Come fa un gene, che consiste in una stringa di DNA nascosto nel nucleo di una cellula, sapere quando dovrebbe esprimersi? In che modo questo gene causa la produzione di una serie di aminoacidi chiamati proteine? In che modo diversi tipi di cellule sanno quali tipi di proteine devono produrre? Le risposte a tali domande si trovano nello studio dell’espressione genica., Così, questa raccolta o articoli inizia mostrando come una tranquilla, ben custodito stringa di DNA è espresso per fare RNA, e come l’RNA messaggero viene tradotto da acido nucleico codifica a codifica proteica per formare una proteina. Lungo la strada, l’articolo set esamina anche la natura del codice genetico, come sono stati previsti gli elementi del codice e come sono stati determinati i codoni effettivi.
Successivamente, ci rivolgiamo alla regolazione dei geni. I geni non possono controllare un organismo da soli; piuttosto, devono interagire e rispondere all’ambiente dell’organismo., Alcuni geni sono costitutivi, o sempre “attivi”, indipendentemente dalle condizioni ambientali. Tali geni sono tra gli elementi più importanti del genoma di una cellula e controllano la capacità del DNA di replicarsi, esprimersi e ripararsi. Questi geni controllano anche la sintesi proteica e gran parte del metabolismo centrale di un organismo. Al contrario, i geni regolati sono necessari solo occasionalmente — ma come fanno questi geni ad essere attivati “on”e ” off”? Quali molecole specifiche controllano quando sono espresse?
Si scopre che la regolazione di tali geni differisce tra procarioti ed eucarioti., Per i procarioti, la maggior parte delle proteine regolatrici sono negative e quindi spengono i geni. Qui, le cellule si basano sul legame proteina-piccola molecola, in cui un ligando o una piccola molecola segnala lo stato della cellula e se è necessaria l’espressione genica. La proteina repressore o attivatore si lega vicino al suo obiettivo regolatore: il gene. Alcune proteine regolatorie devono avere un legante collegato a loro per essere in grado di legarsi, mentre altri non sono in grado di legarsi quando sono collegati a un ligando. Nei procarioti, la maggior parte delle proteine regolatrici sono specifiche per un gene, sebbene ci siano alcune proteine che agiscono più ampiamente., Ad esempio, alcuni repressori si legano vicino all’inizio della produzione di mRNA per un intero operone, o cluster di geni coregolati. Inoltre, alcuni repressori hanno un sistema di fine-tuning noto come attenuazione, che utilizza la struttura dell’mRNA per fermare sia la trascrizione che la traduzione a seconda della concentrazione degli enzimi del prodotto finale di un operone. (Negli eucarioti, non esiste un equivalente esatto di attenuazione, perché la trascrizione avviene nel nucleo e la traduzione avviene nel citoplasma, rendendo impossibile questo tipo di effetto coordinato.,) Ancora un altro strato di regolazione procariotica influenza la struttura della RNA polimerasi, che attiva grandi gruppi di geni. Qui, il fattore sigma della RNA polimerasi cambia più volte per produrre spore resistenti al calore e all’essiccazione. Qui, gli articoli sulla regolazione procariotica approfondiscono ciascuno di questi argomenti, portando alla letteratura primaria in molti casi.
Per gli eucarioti, le differenze cellula-cellula sono determinate dall’espressione di diversi gruppi di geni., Ad esempio, un ovulo fecondato indifferenziato appare e agisce in modo molto diverso da una cellula della pelle, un neurone o una cellula muscolare a causa delle differenze nei geni che ogni cellula esprime. Una cellula cancerosa agisce in modo diverso da una cellula normale per lo stesso motivo: esprime geni diversi. (Utilizzando l’analisi microarray, gli scienziati possono utilizzare tali differenze per aiutare nella diagnosi e nella selezione di un adeguato trattamento del cancro.) È interessante notare che negli eucarioti, lo stato predefinito dell’espressione genica è “off” piuttosto che “on”, come nei procarioti. Perché è questo il caso?, Il segreto sta nella cromatina, o nel complesso delle proteine del DNA e dell’istone trovate all’interno del nucleo cellulare. Gli istoni sono tra le proteine più evolutivamente conservati noti; sono vitali per il benessere degli eucarioti e ruscello poco cambiamento. Quando un gene specifico è strettamente legato con l’istone, quel gene è ” spento.”Ma come, allora, i geni eucariotici riescono a sfuggire a questo silenziamento? Questo è dove il codice istone entra in gioco., Questo codice include modifiche degli aminoacidi caricati positivamente degli istoni per creare alcuni domini in cui il DNA è più aperto e altri in cui è strettamente legato. La metilazione del DNA è un meccanismo che sembra essere coordinato con le modifiche dell’istone, particolarmente quelle che piombo al silenziamento di espressione genica. Piccoli RNA non codificanti come RNAi possono anche essere coinvolti nei processi regolatori che formano la cromatina “silenziosa”., D’altra parte, quando le code delle molecole dell’istone sono acetilate alle posizioni specifiche, queste molecole hanno meno interazione con DNA, quindi lasciandolo più aperto. La regolamentazione dell’apertura di tali domini è un argomento caldo nella ricerca. Ad esempio, i ricercatori ora sanno che complessi di proteine chiamati complessi di rimodellamento della cromatina utilizzano ATP per riconfezionare il DNA in configurazioni più aperte. Gli scienziati hanno anche determinato che è possibile per le cellule mantenere lo stesso codice istonico e modelli di metilazione del DNA attraverso molte divisioni cellulari., Questa persistenza senza fare affidamento sull’accoppiamento di base è chiamata epigenetica e ci sono abbondanti prove che i cambiamenti epigenetici causano molte malattie umane.
Affinché la trascrizione si verifichi, l’area attorno a una zona di trascrizione prospettica deve essere svolta. Ciò è un processo complesso che richiede il coordinamento delle modifiche dell’istone, del legame di fattore di trascrizione e di altre attività di rimodellamento della cromatina. Una volta che il DNA è aperto, le sequenze specifiche del DNA sono quindi accessibili affinchè le proteine specifiche leghino., Molte di queste proteine sono attivatori, mentre altri sono repressori; negli eucarioti, tutte queste proteine sono spesso chiamate fattori di trascrizione (TFS). Ogni TF ha uno specifico dominio di legame del DNA che riconosce un motivo di 6-10 coppie di basi nel DNA, nonché un dominio effettore. Nella provetta, gli scienziati possono trovare un’impronta di un TF se quella proteina si lega al suo motivo corrispondente in un pezzo di DNA. Possono anche vedere se il legame TF rallenta la migrazione del DNA nell’elettroforesi su gel.,
Per un TF attivante, il dominio effettore recluta l’RNA polimerasi II, la polimerasi che produce mRNA eucariotico, per iniziare la trascrizione del gene corrispondente. Alcuni TFS attivanti attivano anche più geni contemporaneamente. Tutti i TFS si legano ai promotori appena a monte dei geni eucariotici, simili alle proteine regolatrici batteriche. Tuttavia, si legano anche a regioni chiamate enhancers, che possono essere orientate in avanti o indietro e situate a monte o a valle o anche negli introni di un gene, e attivano ancora l’espressione genica., Poiché molti geni sono coregolati, lo studio dell’espressione genica attraverso l’intero genoma tramite microarray o sequenziamento massicciamente parallelo consente agli investigatori di vedere quali gruppi di geni sono coregolati durante la differenziazione, il cancro e altri stati e processi.
La maggior parte degli eucarioti fanno anche uso di piccoli RNA non codificanti per regolare l’espressione genica. Ad esempio, l’enzima Dicer trova regioni a doppio filamento di RNA e taglia fuori pezzi corti che possono servire in un ruolo normativo. Argonaute è un altro enzima che è importante nella regolazione di piccoli sistemi RNA–dipendenti non codificanti., Qui abbiamo offfer un articolo introduttivo su questi RNA, ma è necessario più contenuti; si prega di contattare gli editori se siete interessati a contribuire.
L’imprinting è ancora un altro processo coinvolto nella regolazione genica eucariotica; questo processo comporta il silenziamento di uno dei due alleli di un gene per l’intera durata della vita di una cellula. L’imprinting colpisce una minoranza di geni, ma sono inclusi diversi importanti regolatori della crescita. Per alcuni geni, la copia materna è sempre messa a tacere, mentre per diversi geni, la copia paterna è sempre messa a tacere., I segni epigenetici posti su questi geni durante la formazione dell’uovo o dello sperma sono fedelmente copiati in ogni cellula successiva, influenzando così questi geni per tutta la vita dell’organismo.
Ancora un altro meccanismo che fa sì che alcuni geni siano messi a tacere per tutta la vita di un organismo è l’inattivazione X. Nei mammiferi femminili, ad esempio, una delle due copie del cromosoma X viene spenta e compattata notevolmente., Questo processo di spegnimento richiede la trascrizione, la partecipazione di due RNA non codificanti (uno dei quali ricopre il cromosoma X inattivo) e la partecipazione di una proteina legante il DNA chiamata CTCF. Poiché viene studiato il possibile ruolo degli RNA non codificanti normativi in questo processo, verranno senza dubbio scoperte ulteriori informazioni sull’inattivazione di X.