Espressione genica

DNA, RNA e proteine

Secondo il dogma centrale della genetica, le informazioni genetiche passano dal DNA (1) all'RNA (2) alle proteine (3). I processi attraverso i quali avviene il flusso di informazioni genetiche sono la replicazione del DNA, che produce copie di DNA, la trascrizione, che converte il DNA in RNA, e la traduzione, che converte l'RNA in proteine. In questo processo, l'informazione viene tradotta dal linguaggio degli acidi nucleici (DNA e RNA) a quello degli amminoacidi (proteine).

Il DNA è composto da nucleotidi organizzati in due filamenti complementari. Continuando con la metafora della scala a chiocciola, i pioli sono composti da basi azotate (adenina, guanina, citosina e timina) tenute insieme da legami idrogeno, mentre il corrimano è formato da molecole di zucchero desossiribosio e gruppi fosfato uniti da legami covalenti.

Figura 3. DNA.

Anche l'RNA, in quanto acido nucleico, è composto da nucleotidi. Le basi azotate dell'RNA sono adenina, guanina, citosina e uracile (non timina). I nucleotidi dell'RNA contengono molecole di zucchero ribosio (non desossiribosio) e gruppi fosfato.

Le molecole di RNA possono avere strutture diverse e sono coinvolte in molte funzioni. Per quanto riguarda la traduzione e la sintesi proteica, esistono tre tipi principali di molecole di RNA: l'RNA messaggero (mRNA), l'RNA di trasferimento (tRNA) e l'RNA ribosomiale (rRNA). tRNA e rRNA sono esempi di RNA funzionale, poiché non codificano per le proteine, ma svolgono un ruolo essenziale nella loro sintesi.

Oltre ai tRNA legati agli amminoacidi (amminoacil-tRNA), esistono molecole di tRNA speciali che non trasportano un amminoacido, bensì si legano all'mRNA e segnano la fine della traduzione.

Figura 6. Confronto tra DNA e RNA.

Le proteine svolgono un'ampia varietà di funzioni, tra cui il trasporto e l'immagazzinamento di molecole, la difesa dell'organismo dagli agenti patogeni come parte del sistema immunitario e la regolazione delle funzioni corporee, come la regolazione del livello di zucchero nel sangue.

Necessità di regolazione dell'espressione genica

Tutte le cellule del corpo, nonostante le loro numerose differenze, contengono gli stessi geni. Tuttavia, data l'immensità del corredo genetico, se le cellule esprimessero sempre tutti i loro geni sarebbe il caos: sprecherebbero tantissima energia per creare proteine di cui non hanno bisogno e non avrebbero nemmeno lo spazio per immagazzinare tutto. Perciò, l'espressione genica è selettiva: in un dato momento in una cellula, non tutti i geni sono funzionanti, o espressi; alcuni geni sono spenti in modo permanente, quindi non vengono mai espressi, mentre altri vengono spenti o accesi a seconda delle necessità.

Controllo dell'espressione genica

Come abbiamo visto, il momento, il luogo e il modo in cui avviene l'espressione genica devono essere tenuti sotto controllo per evitare il caos.

Fattori di trascrizione

I fattori di trascrizione sono proteine che si legano a regioni specifiche del DNA non codificante e contribuiscono ad aumentare o diminuire l'espressione di alcuni geni. Nello specifico, alcuni fattori di trascrizione funzionano come attivatori e aumentano la trascrizione dei geni, altri inibiscono la trascrizione e sono chiamati repressori.

Epigenetica

I cambiamenti epigenetici sono modifiche chimiche del DNA che ne alterano la struttura fisica. Un esempio di modifica epigenetica è la metilazione del DNA, che comporta l'aggiunta di un gruppo metile a una parte della molecola di DNA. La metilazione del DNA spesso riduce l'espressione del gene bersaglio. Un altro tipo di cambiamento epigenetico è l'acetilazione degli istoni, che consiste nell'aggiunta di un gruppo acetile a una proteina istone e che permette di aumentare l'espressione del gene bersaglio.

Espressione genica differenziale

Grazie all'espressione genica differenziale, le cellule del fegato esprimono i geni necessari per eliminare le tossine dall'organismo, mentre le cellule della pelle esprimono i geni necessari per formare una barriera impermeabile per proteggersi dall'ambiente esterno. L'espressione genica è il modo in cui il genotipo dà origine al fenotipo ed è il modo in cui le cellule e gli organismi acquisiscono la loro identità.

Espressione genica nei procarioti e negli eucarioti

Esistono due tipi principali di cellule: procariote ed eucariote. Le cellule eucariote sono più complesse, più grandi, hanno una parete cellulare e un nucleo che contiene molti cromosomi. Le cellule procariote sono generalmente più piccole, hanno uno o pochi cromosomi fluttuanti nel citoplasma e non hanno una parete cellulare. I batteri sono procarioti, mentre gli eucarioti possono essere organismi unicellulari o pluricellulari, come animali, piante e funghi.

Possiamo quindi notare che eucarioti e procarioti sono strutturalmente molto diversi, perciò diverso è il modo in cui essi esprimono e regolano i loro geni. Nei procarioti, l'espressione genica è regolata a livello di trascrizione, mentre negli eucarioti il controllo avviene su più livelli (trascrizione, post-trascrizione, traduzione, post-traduzione o interi geni). In ogni caso, sia negli eucarioti che nei procarioti, l'espressione genica segue il dogma centrale (DNA>RNA>proteina).

Controllo dell'espressione genica nei procarioti

Nei procarioti, il controllo dell'espressione genica consiste nell'attivare o disattivare la trascrizione. Una volta attivata la trascrizione, la traduzione avviene quasi simultaneamente; entrambe hanno luogo nel citoplasma della cellula.

I procarioti possono avere operoni, un gruppo di geni che vengono trascritti insieme in un'unica molecola di mRNA (mRNA policistronico) che poi produrrà più proteine.

Controllo dell'espressione genica negli eucarioti

Negli eucarioti, la trascrizione avviene nel nucleo e l'RNA risultante viene elaborato ed esportato nel citoplasma, dove avviene la traduzione. Inoltre, un mRNA codifica per una sola proteina (non esiste l'mRNA policistronico).

L'espressione genica viene controllata in vari momenti:

• prima della trascrizione, impedendo o consentendo l'accesso ai geni stessi mediante l'avvolgimento o lo srotolamento del DNA;

• durante e dopo la trascrizione;

• durante e dopo la traduzione;

• attivando e disattivando i geni in modo che siano espressi o silenziati (epigenetica).

Tabella di confronto

Tabella 1. Controllo dell'espressione genica nei procarioti e negli eucarioti.