Vol. 2° -  XII.

REGOLAZiONE GENiCA e differenziamento

La struttura e le attività di una cellula o di un organismo pluricellulare dipendono, a livello molecolare, dalla presenza di determinate proteine e dal numero di molecole di ciascuna proteina. Variazioni in queste due caratteristiche consentono di adeguare le attività metaboliche alle necessità del momento in ogni fase della vita, rendendo perciò gli organismi congrui all’ambiente che li circonda.

Procarioti ed eucarioti presentano modalità diverse di regolazione della sintesi proteica. Inoltre, gli eucarioti pluricellulari hanno sviluppato, accanto ai meccanismi di controllo dell’attività genica, nuovi processi regolativi che rendono possibile il fenomeno del differenziamento nel corso dello sviluppo embrionale.

1. regolazione genica degli eucarioti

La struttura del materiale genetico degli eucarioti e molto più complessa di quella del genoforo procariotico. Il DNA, presente in quantità enormemente superiori, è legato a vari tipi di proteine, istoniche e non istoniche, molte delle quali hanno importanza regolativa.

Inoltre, i geni eucariotici non costituiscono operoni, ma ognuno di essi è formato da sequenze introniche ed esoniche. Solo le sequenze esoniche vengono adoperate per la trascrizione dei messaggeri citoplasmatici e quindi per la traduzione. Infine, bisogna ricordare che il DNA eucariotico è ricco di frazioni mediamente e altamente ripetitive non utilizzate per la trascrizione, ma probabilmente necessarie ai complessi meccanismi di regolazione caratteristici dei pluricellulari appartenenti al mondo animale e vegetale. Su questi aspetti torneremo fra poco.

Va ora ricordato che una delle differenze fondamentali fra la cellula procariotica e quella eucariotica consiste nella presenza, in quest’ultima, di un involucro nucleare che separa nettamente il materiale genetico, sede della trascrizione, dal citoplasma, dove avviene la traduzione, ossia la sintesi proteica ad opera degli RNA aggregati nei polisomi. Si ritiene che la separazione fra trascrizione e traduzione, e la presenza di numerose tappe intermedie fra la genesi dell’RNA eterogeneo nucleare e la formazione degli RNA messaggeri citoplasmatici, abbia permesso la comparsa di nuovi meccanismi regolativi che operano, oltre che a livello trascrizionale come nei procarioti, anche a livello post-trascrizionale e traduzionale. In effetti i grandi RNA trascritti nel nucleo, detti hnRNA, vengono trasportati da proteine, gli informoferi, e sono in parte metilati, quindi idrolizzati nelle sequenze introniche, per essere infine liberati nel citoplasma come messaggeri su altri vettori proteici: in tutti questi passaggi possono operare meccanismi regolativi adatti a modulare la qualità e la quantità delle proteine finali.

1.1. Molecole regolatrici nucleari

Il DNA nucleare può subire una regolazione della sua attività genica da parte di varie proteine le quali, associate allo stesso DNA, formano l’ossatura dei cromosomi eucariotici. Gli istoni, a prevalente funzione strutturale, formano col DNA i nucleosomi: se i nucleosomi si presentano strettamente ravvicinati fra loro ad opera dell’istone H1, il DNA circostante diviene inattivo sotto forma di eterocromatina, subendo quindi meccanismi di repressione nell’attività genica.

Altre proteine associate alla cromatina, in particolare le fosfoproteine della frazione non-istonica, hanno funzione regolativa, attivando o reprimendo il DNA con modalità ancora parzialmente sconosciute. Alcune si comportano come i repressori dei procarioti, individuando in via stereochimica le aree del DNA sulle quali agire: l’antigene T e il fattore di trascrizione 5 S, per esempio, sono due proteine che si legano in maniera specifica a determinate sequenze del DNA nucleare: la prima ne blocca l’attività. mentre la seconda la sblocca. Nella cellula esistono migliaia di proteine regolatrici che si comportano nella stessa maniera, modulando l’attività del DNA in base a segnali chimici provenienti dal citoplasma o dall’ambiente circostante la cellula. Ma come fanno le proteine a riconoscere il tratto di DNA, ossia il gene, su cui agire?

La doppia elica del DNA non è affatto perfettamente simmetrica e omogenea come si riteneva fino a qualche tempo fa. Il variare delle sue sequenze nucleotidiche determina asimmetrie strutturali che costituiscono dei punti di riconoscimento utilizzabili dalle proteine per individuare il gene cui legarsi. Forse anche la disposizione irregolare dei nucleosomi rilevata nel DNA di vari organismi può offrire dei punti di riferimento adatti ad essere localizzati dalle proteine regolatrici.

Che le proteine e il DNA dell’asse cromosomico non costituiscano aggregati omogenei si desume, come sappiamo, anche dalle esperienze di bandeggio dei cromosomi, in seguito alle quali ogni cromosoma risulta avere una sua particolare fisionomia costituita dall’alternarsi specifico dei vari tipi di bande. Le proteine regolatrici trovano perciò facilmente il modo di orientarsi e di selezionare sul DNA cromosomico le sequenze da attivare o da reprimere.

1.2. Regolazione intranucleare o post-trascrizionale

Gli RNA trascritti nel nucleo, detti RNA eterogenei o hnRNA, sono molecole giganti formate da oltre 6.000 nucleotidi, dei quali solo 1.500, quelli esonici, entreranno a far parte degli mRNA citoplasmatici. L’elaborazione, o splicing, o montaggio intranucleare degli hnRNA, dura circa 30 minuti e si presta all’intervento di vari meccanismi regolativi di natura post-trascrizionale, in quanto operanti fra la trascrizione e la traduzione dell’RNA. Questa fase regolativa manca nei procarioti, i cui gli mRNA vengono trascritti direttamente sul DNA del genoforo.

Appena trascritti dalla RNA-polimerasi II, gli hnRNA vengono modificati alle due estremità della loro molecola filamentosa: all’estremità 5’ viene apposto un cappuccio di guanosin-trifosfato (Gppp), necessario per il futuro legame col ribosoma; all’estremità 3’ viene aggiunta una coda di 200 residui adenilici (poli-A), che serve forse ad impedire che l’hnRNA venga immediatamente tradotto nel nucleo ad opera dei ribosomi nucleolari. Lungo l’asse di questi RNA nucleari giganti, il DNA ha trascritto numerosi tratti intronici destinati ad essere distrutti nel nucleo; ad essi sono intercalati gli esoni, che vengono metilati e preservati dall’idrolisi nucleare fino a che, espulsi nel citoplasma, formeranno gli mRNA.

Il trasporto degli hnRNA è effettuato da particelle ribonucleoproteiche, che forse hanno un ruolo nel ritagliare da tali molecole i tratti intronici. Se il taglio riguarda sezioni dell’RNA che comprendono qualche esone, nel citoplasma si formeranno classi diverse di mRNA di varia lunghezza e differente significato genetico: in tal modo il trasporto e l’elaborazione degli hnRNA assume un ruolo regolativo. Si è anche visto che privando il sistema delle particelle ribonucleoproteiche di trasporto, o eliminando i tratti intronici, gli hnRNA non sono più in grado di formare mRNA: le due fasi dell’elaborazione nucleare sembrano perciò essenziali al corretto svolgimento dell’attività post-trascrizionale.

Tagliando e ricucendo in vario modo i tratti esonici, è possibile produrre numerosi tipi di mRNA dallo stesso gene iniziale. Fenomeni analoghi avvengono in cellule infettate da virus e nel caso della sintesi delle immunoglobuline.

Non è ancora chiaro se le stesse ribonucleoproteine di trasporto presenti nel nucleo, gli informoferi, vengano poi liberate nel citoplasma sotto forma di informosomi che portano gli mRNA fino ai ribosomi. Si suppone che ciò possa avvenire, e che queste particelle abbiano ruoli regolatori sulla traduzione. D’altra parte, è proprio impacchettando gli mRNA su particelle analoghe che l’oocita blocca temporaneamente le sintesi proteiche, utilizzando i vari messaggeri solo nel corso dello sviluppo embrionale, di solito dopo la segmentazione dello zigote, in concomitanza col fenomeno del differenziamento.