Regolazione dell'espressione genica

Tutte le cellule viventi di un organismo contengono lo stesso genoma, ma perché ogni cellula funziona in modo diverso dalle altre? Una delle spiegazioni risiede nel fatto che il livello di espressione genica viene controllato dalle singole cellule. Le cellule della pelle sono diverse da quelle dei capelli e le cellule muscolari sono diverse da quelle cardiache grazie al controllo dell'espressione genica.

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.

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.

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.

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.