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Controllando i geni espressi, vengono regolati gli aspetti strutturali e l'attività metabolica delle cellule. Questo perché i geni codificano per le proteine che, a loro volta, determinano struttura e funzione di una cellula. Di conseguenza, le cellule si specializzano per svolgere funzioni specifiche. Per questo motivo la regolazione dell'espressione genica è molto importante, perché senza di essa non avremmo cellule specializzate.
Per prima cosa, però, è necessario disporre di cellule che abbiano la capacità di specializzarsi in un'ampia gamma di cellule. Queste sono chiamate cellule staminali.
Le cellule staminali sono definite come cellule non specializzate che si dividono indefinitamente per mitosi e si differenziano in molti tipi di cellule.
Esistono tre classi:
- Cellule staminali totipotenti
- Cellule staminali pluripotenti
- Cellule staminali multipotenti
Le cellule staminali totipotenti sono presenti allo stadio di zigote e hanno la capacità di differenziarsi in tutti i tipi di cellule, comprese quelle extra-embrionali (come la placenta). Man mano che si scende nell'elenco precedente, la gamma di differenziazione diminuisce. Quando queste cellule si specializzano, non possono più diventare nessun altro tipo di cellula.
Il fatto che le cellule specializzate non si dividano più continuamente può essere un fatto positivo. Questo può infatti significare che la loro attività specializzata venga svolta in maniera efficiente.
Regolazione dell'espressione genica: un riassunto
La regolazione dell'espressione genica inizia prima della trascrizione, la prima fase della sintesi proteica. Le proteine regolatrici, chiamate fattori di trascrizione, stabiliscono quali geni vengono espressi (accesi) e quali non vengono espressi (spenti). Questo processo è strettamente controllato in modo che vengano prodotte specifiche molecole di RNA messaggero (mRNA) e successivamente specifiche proteine.
Fig. 1 - Il legame di un fattore di trascrizione al DNA.
Un altro tipo di regolazione dell'espressione genica che avviene a livello trascrizionale comprende l'alterazione del complesso DNA-istone. Questo tipo di regolazione è particolarmente affascinante perché la sequenza di base del DNA non viene modificata, ma ha comunque la capacità di determinare l'espressione dei geni. Si tratta del cosiddetto controllo epigenetico.
Epigenetica
L'epigenetica è lo studio delle modifiche del DNA e degli istoni per controllare l'espressione genica. Queste modifiche sono ereditabili e non sono causate da cambiamenti nella sequenza di basi del DNA. Le modifiche comprendono la metilazione del DNA e l'acetilazione degli istoni. Ciò ha l'effetto di condensare o allentare il complesso DNA-istone. Il modello di modifiche è chiamato epigenoma.
Fig. 2 - Metilazione del DNA e acetilazione degli istoni.
L'espressione genica è strettamente regolata, e per una buona ragione. Se vengono espressi o silenziati i geni sbagliati, possono insorgere malattie genetiche. Il cancro è una malattia caratterizzata dalla proliferazione incontrollata delle cellule e, in alcuni casi, la causa ha un'origine epigenetica.
Controllo della traduzione del DNA
Prima che avvenga la traduzione, possono verificarsi ulteriori modifiche alla molecola di mRNA. Ciò può includere lo splicing dell'mRNA, ovvero la rimozione degli introni (DNA non codificante) dalla molecola.
Anche dopo la traduzione, il polipeptide può essere ulteriormente modificato, ad esempio con l'aggiunta di gruppi funzionali. Un ottimo esempio è l'aggiunta di un gruppo fosfato a un polipeptide, catalizzata dalle protein-chinasi. Questa aggiunta può alterare il ripiegamento di una proteina e quindi modificarne la funzione.
Lo splicing dell'mRNA avviene solo nelle cellule eucariotiche, il cui genoma comprende sia introni che esoni. I genomi procariotici contengono solo introni, quindi lo splicing dell'mRNA non è necessario.
Progetti e tecnologie legate allo studio del genoma
Il sequenziamento di un genoma traccia l'insieme completo delle informazioni genetiche contenute in un organismo. Ad esempio, il Progetto Genoma Umano (1990-2003) è stato uno sforzo collaborativo per determinare tutti i geni presenti nelle nostre cellule. Ma non è stata un'impresa facile. Il progetto si è avvalso di tecnologie come il sequenziamento shotgun dell'intero genoma (WGS), da cui sono derivati altri progressi. Tra questi, l'ibridazione del DNA, utilizzata per localizzare alleli specifici di un gene, e il fingerprinting genetico. Questi progressi tecnologici hanno ampie applicazioni nel trattamento delle malattie e nella scienza forense.
Regolazione dell'espressione genica - Punti chiave
- Tutte le cellule viventi contengono lo stesso genoma, ma le cellule specializzate esprimono geni specifici.
- Il controllo trascrizionale dell'espressione genica comprende fattori di trascrizione e modifiche epigenetiche.
- L'epigenetica è lo studio delle modifiche del DNA e degli istoni per controllare l'espressione genica. Non comprende le modifiche alla sequenza di base del DNA.
- Il controllo traslazionale dell'espressione genica comprende l'aggiunta di gruppi chimici ai polipeptidi, come i gruppi fosfato.
- Le tecnologie del DNA, come l'ibridazione del DNA, sono emerse dagli studi di genetica e sono ora ampiamente utilizzate in applicazioni mediche e forensi.
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Domande frequenti riguardo Regolazione dell'espressione genica
Come avviene la regolazione genica?
La regolazione dell'espressione genica avviene tramite proteine di regolazione che legandosi a segmenti specifici del DNA inducono o reprimono l'espressione di specifici geni.
Che cosa si intende per regolazione genica?
Per regolazione genica si intende il processo nel quale alcuni geni vengono espressi da una cellula in un determinato contesto ed altri silenziati.
Come avviene la regolazione dell'espressione genica negli eucarioti?
Negli ecuarioti rispetto ai procarioti la regolazione dell'espressione genica avviene su più livelli (nei procarioti principalmente a livello trascrizionale).
Quali molecole regolano l'espressione genica?
Diverse molecole e segmenti di DNA (es: operoni) regolano l'espressione genica, ne sono un esempio gli specifici enzimi coinvolti nella trascrizione e le proteine funzionali associate al DNA (es: i repressori).
Come funziona la regolazione genica nei procarioti?
Nei procarioti rispetto agli eucarioti la regolazione dell'espressione genica avviene principalmente a livello trascrizionale.
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