Definire il termine regolazione in quanto si applica ai geni

Affinché una cellula funzioni correttamente, le proteine necessarie devono essere sintetizzate al momento giusto. Tutte le cellule controllano o regolano la sintesi delle proteine da 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., Perché ciò accada, ci deve essere un meccanismo per controllare quando un gene è espresso per produrre RNA e proteine, quanta parte della proteina è 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 quantità significativa di energia per un organismo per esprimere ogni gene in ogni momento, quindi è più efficiente dal punto di vista energetico per accendere i geni solo quando sono necessari., Inoltre, solo esprimere un sottoinsieme di geni in ogni cellula consente di risparmiare spazio perché il DNA deve essere svolto dalla sua struttura strettamente arrotolata per trascrivere e tradurre il DNA. Le cellule dovrebbero essere enormi se ogni proteina fosse espressa in ogni cellula tutto il tempo.

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, incluso il cancro.,

Espressione dei geni

Affinché una cellula funzioni correttamente, le proteine necessarie devono essere sintetizzate al momento giusto. Tutte le cellule controllano o regolano la sintesi delle proteine da 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. Perché ciò accada, ci deve essere un meccanismo per controllare quando un gene è espresso per produrre RNA e proteine, quanta parte della proteina è 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 quantità significativa di energia per un organismo per esprimere ogni gene in ogni momento, quindi è più efficiente dal punto di vista energetico per accendere i geni solo quando sono necessari. Inoltre, solo esprimere un sottoinsieme di geni in ogni cellula consente di risparmiare spazio perché il DNA deve essere svolto dalla sua struttura strettamente arrotolata per trascrivere e tradurre il DNA. Le cellule dovrebbero essere enormi se ogni proteina fosse espressa in ogni cellula tutto il tempo.

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, incluso il cancro.

La regolazione genica rende le cellule diverse

La regolazione genica è il modo in cui una cellula controlla quali geni, tra i molti geni del suo genoma, sono “accesi” (espressi). Grazie alla regolazione genica, ogni tipo di cellula nel tuo corpo ha un diverso insieme di geni attivi—nonostante il fatto che quasi tutte le cellule del tuo corpo contengano lo stesso identico DNA., Questi diversi modelli di espressione genica fanno sì che i vari tipi di cellule abbiano diversi set di proteine, rendendo ogni tipo di cellula unicamente specializzato per fare il suo lavoro.

Ad esempio, uno dei lavori del fegato è quello di rimuovere sostanze tossiche come l’alcol dal flusso sanguigno. Per fare questo, le cellule del fegato esprimono geni che codificano subunità (pezzi) di un enzima chiamato alcol deidrogenasi. Questo enzima rompe l’alcol in una molecola non tossica. I neuroni nel cervello di una persona non rimuovono le tossine dal corpo, quindi mantengono questi geni inespressi o “spenti.,”Allo stesso modo, le cellule del fegato non inviano segnali usando neurotrasmettitori, quindi mantengono i geni dei neurotrasmettitori spenti (Figura 1).

Figura 1. Diverse cellule hanno geni diversi ” acceso.”

Ci sono molti altri geni che sono espressi in modo diverso tra cellule epatiche e neuroni (o due tipi di cellule in un organismo multicellulare come te).

In che modo le cellule “decidono” quali geni accendere?

Ora c’è una domanda difficile! Molti fattori che possono influenzare quali geni esprime una cellula., Diversi tipi di cellule esprimono diversi set di geni, come abbiamo visto sopra. Tuttavia, due diverse cellule dello stesso tipo possono anche avere diversi modelli di espressione genica a seconda del loro ambiente e dello stato interno.

In linea di massima, possiamo dire che il modello di espressione genica di una cellula è determinato dalle informazioni sia all’interno che all’esterno della cellula.

• Esempi di informazioni dall’interno della cellula: le proteine che ha ereditato dalla sua cellula madre, se il suo DNA è danneggiato e quanto ATP ha.,
• Esempi di informazioni dall’esterno della cellula: segnali chimici da altre cellule, segnali meccanici dalla matrice extracellulare e livelli di nutrienti.

In che modo questi segnali aiutano una cellula a “decidere” quali geni esprimere? Le cellule non prendono decisioni nel senso che tu o io lo faremmo. Invece, hanno percorsi molecolari che convertono le informazioni—come il legame di un segnale chimico al suo recettore-in un cambiamento nell’espressione genica.

Ad esempio, consideriamo come le cellule rispondono ai fattori di crescita., Un fattore di crescita è un segnale chimico proveniente da una cellula vicina che istruisce una cellula bersaglio a crescere e dividersi. Potremmo dire che la cellula “nota” il fattore di crescita e “decide” di dividere, ma come si verificano effettivamente questi processi?

Figura 2. Fattore di crescita spingendo la divisione cellulare

• La cellula rileva il fattore di crescita attraverso il legame fisico del fattore di crescita ad una proteina recettore sulla superficie cellulare.,
• Il legame del fattore di crescita fa sì che il recettore cambi forma, innescando una serie di eventi chimici nella cellula che attivano le proteine chiamate fattori di trascrizione.
• I fattori di trascrizione si legano a determinate sequenze di DNA nel nucleo e causano la trascrizione di geni correlati alla divisione cellulare.
• I prodotti di questi geni sono vari tipi di proteine che rendono la divisione cellulare (guidare la crescita cellulare e/o spingere la cellula in avanti nel ciclo cellulare).,

Questo è solo un esempio di come una cellula può convertire una fonte di informazioni in un cambiamento nell’espressione genica. Ce ne sono molti altri, e comprendere la logica della regolazione genica è un’area di ricerca in corso in biologia oggi.

La segnalazione del fattore di crescita è complessa e comporta l’attivazione di una varietà di bersagli, inclusi sia i fattori di trascrizione che le proteine del fattore di non trascrizione.,

Regolazione genica procariotica ed eucariotica

Per capire come è regolata l’espressione genica, dobbiamo prima capire come un gene codifica per una proteina funzionale in una cellula. Il processo si verifica in entrambe le cellule procariotiche ed eucariotiche, solo in modi leggermente diversi.,

Gli organismi procarioti sono organismi unicellulari che mancano di un nucleo cellulare e il loro DNA galleggia quindi 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 che tipo di proteina e quanto di ogni proteina è espressa in una cellula procariotica è la regolazione della trascrizione del DNA. Tutti i passaggi successivi si verificano automaticamente. Quando è richiesta più proteine, si verifica più trascrizione., Pertanto, nelle cellule procariotiche, il controllo dell’espressione genica è principalmente a livello trascrizionale.

Le cellule eucariotiche, al contrario, hanno organelli intracellulari che aggiungono alla loro 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 al di fuori del nucleo nel citoplasma. La regolazione dell’espressione genica può avvenire in tutte le fasi del processo (Figura 1)., Il regolamento può verificarsi quando il DNA viene srotolata e allentati dai nucleosomi per legare fattori di trascrizione (epigenetica livello), quando l’RNA è trascritto (livello trascrizionale), quando l’RNA è elaborato ed esportati nel citoplasma dopo è trascritto (post-trascrizionale livello), quando l’RNA è tradotto in proteina (livello traslazionale), o dopo che la proteina è stata fatta (alberino-di traduzione di livello).

Figura 1., La trascrizione e la traduzione procariotica avvengono simultaneamente nel citoplasma e la regolazione avviene a livello trascrizionale. L’espressione genica eucariotica è regolata durante la trascrizione e l’elaborazione dell’RNA, che avvengono nel nucleo e durante la traduzione delle proteine, che avviene nel citoplasma. Un’ulteriore regolazione può avvenire attraverso modificazioni post-traduzionali delle proteine.

Le differenze nella regolazione dell’espressione genica tra procarioti ed eucarioti sono riassunte nella Tabella 1., La regolazione dell’espressione genica è discussa in dettaglio nei moduli successivi.

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