coli possono rivolgersi ad altre fonti di zucchero per il carburante. Per fare questo, devono essere trascritti nuovi geni per elaborare questi zuccheri alternativi. Quando i livelli di glucosio scendono, l'AMP ciclico (cAMP) inizia ad accumularsi nella cellula. La molecola cAMP è una molecola di segnalazione coinvolta nel metabolismo del glucosio e dell'energia in E. coli . L'accumulo di cAMP si lega alla proteina attivatrice del catabolita regolatore positivo (CAP) , una proteina che si lega ai promotori degli operoni che controllano l'elaborazione degli zuccheri alternativi. Quando il cAMP si lega al CAP, il complesso si lega quindi alla regione promotore dei geni che sono necessari per utilizzare le fonti di zucchero alternative ( Figura sotto). In questi operoni, un sito di legame CAP è situato a monte del sito di legame RNA-polimerasi nel promotore. Il legame CAP stabilizza il legame della RNA polimerasi alla regione del promotore e aumenta la trascrizione dei geni codificanti proteine ​​associati.

### L' operone lac : un operone inducibile

Il terzo tipo di regolazione genica nelle cellule procariotiche avviene tramite operoni inducibili , che hanno proteine ​​che si legano per attivare o reprimere la trascrizione a seconda dell'ambiente locale e delle esigenze della cellula. L' operone lac è un tipico operone inducibile. Come accennato in precedenza, l'Escherichia coli è in grado di utilizzare altri zuccheri come fonti di energia quando le concentrazioni di glucosio sono basse. Una di queste fonti di zucchero è il lattosio. L' operone lac codifica i geni necessari per acquisire ed elaborare il lattosio dall'ambiente locale. Il gene Z dell'operone lac codifica la beta-galattosidasi, che scompone il lattosio in glucosio e galattosio.
Tuttavia, affinché l' operone lac venga attivato, devono essere soddisfatte due condizioni. Innanzitutto, il livello di glucosio deve essere molto basso o inesistente. In secondo luogo, deve essere presente il lattosio. Solo quando il glucosio è assente e il lattosio è presente, l' operone lac verrà trascritto ( Figura sotto). In assenza di glucosio, il legame della proteina CAP rende la trascrizione dell'operone lac più efficace. Quando il lattosio è presente, il suo metabolita, l'allolattosio, si lega al repressore lac e cambia la sua forma in modo che non possa legarsi all'operatore lac per impedire la trascrizione. Questa combinazione di condizioni ha senso per la cellula, perché sarebbe energeticamente dispendioso sintetizzare gli enzimi per elaborare il lattosio se il glucosio fosse abbondante o il lattosio non fosse disponibile. Va detto che l'operone lac viene trascritto a una velocità molto bassa anche quando il glucosio è presente e il lattosio è assente.
Esercizio: In E. coli , l' operone trp è acceso di default, mentre l' operone lac è spento. Perché pensi che sia così?
Se è presente glucosio, CAP non riesce a legarsi alla sequenza promotore per attivare la trascrizione. Se è assente il lattosio, il repressore si lega all'operatore per impedire la trascrizione. Se una di queste condizioni è soddisfatta, la trascrizione rimane disattivata. Solo quando il glucosio è assente e il lattosio è presente, l' operone lac viene trascritto a una velocità maggiore. Se sono presenti sia glucosio che lattosio, la velocità di trascrizione è bassa poiché CAP non è legato per promuovere velocità massime di trascrizione dell'operone lac ( Tabella sotto).
Segnali che inducono o reprimono la trascrizione dell'operone lac
| Glucosio | La PAC si lega | Lattosio | Legami del repressore | Trascrizione |
| + | - | - | + | NO |
| + | - | + | - | Alcuni |
| - | + | - | + | NO |
| - | + | + | - | SÌ |

#### Collegamento all'apprendimento

Guarda qui un tutorial animato sul funzionamento dell'operone lac .

## Regolazione epigenetica dei geni eucariotici

L'espressione genica eucariotica è più complessa di quella procariotica perché i processi di trascrizione e traduzione sono fisicamente separati. A differenza delle cellule procariotiche, le cellule eucariotiche possono regolare l'espressione genica a molti livelli diversi. I cambiamenti epigenetici sono cambiamenti ereditari nell'espressione genica che non derivano da cambiamenti nella sequenza del DNA. L'espressione genica eucariotica inizia con il controllo dell'accesso al DNA. L'accesso trascrizionale al DNA può essere controllato in due modi generali: rimodellamento della cromatina e metilazione del DNA. Il rimodellamento della cromatina cambia il modo in cui il DNA è associato agli istoni cromosomici. La metilazione del DNA è associata a cambiamenti dello sviluppo e silenziamento genico.
Il genoma umano codifica oltre 20.000 geni, con centinaia o migliaia di geni su ciascuno dei 23 cromosomi umani. Il DNA nel nucleo è avvolto, piegato e compattato con precisione in cromosomi in modo che si adatti al nucleo. È anche organizzato in modo che segmenti specifici possano essere accessibili in base alle necessità di uno specifico tipo di cellula.
Il primo livello di organizzazione, o impacchettamento , è l'avvolgimento dei filamenti di DNA attorno alle proteine ​​istoniche. Gli istoni impacchettano e ordinano il DNA in unità strutturali chiamate complessi nucleosomiali, che possono controllare l'accesso delle proteine ​​alle regioni del DNA ( Figura sotto a). Al microscopio elettronico, questo avvolgimento del DNA attorno alle proteine ​​istoniche per formare i nucleosomi sembra piccole perle su una corda ( Figura sotto b).
Queste perle (proteine ​​istoniche) possono muoversi lungo la corda (DNA) per esporre diverse sezioni della molecola. Se il DNA che codifica un gene specifico deve essere trascritto in RNA, i nucleosomi che circondano quella regione di DNA possono scivolare lungo il DNA per aprire quella specifica regione cromosomica e consentire al macchinario trascrizionale (RNA polimerasi) di avviare la trascrizione ( Figura sotto).
Esercizio: Nelle femmine, uno dei due cromosomi X viene inattivato durante lo sviluppo embrionale a causa di cambiamenti epigenetici della cromatina. Quale impatto pensi che questi cambiamenti avrebbero sull'impacchettamento dei nucleosomi?
Quanto strettamente le proteine ​​istoniche si associano al DNA è regolato da segnali trovati sia sulle proteine ​​istoniche che sul DNA. Questi segnali sono gruppi funzionali aggiunti alle proteine ​​istoniche o al DNA e determinano se una regione cromosomica deve essere aperta o chiusa (la Figura 16.9 illustra le modifiche alle proteine ​​istoniche e al DNA). Questi tag non sono permanenti, ma possono essere aggiunti o rimossi a seconda delle necessità. Alcuni gruppi chimici (gruppi fosfato, metile o acetile) sono attaccati a specifici amminoacidi nelle "code" degli istoni all'estremità N-terminale della proteina. Questi gruppi non alterano la sequenza di basi del DNA, ma alterano quanto strettamente il DNA è avvolto attorno alle proteine ​​istoniche. Il DNA è una molecola carica negativamente e gli istoni non modificati sono caricati positivamente; pertanto, i cambiamenti nella carica dell'istone cambieranno quanto strettamente sarà avvolta la molecola di DNA. Aggiungendo modifiche chimiche come i gruppi acetile, la carica diventa meno positiva e il legame del DNA agli istoni si allenta. Alterando la posizione dei nucleosomi e la forza del legame degli istoni, alcune regioni della cromatina vengono aperte alla trascrizione e altre ne vengono chiuse.
La molecola di DNA stessa può anche essere modificata dalla metilazione. La metilazione del DNA avviene all'interno di regioni molto specifiche chiamate isole CpG. Si tratta di tratti con un'alta frequenza di coppie di DNA dinucleotidi citosina e guanina (CG) che si trovano nelle regioni promotrici dei geni. Il membro citosina della coppia CG può essere metilato (viene aggiunto un gruppo metilico). I geni metilati sono solitamente silenziati, sebbene la metilazione possa avere altri effetti regolatori. In alcuni casi, i geni che vengono silenziati durante lo sviluppo dei gameti di un genitore vengono trasmessi nella loro condizione silenziata alla prole. Si dice che tali geni siano impressi. Anche la dieta dei genitori o altre condizioni ambientali possono influenzare i modelli di metilazione dei geni, che a loro volta modificano l'espressione genica. I cambiamenti nell'organizzazione della cromatina interagiscono con la metilazione del DNA. Le DNA metiltransferasi sembrano essere attratte da regioni della cromatina con specifiche modifiche degli istoni. Le regioni di DNA altamente metilate ( ipermetilate ) con istoni deacetilati sono strettamente avvolte e trascrizionalmente inattive.
I cambiamenti epigenetici non sono permanenti, sebbene spesso persistono attraverso più cicli di divisione cellulare e possano persino attraversare linee generazionali. Il rimodellamento della cromatina altera la struttura cromosomica (aperta o chiusa) a seconda delle necessità. Se un gene deve essere trascritto, le proteine ​​istoniche e il DNA nella regione cromosomica che codifica quel gene vengono modificati in modo da aprire la regione del promotore per consentire alla RNA polimerasi e ad altre proteine, chiamate fattori di trascrizione , di legarsi e avviare la trascrizione. Se un gene deve rimanere spento o silenziato, le proteine ​​istoniche e il DNA hanno diverse modifiche che segnalano una configurazione cromosomica chiusa. In questa configurazione chiusa, la RNA polimerasi e i fattori di trascrizione non hanno accesso al DNA e la trascrizione non può avvenire ( Figura sopra).

#### Collegamento all'apprendimento

Guarda questo video che descrive come la regolazione epigenetica controlla l'espressione genica.

## Regolazione genica post-trascrizionale eucariotica

Come le cellule procariotiche, la trascrizione dei geni negli eucarioti richiede l'azione di una RNA polimerasi per legarsi a una sequenza di DNA a monte di un gene per avviare la trascrizione. Tuttavia, a differenza delle cellule procariotiche, la RNA polimerasi eucariotica richiede altre proteine, o fattori di trascrizione, per facilitare l'inizio della trascrizione. La RNA polimerasi da sola non può avviare la trascrizione nelle cellule eucariotiche. Esistono due tipi di fattori di trascrizione che regolano la trascrizione eucariotica: i fattori di trascrizione generali (o basali) si legano alla regione del promotore centrale per aiutare il legame della RNA polimerasi. I fattori di trascrizione specifici si legano a varie regioni al di fuori della regione del promotore centrale e interagiscono con le proteine ​​nel promotore centrale per migliorare o reprimere l'attività della polimerasi.

#### Collegamento all'apprendimento

Osserva il processo di trascrizione, ovvero la creazione di RNA da uno stampo di DNA.

### Il promotore e il meccanismo di trascrizione

I geni sono organizzati per rendere più semplice il controllo dell'espressione genica. La regione del promotore è immediatamente a monte della sequenza codificante. Questa regione può essere corta (lunga solo pochi nucleotidi) o piuttosto lunga (lunga centinaia di nucleotidi). Più lungo è il promotore, più spazio disponibile per le proteine ​​per legarsi. Ciò aggiunge anche più controllo al processo di trascrizione. La lunghezza del promotore è specifica del gene e può differire notevolmente tra i geni. Di conseguenza, anche il livello di controllo dell'espressione genica può differire notevolmente tra i geni. Lo scopo del promotore è legare i fattori di trascrizione che controllano l'inizio della trascrizione.
All'interno della regione del promotore centrale, da 25 a 35 basi a monte del sito di inizio trascrizionale, risiede il TATA box. Il TATA box ha la sequenza di consenso 5'-TATAAA-3'. Il TATA box è il sito di legame per un complesso proteico chiamato TFIID, che contiene una proteina legante TATA. Il legame di TFIID recluta altri fattori di trascrizione, tra cui TFIIB, TFIIE, TFIIF e TFIIH. Alcuni di questi fattori di trascrizione aiutano a legare l'RNA polimerasi al promotore, e altri aiutano ad attivare il complesso di inizio trascrizione.
Oltre al box TATA, in alcuni promotori si trovano altri siti di legame. Alcuni biologi preferiscono limitare l'intervallo del promotore eucariotico al promotore centrale, o sito di legame della polimerasi, e si riferiscono a questi siti aggiuntivi come elementi promotore-prossimali, perché di solito si trovano entro poche centinaia di coppie di basi a monte del sito di inizio trascrizionale. Esempi di questi elementi sono il box CAAT, con la sequenza consenso 5'-CCAAT-3' e il box GC, con la sequenza consenso 5'-GGGCGG-3'. Specifici fattori di trascrizione possono legarsi a questi elementi promotore-prossimali per regolare la trascrizione genica. Un dato gene può avere la sua combinazione di questi specifici siti di legame del fattore di trascrizione. Ci sono centinaia di fattori di trascrizione in una cellula, ognuno dei quali si lega specificamente a un particolare motivo di sequenza del DNA. Quando i fattori di trascrizione si legano al promotore appena a monte del gene codificato, si parla di elemento cis-acting , perché si trova sullo stesso cromosoma appena accanto al gene. I fattori di trascrizione rispondono agli stimoli ambientali che fanno sì che le proteine ​​trovino i loro siti di legame e inizino la trascrizione del gene necessario.

### Potenziatori e trascrizione

In alcuni geni eucariotici, ci sono regioni aggiuntive che aiutano ad aumentare o migliorare la trascrizione. Queste regioni, chiamate enhancer , non sono necessariamente vicine ai geni che migliorano. Possono essere localizzate a monte di un gene, all'interno della regione codificante del gene, a valle di un gene o possono essere distanti migliaia di nucleotidi.
Le regioni enhancer sono sequenze di legame, o siti, per specifici fattori di trascrizione. Quando un fattore di trascrizione proteico si lega alla sua sequenza enhancer, la forma della proteina cambia, consentendole di interagire con le proteine ​​nel sito promotore. Tuttavia, poiché la regione enhancer può essere distante dal promotore, il DNA deve piegarsi per consentire alle proteine ​​nei due siti di entrare in contatto. Le proteine ​​di piegatura del DNA aiutano a piegare il DNA e a unire le regioni enhancer e promotore ( Figura sotto). Questo cambiamento di forma consente l'interazione delle proteine ​​attivatrici specifiche legate agli enhancer con i fattori di trascrizione generali legati alla regione promotore e all'RNA polimerasi.

### Disattivare i geni: repressori trascrizionali

Come le cellule procariotiche, anche le cellule eucariotiche hanno meccanismi per prevenire la trascrizione. I repressori trascrizionali possono legarsi alle regioni promotore o potenziatore e bloccare la trascrizione. Come gli attivatori trascrizionali, i repressori rispondono agli stimoli esterni per prevenire il legame dei fattori di trascrizione attivanti.

## Regolazione genica post-trascrizionale eucariotica

L'RNA viene trascritto, ma deve essere elaborato in una forma matura prima che la traduzione possa iniziare. Questa elaborazione che avviene dopo che una molecola di RNA è stata trascritta, ma prima che venga tradotta in una proteina, è chiamata modificazione post-trascrizionale . Come per le fasi epigenetiche e trascrizionali dell'elaborazione, anche questo passaggio post-trascrizionale può essere regolato per controllare l'espressione genica nella cellula. Se l'RNA non viene elaborato, trasportato o tradotto, non verrà sintetizzata alcuna proteina.
Nelle cellule eucariotiche, la trascrizione dell'RNA contiene spesso regioni, chiamate introni, che vengono rimosse prima della traduzione. Le regioni dell'RNA che codificano per le proteine ​​sono chiamate esoni . ( Figura sotto). Dopo che una molecola di RNA è stata trascritta, ma prima che lasci il nucleo per essere tradotta, l'RNA viene elaborato e gli introni vengono rimossi tramite splicing. Lo splicing viene eseguito dagli spliceosomi, complessi ribonucleoproteici che possono riconoscere le due estremità dell'introne, tagliare la trascrizione in quei due punti e unire gli esoni per la legatura.

### Splicing alternativo dell'RNA

Negli anni '70, sono stati osservati per la prima volta geni che esibivano splicing alternativo dell'RNA. Lo splicing alternativo dell'RNA è un meccanismo che consente la produzione di diversi prodotti proteici da un gene quando diverse combinazioni di esoni vengono combinate per formare l'mRNA ( Figura sotto). Questo splicing alternativo può essere casuale, ma più spesso è controllato e agisce come un meccanismo di regolazione genica , con la frequenza di diverse alternative di splicing controllate dalla cellula come un modo per controllare la produzione di diversi prodotti proteici in cellule diverse o in diverse fasi di sviluppo. Lo splicing alternativo è ora considerato un meccanismo comune di regolazione genica negli eucarioti; secondo una stima, il 70 percento dei geni negli esseri umani è espresso come proteine ​​multiple tramite splicing alternativo. Sebbene esistano diversi modi per effettuare lo splicing alternativo dei trascritti di RNA, l'ordine 5'-3' originale degli esoni è sempre conservato . Ciò significa che una trascrizione con gli esoni 1 2 3 4 5 6 7 potrebbe essere giuntata 1 2 4 5 6 7 o 1 2 3 6 7, ma mai 1 2 5 4 3 6 7.
Come potrebbe evolversi lo splicing alternativo? Gli introni hanno una sequenza di riconoscimento iniziale e finale; è facile immaginare il fallimento del meccanismo di splicing nell'identificare la fine di un introne e invece trovare la fine dell'introne successivo, rimuovendo così due introni e l'esone intermedio. In effetti, ci sono meccanismi in atto per impedire tale salto di introni, ma è probabile che le mutazioni portino al loro fallimento. Tali "errori" produrrebbero molto probabilmente una proteina non funzionale. In effetti, la causa di molte malattie genetiche è lo splicing anomalo piuttosto che le mutazioni in una sequenza codificante. Tuttavia, lo splicing alternativo potrebbe eventualmente creare una variante proteica senza la perdita della proteina originale, aprendo possibilità di adattamento della nuova variante a nuove funzioni. La duplicazione genica ha svolto un ruolo importante nell'evoluzione di nuove funzioni in modo simile, fornendo geni che possono evolversi senza eliminare la proteina originale funzionale.
Esercizio: Nel serpente del grano Pantherophis guttatus , ci sono diverse varianti di colore, tra cui serpenti amelanici i cui modelli di pelle mostrano solo pigmenti rossi e gialli. La causa dell'amelanismo in questi serpenti è stata recentemente identificata come l'inserimento di un elemento trasponibile in un introne nel gene OCA2 (albinismo oculocutaneo). In che modo l'inserimento di materiale genetico extra in un introne potrebbe portare a una proteina non funzionale?

#### Collegamento all'apprendimento

Visualizza come avviene lo splicing dell'mRNA osservando il processo in azione in questo video.

#### Controllo della stabilità dell'RNA

Prima che l'mRNA lasci il nucleo, gli vengono dati due "cappucci" protettivi che impediscono alle estremità del filamento di degradarsi durante il suo viaggio. Le esonucleasi 5' e 3' possono degradare gli RNA non protetti. Il cappuccio 5' , che è posto all'estremità 5' dell'mRNA, è solitamente composto da una molecola di guanosina trifosfato metilata (GTP). Il GTP è posto "all'indietro" sull'estremità 5' dell'mRNA, in modo che i carboni 5' del GTP e il nucleotide terminale siano collegati tramite tre fosfati. La coda di poli-A , che è attaccata all'estremità 3', è solitamente composta da una lunga catena di nucleotidi adenina. Questi cambiamenti proteggono le due estremità dell'RNA dall'attacco dell'esonucleasi.
Una volta che l'RNA viene trasportato nel citoplasma, la durata della sua permanenza può essere controllata. Ogni molecola di RNA ha una durata di vita definita e decade a una velocità specifica. Questa velocità di decadimento può influenzare la quantità di proteine ​​presenti nella cellula. Se la velocità di decadimento aumenta, l'RNA non rimarrà nel citoplasma per molto tempo, riducendo il tempo disponibile per la traduzione dell'mRNA. Al contrario, se la velocità di decadimento diminuisce, la molecola di mRNA risiederà nel citoplasma più a lungo e sarà possibile tradurre più proteine. Questa velocità di decadimento è definita stabilità dell'RNA. Se l'RNA è stabile, verrà rilevato per periodi di tempo più lunghi nel citoplasma.
Il legame delle proteine ​​all'RNA può anche influenzare la sua stabilità. Le proteine ​​chiamate proteine ​​leganti l'RNA , o RBP, possono legarsi alle regioni dell'mRNA appena a monte o a valle della regione codificante la proteina. Queste regioni nell'RNA che non vengono tradotte in proteina sono chiamate regioni non tradotte , o UTR. Non sono introni (quelli sono stati rimossi nel nucleo). Piuttosto, queste sono regioni che regolano la localizzazione, la stabilità e la traduzione dell'mRNA. La regione appena prima della regione codificante la proteina è chiamata 5' UTR , mentre la regione dopo la regione codificante è chiamata 3' UTR ( Figura sotto). Il legame delle RBP a queste regioni può aumentare o diminuire la stabilità di una molecola di RNA, a seconda della RBP specifica che si lega.

### Stabilità dell'RNA e microRNA

Oltre alle RBP che si legano e controllano (aumentano o diminuiscono) la stabilità dell'RNA, altri elementi chiamati microRNA possono legarsi alla molecola di RNA. Questi microRNA , o miRNA, sono brevi molecole di RNA lunghe solo da 21 a 24 nucleotidi. I miRNA vengono prodotti nel nucleo come pre-miRNA più lunghi. Questi pre-miRNA vengono tagliati in miRNA maturi da una proteina chiamata Dicer . Come i fattori di trascrizione e le RBP, i miRNA maturi riconoscono una sequenza specifica e si legano all'RNA; tuttavia, i miRNA si associano anche a un complesso ribonucleoproteico chiamato complesso di silenziamento indotto dall'RNA (RISC) . Il componente RNA del RISC si accoppia a sequenze complementari su un mRNA e impedisce la traduzione del messaggio o porta alla degradazione dell'mRNA.

## Regolazione genica eucariotica traslazionale e post-traduzionale

Dopo che l'RNA è stato trasportato nel citoplasma, viene tradotto in proteina. Il controllo di questo processo dipende in larga parte dalla molecola di RNA. Come discusso in precedenza, la stabilità dell'RNA avrà un impatto notevole sulla sua traduzione in una proteina. Man mano che la stabilità cambia, cambia anche la quantità di tempo in cui è disponibile per la traduzione.

### Il complesso di iniziazione e il tasso di traduzione

Come la trascrizione, la traduzione è controllata da proteine ​​che legano e avviano il processo. Nella traduzione, il complesso che si assembla per avviare il processo è denominato complesso di inizio della traduzione . Negli eucarioti, la traduzione è avviata legando il met-tRNAi di inizio al ribosoma 40S. Questo tRNA viene portato al ribosoma 40S da un fattore di inizio proteico, il fattore di inizio eucariotico-2 (eIF-2) . La proteina eIF-2 si lega alla molecola ad alta energia guanosina trifosfato (GTP) . Il complesso tRNA-eIF2-GTP si lega quindi al ribosoma 40S. Un secondo complesso si forma sull'mRNA. Diversi fattori di inizio riconoscono il cappuccio 5' dell'mRNA e le proteine ​​legate alla coda poli-A dello stesso mRNA, formando l'mRNA in un loop. La proteina di legame al cappuccio eIF4F unisce il complesso mRNA al complesso ribosoma 40S. Il ribosoma quindi scansiona lungo l'mRNA finché non trova un codone di inizio AUG. Quando l'anticodone del tRNA iniziatore e il codone di inizio sono allineati, il GTP viene idrolizzato, i fattori di inizio vengono rilasciati e la grande subunità ribosomiale 60S si lega per formare il complesso di traduzione. Il legame di eIF-2 all'RNA è controllato dalla fosforilazione. Se eIF-2 è fosforilato, subisce un cambiamento conformazionale e non può legarsi al GTP. Pertanto, il complesso di inizio non può formarsi correttamente e la traduzione è impedita ( Figura sotto). Quando eIF-2 rimane non fosforilato, il complesso di inizio può formarsi normalmente e la traduzione può procedere.
Esercizio: Un aumento dei livelli di fosforilazione di eIF-2 è stato osservato in pazienti con malattie neurodegenerative come Alzheimer, Parkinson e Huntington. Quale impatto pensi che questo possa avere sulla sintesi proteica?

### Modifiche chimiche, attività proteica e longevità

Le proteine ​​possono essere modificate chimicamente con l'aggiunta di gruppi tra cui gruppi metile, fosfato, acetile e ubiquitina. L'aggiunta o la rimozione di questi gruppi dalle proteine ​​regola la loro attività o la durata della loro esistenza nella cellula. A volte queste modifiche possono regolare dove si trova una proteina nella cellula, ad esempio nel nucleo, nel citoplasma o attaccata alla membrana plasmatica.
Le modifiche chimiche si verificano in risposta a stimoli esterni come stress, mancanza di nutrienti, calore o esposizione alla luce ultravioletta. Questi cambiamenti possono alterare l'accessibilità epigenetica, la trascrizione, la stabilità dell'mRNA o la traduzione, il tutto determinando cambiamenti nell'espressione di vari geni. Questo è un modo efficiente per la cellula di modificare rapidamente i livelli di proteine ​​specifiche in risposta all'ambiente. Poiché le proteine ​​sono coinvolte in ogni fase della regolazione genica, la fosforilazione di una proteina (a seconda della proteina modificata) può alterare l'accessibilità al cromosoma, può alterare la traduzione (alterando il legame o la funzione del fattore di trascrizione), può modificare lo spostamento nucleare (influenzando le modifiche al complesso del poro nucleare), può alterare la stabilità dell'RNA (legandosi o meno all'RNA per regolarne la stabilità), può modificare la traduzione (aumentando o diminuendo) o può modificare le modifiche post-traduzionali (aggiungendo o rimuovendo fosfati o altre modifiche chimiche).
L'aggiunta di un gruppo ubiquitina a una proteina contrassegna quella proteina per la degradazione. L'ubiquitina agisce come una bandiera che indica che la durata di vita della proteina è completa. Queste proteine ​​vengono spostate nel proteasoma , un organello che funziona per rimuovere le proteine, per essere degradate ( Figura sotto). Un modo per controllare l'espressione genica, quindi, è quello di alterare la longevità della proteina.

## Cancro e regolazione genica

Il cancro non è una malattia singola, ma comprende molte malattie diverse. Nelle cellule cancerose, le mutazioni modificano il controllo del ciclo cellulare e le cellule non smettono di crescere come farebbero normalmente. Le mutazioni possono anche alterare il tasso di crescita o la progressione della cellula attraverso il ciclo cellulare. Un esempio di una modifica genetica che altera il tasso di crescita è l'aumento della fosforilazione della ciclina B, una proteina che controlla la progressione di una cellula attraverso il ciclo cellulare e funge da proteina di checkpoint del ciclo cellulare.
Per far sì che le cellule si muovano attraverso ogni fase del ciclo cellulare, la cellula deve passare attraverso dei checkpoint. Ciò assicura che la cellula abbia completato correttamente il passaggio e non abbia incontrato alcuna mutazione che ne alteri la funzione. Molte proteine, tra cui la ciclina B, controllano questi checkpoint. La fosforilazione della ciclina B, un evento post-traduzionale, ne altera la funzione. Di conseguenza, le cellule possono progredire attraverso il ciclo cellulare senza impedimenti, anche se nella cellula sono presenti delle mutazioni e la sua crescita dovesse essere interrotta. Questo cambiamento post-traduzionale della ciclina B le impedisce di controllare il ciclo cellulare e contribuisce allo sviluppo del cancro.
Il cancro può essere descritto come una malattia da alterata espressione genica. Ci sono molte proteine ​​che vengono attivate o disattivate (attivazione genica o silenziamento genico) che alterano drasticamente l'attività complessiva della cellula. Un gene che non è normalmente espresso in quella cellula può essere attivato ed espresso ad alti livelli. Questo può essere il risultato di una mutazione genica o di cambiamenti nella regolazione genica (epigenetica, trascrizione, post-trascrizione, traduzione o post-traduzione).
Cambiamenti nella regolazione epigenetica, nella trascrizione, nella stabilità dell'RNA, nella traduzione proteica e nel controllo post-traduzionale possono essere rilevati nel cancro. Mentre questi cambiamenti non si verificano simultaneamente in un cancro, cambiamenti a ciascuno di questi livelli possono essere rilevati quando si osserva il cancro in siti diversi in individui diversi. Pertanto, cambiamenti nell'acetilazione degli istoni (modifica epigenetica che porta all'espressione genica), attivazione dei fattori di trascrizione tramite fosforilazione, maggiore stabilità dell'RNA, maggiore controllo traduzionale e modifica delle proteine ​​possono essere tutti rilevati a un certo punto in varie cellule tumorali. Gli scienziati stanno lavorando per comprendere i cambiamenti comuni che danno origine a determinati tipi di cancro o come una modifica potrebbe essere sfruttata per distruggere una cellula tumorale.

### Geni oncosoppressori, oncogeni e cancro

Nelle cellule normali, alcuni geni funzionano per prevenire una crescita cellulare eccessiva e inappropriata. Si tratta di geni oncosoppressori, che sono attivi nelle cellule normali per prevenire una crescita cellulare incontrollata. Ci sono molti geni oncosoppressori nelle cellule. Il gene oncosoppressore più studiato è p53, che è mutato in oltre il 50 percento di tutti i tipi di cancro. La proteina p53 stessa funziona come un fattore di trascrizione. Può legarsi a siti nei promotori dei geni per avviare la trascrizione. Pertanto, la mutazione di p53 nel cancro altererà drasticamente l'attività trascrizionale dei suoi geni bersaglio.

#### Collegamento all'apprendimento

Guarda questa animazione per saperne di più sull'uso del p53 nella lotta contro il cancro.
I proto-oncogeni sono regolatori positivi del ciclo cellulare. Quando mutati, i proto-oncogeni possono diventare oncogeni e causare il cancro. La sovraespressione dell'oncogene può portare a una crescita cellulare incontrollata. Questo perché gli oncogeni possono alterare l'attività trascrizionale, la stabilità o la traduzione proteica di un altro gene che controlla direttamente o indirettamente la crescita cellulare. Un esempio di oncogene coinvolto nel cancro è una proteina chiamata myc. Myc è un fattore di trascrizione che viene attivato in modo anomalo nel linfoma di Burkett, un cancro del sistema linfatico. La sovraespressione di myc trasforma le normali cellule B in cellule cancerose che continuano a crescere in modo incontrollato. Un numero elevato di cellule B può causare tumori che possono interferire con le normali funzioni corporee. I pazienti con linfoma di Burkett possono sviluppare tumori sulla mascella o nella bocca che interferiscono con la capacità di mangiare.

### Cancro e alterazioni epigenetiche

Anche il silenziamento dei geni tramite meccanismi epigenetici è molto comune nelle cellule tumorali. Ci sono modifiche caratteristiche alle proteine ​​istoniche e al DNA che sono associate ai geni silenziati. Nelle cellule tumorali, il DNA nella regione del promotore dei geni silenziati è metilato sui residui di DNA di citosina nelle isole CpG. Le proteine ​​istoniche che circondano quella regione non hanno la modifica di acetilazione che è presente quando i geni sono espressi nelle cellule normali. Questa combinazione di metilazione del DNA e deacetilazione degli istoni (modifiche epigenetiche che portano al silenziamento genico) si trova comunemente nel cancro. Quando si verificano queste modifiche, il gene presente in quella regione cromosomica viene silenziato. Sempre più scienziati capiscono come i cambiamenti epigenetici vengono alterati nel cancro. Poiché questi cambiamenti sono temporanei e possono essere invertiti, ad esempio impedendo l'azione della proteina istone deacetilasi che rimuove i gruppi acetile, o dagli enzimi DNA metil transferasi che aggiungono gruppi metilici alle citosine nel DNA, è possibile progettare nuovi farmaci e nuove terapie per sfruttare la natura reversibile di questi processi. In effetti, molti ricercatori stanno testando come un gene silenziato può essere riattivato in una cellula cancerosa per aiutare a ristabilire normali modelli di crescita.
Si ritiene che i geni coinvolti nello sviluppo di molte altre malattie, che vanno dalle allergie all'infiammazione all'autismo, siano regolati da meccanismi epigenetici. Man mano che la nostra conoscenza di come i geni vengono controllati si approfondisce, emergeranno nuovi modi per curare malattie come il cancro.

### Cancro e controllo trascrizionale

Le alterazioni nelle cellule che danno origine al cancro possono influenzare il controllo trascrizionale dell'espressione genica. Le mutazioni che attivano i fattori di trascrizione, come l'aumento della fosforilazione, possono aumentare il legame di un fattore di trascrizione al suo sito di legame in un promotore. Ciò potrebbe portare a un'attivazione trascrizionale aumentata di quel gene che si traduce in una crescita cellulare modificata. In alternativa, una mutazione nel DNA di un promotore o di una regione enhancer può aumentare la capacità di legame di un fattore di trascrizione. Ciò potrebbe anche portare all'aumento della trascrizione e all'espressione genica aberrante che si osserva nelle cellule tumorali.
I ricercatori hanno studiato come controllare l'attivazione trascrizionale dell'espressione genica nel cancro. Identificare come si lega un fattore di trascrizione, o un percorso che si attiva dove un gene può essere disattivato, ha portato a nuovi farmaci e nuovi modi per curare il cancro. Nel cancro al seno, ad esempio, molte proteine ​​sono sovraespresse. Ciò può portare a una maggiore fosforilazione di fattori di trascrizione chiave che aumentano la trascrizione. Un esempio del genere è la sovraespressione del recettore del fattore di crescita epidermico (EGFR) in un sottoinsieme di tumori al seno. Il percorso EGFR attiva molte proteine ​​chinasi che, a loro volta, attivano molti fattori di trascrizione che controllano i geni coinvolti nella crescita cellulare. Sono stati sviluppati nuovi farmaci che prevengono l'attivazione di EGFR e vengono utilizzati per curare questi tumori.

### Cancro e controllo post-trascrizionale

Anche i cambiamenti nel controllo post-trascrizionale di un gene possono causare il cancro. Di recente, diversi gruppi di ricercatori hanno dimostrato che specifici tumori hanno un'espressione alterata dei miRNA. Poiché i miRNA si legano al 3' UTR delle molecole di RNA per degradarle, la sovraespressione di questi miRNA potrebbe essere dannosa per la normale attività cellulare. Troppi miRNA potrebbero ridurre drasticamente la popolazione di RNA, portando a una diminuzione dell'espressione proteica. Diversi studi hanno dimostrato un cambiamento nella popolazione di miRNA in specifici tipi di cancro. Sembra che il sottoinsieme di miRNA espresso nelle cellule del cancro al seno sia piuttosto diverso dal sottoinsieme espresso nelle cellule del cancro al polmone o persino dalle normali cellule del seno. Ciò suggerisce che le alterazioni nell'attività dei miRNA possono contribuire alla crescita delle cellule del cancro al seno. Questi tipi di studi suggeriscono anche che se alcuni miRNA sono espressi specificamente solo nelle cellule tumorali, potrebbero essere potenziali bersagli farmacologici. Sarebbe quindi concepibile che nuovi farmaci che disattivano l'espressione dei miRNA nel cancro potrebbero essere un metodo efficace per curare il cancro.

### Cancro e controllo traslazionale/post-traduzionale

Ci sono molti esempi di come le modifiche traslazionali o post-traduzionali delle proteine ​​si verificano nel cancro. Le modifiche si trovano nelle cellule cancerose dall'aumentata traduzione di una proteina ai cambiamenti nella fosforilazione proteica alle varianti di splicing alternative di una proteina. Un esempio di come l'espressione di una forma alternativa di una proteina possa avere esiti radicalmente diversi si vede nelle cellule del cancro del colon. La proteina c-Flip, una proteina coinvolta nella mediazione del percorso di morte cellulare, si presenta in due forme: lunga (c-FLIPL) e corta (c-FLIPS). Entrambe le forme sembrano essere coinvolte nell'avvio di meccanismi di morte cellulare controllata nelle cellule normali. Tuttavia, nelle cellule del cancro del colon, l'espressione della forma lunga determina un aumento della crescita cellulare invece della morte cellulare. Chiaramente, l'espressione della proteina sbagliata altera radicalmente la funzione cellulare e contribuisce allo sviluppo del cancro.
* Nuovi farmaci per combattere il cancro: terapie mirate
* Gli scienziati stanno utilizzando ciò che si sa sulla regolazione dell'espressione genica negli stati di malattia, incluso il cancro, per sviluppare nuovi modi per trattare e prevenire lo sviluppo della malattia. Molti scienziati stanno progettando farmaci sulla base dei modelli di espressione genica all'interno dei singoli tumori. Questa idea, che la terapia e i farmaci possano essere adattati a un individuo, ha dato origine al campo della medicina personalizzata. Con una maggiore comprensione della regolazione genica e della funzione genica, i farmaci possono essere progettati per colpire specificamente le cellule malate senza danneggiare le cellule sane. Alcuni nuovi farmaci, chiamati terapie mirate, hanno sfruttato la sovraespressione di una proteina specifica o la mutazione di un gene per sviluppare un nuovo farmaco per curare la malattia. Un esempio del genere è l'uso di farmaci anti-recettore EGF per trattare il sottoinsieme di tumori al seno che hanno livelli molto elevati della proteina EGF. Indubbiamente, verranno sviluppate più terapie mirate man mano che gli scienziati impareranno di più su come i cambiamenti nell'espressione genica possono causare il cancro