1 Biotecnologie regolazione dellespressione genica 2 Zanichelli editore

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Biotecnologie: regolazione dell’espressione genica 2 © Zanichelli editore 2016

Regolazione dell’espressione genica in virus e procarioti 3 © Zanichelli editore 2016

Struttura dei virus/1 I virus sono piccole particelle, con una dimensione media di 80 nm. Possono avere diverse forme, ma condividono due caratteristiche: • trasportano informazione genetica sotto forma di DNA o RNA; • hanno un capside peptidico. 4 © Zanichelli editore 2016

Struttura dei virus/2 Alcuni virus, come il virus dell’influenza, presentano anche un involucro lipidico che copre il capside. Envelope Glicoproteine L’involucro può includere glicoproteine virali, che possono aiutare i virus a entrare e infettare le cellule ospiti. Capside Materiale genetico (DNA o RNA) 5 © Zanichelli editore 2016

Replicazione dei virus /1 I virus sono incapaci di replicarsi al di fuori delle cellule ospiti: utilizzano il metabolismo e l’apparato di replicazione delle cellule infettate. Il processo consiste in diversi passaggi: 1. Attacco o assorbimento – il virus riconosce la cellula ospite, c’è un legame specifico tra il capside e i recettori sulla membrana della cellula. 2. Penetrazione – il materiale genetico del virus entra nella cellula ospite. 6 © Zanichelli editore 2016

Replicazione dei virus /2 3. Svestimento – il capside virale viene rimosso. 4. Sintesi – la cellula ospite sintetizza gli acidi nucleici e le proteine virali. 5. Assemblaggio – parti del virus si autoassemblano per formare nuove particelle virali. 6. Rilascio – nuovi virus vengono rilasciati dalla cellula ospite. 7 © Zanichelli editore 2016

Riproduzione dei batteriofagi Testa DNA Guaina della coda Piastra basale Spine Fibre della coda I batteriofagi (o fagi) sono virus che infettano batteri. Una volta che il materiale genetico entra nella cellula ospite, i fagi possono avere due tipi di cicli riproduttivi: • ciclo litico; • ciclo lisogeno. 8 © Zanichelli editore 2016

Il ciclo litico Cellula infetta Fago che infetta una cellula Materiale genetico virale Proteine virali DNA della cellula ospite Nel ciclo litico, li virus entra nel batterio, usa il metabolismo della cellula per riprodursi e distrugge la cellula infetta. Un virus che si riproduce solo attraverso ciclo litico si dice virulento. 9 © Zanichelli editore 2016

Il ciclo lisogeno Fago che infetta una cellula Materiale genetico virale Cellula infetta DNA della cellula ospite Nel ciclo lisogeno, il materiale genetico virale si integra con il DNA della cellula ospite. Si replica assieme al DNA della cellula, ma non porta immediatamente alla distruzione della cellula ospite. 10 © Zanichelli editore 2016

Batteri: diverse forme I batteri possono essere classificati in base alle loro caratteristiche morfologiche: • I cocchi hanno una forma sferica e possono aggregarsi a coppie, gruppi o catene. Lo Staphylococcus aureus può essere responsabile di infezioni respiratorie. • I batteri a spirale includono spirilli, spirochete e vibrioni. Borrelia burgdorferi è uno spirochete responsabile della malattia di Lyme. • I bacilli sono batteri a forma di bastoncello. I batteri del genere Salmonella possono causare febbre tifoidea o avvelenamento da cibo. 11 © Zanichelli editore 2016

Controllo genico nei procarioti geni m. RNA Il controllo dell’espressione genica può avvenire a diversi livelli: • durante la trascrizione; • durante la traduzione; proteine Proteina funzionale • durante le modifiche posttraduzione. Avviene prevalentemente durante la fase di trascrizione. 12 © Zanichelli editore 2016

Operoni I procarioti hanno strategie per controllare la loro espressione genica a seconda delle condizioni ambientali. Un operone è composto da un gruppo di geni strutturali, un promotore e un operatore. I geni regolatori codificano per proteine che possono inibire o attivare la trascrizione. gene regolatore promotore operatore geni strutturali operone 13 © Zanichelli editore 2016

Operone lac L’operone lac è un esempio di operone inducibile nel batterio E. coli. In assenza di lattosio, l’operone è inattivo; in presenza di lattosio l’operone si attiva, promuovendo l’espressione di enzimi per digerire il lattosio. NO LATTOSIO promotore operatore repressore © Zanichelli editore 2016 LATTOSIO geni per il catabolismo del lattosio RNA polimerasi TRASCRIZIONE NESSUNA TRASCRIZIONE lattosio 14

Operone trp L’operone trp è un esempio di operone reprimibile nel batterio E. coli. Quando il triptofano non è presente nel mezzo di crescita, vengono trascritti i geni per la sintesi degli amminoacidi. Quando non è presente, inibisce la trascrizione. NO TRIPTOFANO RNA polimerasi geni per la sintesi del trp TRASCRIZIONE repressore inattivo NESSUNA TRASCRIZIONE trp attiva il repressore 15 © Zanichelli editore 2016

Regolazione dell’espressione genica negli eucarioti 16 © Zanichelli editore 2016

Eucarioti: diversi livelli di controllo genico Gli eucarioti possono usare diversi meccanismi per controllare la loro espressione genica. Il controllo genico può avvenire: • prima della trascrizione; • durante la trascrizione; • tra la trascrizione e la traduzione; • durante la traduzione; • dopo la traduzione. 17 © Zanichelli editore 2016

Prima della trascrizione: cromatina Il DNA è sempre associato alle proteine; insieme formano la cromatina. nucleosoma Prima della trascrizione, avviene il rimodellamento cromatinico. I nucleosomi sono “spacchettati”, e il complesso di trascrizione del DNA può legarsi al filamento di DNA. 18 © Zanichelli editore 2016

Durante la trascrizione: fattori di trascrizione RNA polimerasi sequenza regolatrice (promotore) I fattori di trascrizione sono proteine che regolano la trascrizione del DNA negli eucarioti. Permettono alla DNA polimerasi di riconoscere le sequenze regolatrici nel DNA e di cominciare la trascrizione. TRASCRIZIONE 19 © Zanichelli editore 2016

Dopo la trascrizione: splicing alternativo /1 Solo una parte dell’m. RNA si traduce in una sequenza di amminoacidi. Il trascritto primario (o pre-m. RNA) consiste in una sequenza alternata di esoni ed introni. esone introne 1 2 esone introne 3 esone introne 4 20 © Zanichelli editore 2016

Dopo la trascrizione: splicing alternativo /2 Dentro al nucleo, gli introni sono rimossi, e avviene lo splicing alternativo, producendo diversi m. RNA a partire dallo stesso pre-m. RNA. 1 2 pre-m. RNA 1 3 4 splicing alternativo 2 3 1 3 2 3 4 21 © Zanichelli editore 2016

Dopo la trascrizione: nel citoplasma Una volta formato, l’m. RNA si sposta dal nucleo al citoplasma, dove avviene la trascrizione. Alcune molecole di m. RNA vengono distrutte prima che possano attaccarsi al ribosoma. Alcuni fattori possono interferire con l’m. RNA, inibendo il processo di traduzione. 22 © Zanichelli editore 2016

Dopo la traduzione: le proteine vengono modificate e distrutte Alcune proteine per diventare funzionanti hanno bisogno di alcune modifiche. Altre proteine vengono distrutte dopo essere state sintetizzate. L’ubiquitina è una proteina che agisce come un marcatore, che si lega alle proteine che devono essere distrutte. 23 © Zanichelli editore 2016

Epigenetica L’epigenetica è lo studio dei cambiamenti nell’espressione genica che possono essere ereditati ma che non sono dovuti a mutazioni; possono essere indotti da fattori ambientali. Coinvolge processi di metilazione delle basi o modificazione degli istoni: questi cambiamenti possono alterare l’espressione dei geni. Le DNA metiltrasferasi sono enzimi coinvolti in queste modifiche. 24 © Zanichelli editore 2016