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Perché i geni, che codificano per le stesse proteine ​​e nelle stesse condizioni, hanno un'espressione diversa?

Perché i geni, che codificano per le stesse proteine ​​e nelle stesse condizioni, hanno un'espressione diversa?



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È possibile che due geni, che provengono da due colture cellulari diverse e che codificano per la stessa proteina, producano quantità diverse di mRNA? Se sì, perché?

La mia domanda deriva dal fatto che sto facendo un'analisi statistica di un set di dati di microarray per l'archeone ipertermofilo Pyrococcus furiosus esposto a radiazioni gamma. Gli esperimenti di microarray misurano quantità relative di mRNA in una cellula. Il mio file ha valori, per ogni gene del genoma, che sono positivi o negativi poiché gli scienziati che hanno eseguito l'esperimento hanno fatto il rapporto log10 tra l'intensità di fluorescenza del campione che è stato irradiato e il campione di riferimento (non irradiato). Infatti, nell'esperimento di microarray abbiamo due canali che tipicamente sono uno per i "controlli" e l'altro per le cellule che vengono stimolate da un evento (in questo caso l'evento è l'irradiazione gamma), per poter fare un confronto.

Nel mio dataset ci sono due colonne (che sono indicate come "riferimento") che si riferiscono al caso in cui avrebbero dovuto mettere le colture cellulari non irradiate in entrambi i due canali. Mi aspetterei che i valori nel file corrispondente a queste due colonne siano 0 (dato che sono il rapporto log10 tra le intensità dei segnali dei geni che codificano la stessa proteina e che si trovano nelle stesse condizioni). Invece sono diversi da 0. Quindi mi chiedo qual è il motivo per cui c'è una diversa quantità di mRNA prodotto da due geni uguali?

Ho fatto un grafico dell'mRNA relativo prodotto (calcolato come ho spiegato prima) rispetto al tempo, in cui puoi notare che l'mRNA relativo prodotto del riferimento (li ho chiamati come "Ref" sull'asse orizzontale) non è 0.

È solo dovuto a qualche rumore o ci sono ragioni biologiche? (l'immagine si riferisce a un gene che codifica per proteine ​​simili alla ferritina ma è la stessa storia anche per altri geni).

Anche se penso che la mia interpretazione dei dati sia corretta, ti dico che il dataset di cui sto parlando è qui, se vuoi dare un'occhiata.


Se comprendo correttamente la tua domanda e il tuo grafico, il tuo asse Y è log(x/REF), dove REF è uno standard esterno. Il tuo "Ref" sull'asse x ti aspetti che sia lo stesso di REF, quindi log(Ref/REF) "dovrebbe essere" zero, ma scopri che non lo è.

Tuttavia, sembra che la media (log(Rif/RIF)) sia ancora approssimativamente zero. Questo è quello che mi aspetterei: valori che deviano un po' da perfettamente 0, ma con una media intorno a 0 (e questa media dovrebbe avvicinarsi a 0 più campioni hai per la legge dei grandi numeri). Non ti aspetti di avere una varianza pari a zero in dati come questo, motivo per cui ripeti l'esperimento un certo numero di volte. Noterai che hai varianza in Tutti delle tue categorie


È del tutto possibile che linee cellulari diverse esprimano gli stessi geni a livelli drasticamente diversi.

Il proteinatlas fornisce dati e analisi sulle differenze tra determinati tessuti o tipi di cellule/linee cellulari.

Se le cellule sono della stessa linea/tessuto, potrebbero comunque differire a seconda del ciclo cellulare, dell'età e di fattori esterni. Ci sono sostanze chimiche che facilitano la sincronizzazione del ciclo cellulare.

Ma sono d'accordo con l'altra risposta, che le tue osservazioni potrebbero essere entro il margine di errore.


Chiaro di luna proteico: cos'è e perché è importante?

I membri della famiglia di proteine ​​GroEL/HSP60 sono stati studiati per molti anni a causa dei loro ruoli critici come chaperoni molecolari ATP-dipendenti, quindi potrebbe sorprendere che alcuni abbiano funzioni importanti in condizioni di ATP-poveri, ad esempio, quando secreti all'esterno la cellula. Almeno alcuni membri di ciascuna delle famiglie di proteine ​​da shock termico HSP10, HSP70, HSP90, HSP100 e HSP110 sono anche "proteine ​​del chiaro di luna". Le proteine ​​del chiaro di luna esibiscono più di una funzione biochimica o biofisica fisiologicamente rilevante all'interno di una catena polipeptidica. In questa classe di proteine ​​multifunzionali, le molteplici funzioni non sono dovute a fusioni geniche o frammenti proteolitici multipli. Sono state identificate diverse centinaia di proteine ​​del chiaro di luna e comprendono un insieme diversificato di proteine ​​con una grande varietà di funzioni. Alcuni partecipano a più processi biochimici utilizzando una tasca del sito attivo per la catalisi e una parte diversa della superficie della proteina per interagire con altre proteine. Le proteine ​​del chiaro di luna svolgono un ruolo centrale in molte malattie e lo sviluppo di nuovi trattamenti sarebbe aiutato da maggiori informazioni che affrontino le questioni attuali, ad esempio come alcune sono mirate a più posizioni cellulari e come una singola funzione può essere mirata da terapie senza mirare a un funzione non coinvolta nella malattia.

Questo articolo fa parte del tema "Proteine ​​da shock termico come modulatori e bersagli terapeutici delle malattie croniche: una prospettiva integrata".

1. Introduzione

Le proteine ​​da shock termico (HSP) HSP60/GroEL sono state studiate per molti anni a causa del loro ruolo critico come chaperon molecolari ATP-dipendenti, ma alcune hanno importanti funzioni in condizioni di ATP povere, quando secrete all'esterno della cellula. In effetti, è stato scoperto che i membri di ciascuna delle famiglie di proteine ​​HSP60/HSP10, HSP70, HSP90, HSP100 e HSP110 HSP/chaperone sono "proteine ​​del chiaro di luna". Le proteine ​​Moonlighting comprendono un sottoinsieme di proteine ​​multifunzionali in cui una catena polipeptidica esibisce più di una funzione biochimica o biofisica fisiologicamente rilevante [1]. In questa classe di proteine ​​multifunzionali, le molteplici funzioni non sono dovute a fusioni geniche o frammenti proteolitici multipli. Sono state identificate diverse centinaia di proteine ​​del chiaro di luna e comprendono un insieme diversificato di proteine ​​con una grande varietà di funzioni [2].

Tra le prime proteine ​​ad essere riconosciute per svolgere due funzioni molto diverse nello stesso organismo c'erano le cristalline specifiche del taxon. Le cristalline costituiscono gran parte del cristallino dell'occhio e circa una dozzina sono identiche agli enzimi ubiquitari cataliticamente attivi. Ad esempio, il cristallino epsilon che si trova negli uccelli (anatra selvatica, cigni, oche e struzzi) e nei rettili (coccodrilli) [3-5] è la stessa proteina della lattato deidrogenasi, che catalizza l'interconversione di piruvato e lattato e si trova in molti tipi cellulari in quasi tutte le specie (figura 1). In altre specie, diversi enzimi sono stati cooptati per fungere da cristalline: la chinone ossidoreduttasi è la zeta cristallina in cammelli, lama, cavie e rane [6-8] e l'aldeide deidrogenasi è l'eta cristallina nei toporagni elefanti [9].

Figura 1. Una proteina del chiaro di luna può avere due funzioni molto diverse nella stessa specie. Ad esempio, nelle anatre, il cristallino epsilon che si trova nel cristallino dell'occhio è la stessa proteina dell'ubiquitario enzima lattato deidrogenasi, che catalizza l'interconversione di piruvato e lattato. (Versione online a colori.)

Altri enzimi solubili si sono evoluti per svolgere una seconda funzione come regolatori trascrizionali o traslazionali che legano rispettivamente il DNA o l'RNA, in alcuni casi come meccanismo di feedback per regolare il livello di espressione degli enzimi nella stessa via biochimica. L'aconitasi catalizza l'isomerizzazione del citrato in isocitrato nel ciclo dell'acido citrico. Quando le concentrazioni di ferro cellulare diminuiscono, il cluster ferro-zolfo nella tasca del sito attivo viene perso e la proteina cambia conformazione. La nuova conformazione della proteina lega l'RNA per regolare l'espressione dei geni che codificano per le proteine ​​coinvolte nell'assorbimento del ferro [10-12].

Le proteine ​​del chiaro di luna si trovano in tutto l'albero evolutivo: batteri, archaea, mammiferi, rettili, uccelli, pesci, vermi, insetti, piante, funghi, protozoi e persino virus. Includono enzimi che fungono da recettori, citochine secrete, fattori di trascrizione, stabilizzatori del DNA, componenti del citoscheletro o subunità del proteasoma. Altre combinazioni di funzioni includono un recettore e un fattore di trascrizione, chaperone e citochina, proteina legante il DNA e componente della matrice extracellulare, canale transmembrana e regolatore di altri canali e componenti del ribosoma che sono fattori di trascrizione.

2. Proteine ​​del chiaro di luna intracellulari/extracellulari

Uno dei più grandi sottogruppi di proteine ​​del chiaro di luna identificati fino ad oggi sono chaperon ed enzimi intracellulari che svolgono un ruolo diverso al di fuori della cellula (figura 2). Queste sono spesso "proteine ​​domestiche" che sono molto diffuse nell'evoluzione e funzionano nella glicolisi, nel ciclo dell'acido citrico, nella via dei pentoso fosfati e nel metabolismo delle proteine ​​e del DNA. La prima ad essere identificata è stata una gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi (GAPDH) sulla superficie degli streptococchi patogeni [13]. In seguito sono stati trovati molti altri enzimi intracellulari/di superficie cellulare, inclusi altri GAPDHs [14-28], fosfoglicerato chinasi [29,30] ed enolasi [31-54]. Altre proteine ​​di superficie intracellulare/cellulare (ICSP) includono chaperon (HSP60/GroEL, HSP70/DnaK) [54-58], un fattore di allungamento della sintesi proteica (Ef-Tu) [59-61] e un istone (H1) [62] .

Figura 2. Diverse dozzine di proteine ​​del chiaro di luna hanno funzioni diverse all'interno e all'esterno della cellula. Molte proteine ​​domestiche, compresi gli enzimi che convertono un substrato (stella) in un prodotto (esagono) o gli chaperon che aiutano nel ripiegamento delle proteine, hanno una seconda funzione quando vengono secrete o attaccate alla superficie cellulare. Nella maggior parte dei casi, non è noto come vengono secrete le proteine ​​intracellulari/di superficie o intracellulari/segrete e come alcune si attaccano alla superficie cellulare. (Versione online a colori.)

Alcune di queste proteine ​​funzionano come recettori sulla superficie cellulare nell'uomo e in altri mammiferi. GAPDH catalizza la conversione della D-gliceraldeide 3-fosfato in 3-fosfo-D-gliceroil fosfato nella glicolisi all'interno della cellula nella maggior parte dei tipi cellulari, ma nei mammiferi funge anche da recettore della transferrina sulla superficie cellulare per favorire l'assorbimento del ferro [63,64] . L'HSP60 HSP è un chaperone che aiuta l'importazione di proteine ​​mitocondriali nella cellula ed è un recettore sulla superficie cellulare per lipoproteine ​​ad alta densità attraverso la sua affinità per l'apolipoproteina apoA-II [65]. Nell'uomo, piruvato chinasi 3 (PK3) isoforma 2, glutatione S-transferasi Mu 3, triosefosfato isomerasi e fruttosio-bisfosfato aldolasi A svolgono un secondo ruolo sulla membrana della testa dello sperma, dove sono coinvolti nelle interazioni con le proteine ​​della zona pellucida dell'uovo. 66-68].

Questo fenomeno delle proteine ​​intracellulari/di superficie del chiaro di luna è stato ampiamente osservato nei batteri. I batteri (e altri agenti patogeni) usano comunemente proteine ​​citosoliche illuminate dalla luna sulla superficie cellulare per formare e mantenere le interazioni con la specie ospite. Alcune di queste proteine ​​svolgono ruoli importanti nell'infezione, nell'invasione, nella virulenza e nella formazione di biofilm. La colonizzazione richiede l'adesione all'ospite e molte proteine ​​di superficie si legano alle proteine ​​della matrice extracellulare, tra cui fibronectina, laminina e/o collagene, o alla mucina, un componente del rivestimento epiteliale della mucosa. Altre proteine ​​di superficie del chiaro di luna si legano direttamente alle proteine ​​sulla superficie delle cellule ospiti. Queste interazioni consentono un attaccamento fisico all'ospite. Listeria fa uso di alcol acetaldeide deidrogenasi/proteina di adesione di Listeria (LAP) per legarsi alle cellule epiteliali intestinali [55]. L'enolasi nella glicolisi è stata trovata sulla superficie cellulare in molte specie di batteri (Streptococco, micoplasma e Plasmodium falciparum) dove svolge un ruolo nel legare il plasminogeno, la fibronectina e altre proteine ​​ed è importante nell'infezione di ospiti umani, canini e aviari [69-72]. Traduzione Ef-Tu da Streptococcus gordonii si lega alla mucina ospite [73]. Streptococcus pneumoniae utilizza l'endopeptidasi O per legare il plasminogeno ospite e la fibronectina [74]. Il GAPDH di Haemonchus contortus (verme del palo del barbiere), una specie di nematode che infetta i tratti gastrointestinali di pecore e capre, si lega alla proteina C3 della via alternativa del complemento, inibisce la cascata del complemento e aiuta il patogeno a eludere l'immunità dell'ospite [75]. Il chaperone HSP70/DnaK funge anche da recettore sulla superficie cellulare per il plasminogeno in molte specie: Neisseria [76], Mycobacterium tuberculosis [77], Bifidiobacterium lactis [78], ecc.

Streptococcus pneumoniae e i molti altri batteri patogeni che utilizzano l'enolasi GAPDH o altri enzimi per legare il plasminogeno aiutano lo zimogeno a convertirsi nella proteasi attiva plasmina utilizzando una proteasi endogena o facendo uso degli attivatori del plasminogeno di tipo tissutale (tPA) dell'ospite e del plasminogeno di tipo urochinasi attivatori [79,80]. La plasmina ora attiva attaccata alla superficie dell'organismo invasore può essere utilizzata come proteasi generale per digerire la matrice extracellulare dell'ospite e la membrana basale, favorendo così la migrazione attraverso i tessuti.

Queste interazioni tra le proteine ​​del chiaro di luna citoplasmatiche/della superficie cellulare con il tessuto ospite non sono sempre il risultato di malattie o infezioni. Il commensale batterio “probiotico” Lactobacillus acidophilus utilizza GAPDH sulla sua superficie per aiutare a colonizzare l'intestino. In questo caso, la GAPDH batterica si lega alla mucina ospite [81].

Le proteine ​​citosoliche del chiaro di luna sono spesso utilizzate anche come molecole di segnalazione secrete per regolare altri tipi di cellule all'interno di un organismo o per modulare le risposte dell'ospite nel caso di un agente patogeno. All'interno della cellula, i membri delle famiglie proteiche HSP60/HSP10, HSP70, HSP90, HSP100 e HSP110 sono chaperon proteici che impediscono il ripiegamento errato delle proteine ​​client e promuovono il corretto ripiegamento e assemblaggio dei complessi proteici e sono stati identificati membri di ciascuna famiglia proteica che hanno funzioni aggiuntive al di fuori della cellula. I ruoli extracellulari dei membri dei mammiferi di queste famiglie di proteine ​​sono discussi ulteriormente in altri articoli di questa raccolta, quindi in questa recensione l'attenzione è rivolta ad altri esempi di proteine ​​citoplasmatiche che svolgono altre funzioni quando vengono secrete. La timidina fosforilasi, un enzima nel metabolismo della pirimidina, è la stessa proteina del fattore di crescita delle cellule endoteliali derivato dalle piastrine secreto (PDGF) [82]. La lisil-tRNA sintetasi, che lega la lisina al tRNA per l'uso nella sintesi proteica, agisce a livello extracellulare sui macrofagi e sulle cellule mononucleate del sangue periferico per aumentare la produzione di TNF-α e la migrazione delle cellule bersaglio [83]. La timosina β-4 è una proteina intrinsecamente disordinata coinvolta nel sequestro di G-actina (actina monomerica) per impedirne la polimerizzazione in F-actina nei leucociti polimorfonucleati. La timosina β-4 solfossido è generata nei monociti dall'ossidazione di una metionina (Met6) in presenza di glucocorticoidi ed è secreta per inibire la risposta antinfiammatoria [84-87]. La fosfoglucosio isomerasi (PGI, nota anche come glucosio-6-fosfato isomerasi, fattore di motilità autocrina, neuroleuchina, mediatore di differenziazione e maturazione) catalizza l'interconversione di glucosio-6-fosfato e fruttosio-6-fosfato nella glicolisi e nella gluconeogenesi, ed è un agente extracellulare citochina/fattore di crescita che si lega alle cellule bersaglio e fa maturare le cellule pre-B in cellule che secernono anticorpi, supporta la sopravvivenza dei neuroni embrionali e provoca la differenziazione di diverse linee cellulari leucemiche [88-94]. Nel furetto dai piedi neri (Mustela nigripes), l'IGP è risultata necessaria anche per l'impianto di embrioni [95]. L'effetto del fattore di crescita della PGI può anche svolgere un ruolo nella malattia. La PGI extracellulare provoca un aumento della migrazione cellulare durante le metastasi del cancro al seno. Un'altra proteina citoplasmatica che ha anche ruoli nello sviluppo del cancro, la treonil aminoacil-tRNA sintetasi (TARS), è secreta dalle cellule endoteliali in risposta al TNF-α e al VEGF e promuove lo sviluppo vascolare. È stata osservata un'associazione tra l'espressione di TARS e lo stadio avanzato del cancro ovarico [96]. Una mutazione che impedisce l'attività sintetasi della TARS è ancora attiva nel promuovere lo sviluppo vascolare.

Alcuni enzimi citosolici batterici vengono secreti per interferire con le difese dell'ospite. GAPDH da A. vaginae viene secreto per interferire con l'anafilatossina C5a umana [97]. Leishmania donovani secerne un altro enzima glicolitico, fruttosio-bisfosfato aldolasi, così come il fattore di allungamento della traduzione EF-1 per causare l'attivazione della proteina tirosina fosfatasi-1 del macrofago ospite (SHP-1) e una diminuzione dell'attività dei macrofagi infetti [98,99]. La chaperonina GroEL/60 kDa prodotta da Enterobacter aerogenes, l'endosimbionte batterico di un insetto, l'antlion, viene secreto e usato come tossina per paralizzare gli scarafaggi [100]. Enolasi dal nematode Steinernema glaseri, quando sulla superficie della cuticola o secreto nell'emolinfa ospite, sopprime il sistema immunitario del suo ospite insetto [101].

Ulteriori esempi di proteine ​​del chiaro di luna intracellulari/di superficie/secreti sono inclusi nella nostra lista di proteine ​​del chiaro di luna nel database MoonProt [2]. La maggior parte degli ICSP conosciuti provengono da batteri, sebbene si trovino esempi in tutto l'albero evolutivo. Le specie batteriche rappresentate comprendono specie tipiche Gram-positive e Gram-negative, nonché micobatteri, spirochete e micoplasmi. Inoltre, è stato scoperto che molte altre proteine ​​citoplasmatiche sono secrete o legate alla superficie cellulare attraverso studi di proteomica. Per la maggior parte delle proteine ​​trovate attraverso studi di proteomica, sono necessari ulteriori esperimenti per determinare se la proteina ha una seconda funzione all'esterno della cellula, se svolge la stessa funzione di quando è all'interno della cellula, o forse è stata trovata nella posizione extracellulare a causa di esperimenti artefatti dei metodi di proteomica utilizzati.

3. Basi strutturali per le funzioni intracellulari/extracellulari

Una domanda che sorge quando si scopre che una proteina è una proteina del chiaro di luna riguarda come una catena polipeptidica può svolgere due diverse funzioni, perché la funzione della proteina è legata alla struttura della proteina e si potrebbe presumere che sarebbe necessario alterare una struttura proteica a lotto per acquisire una nuova funzione, che potrebbe comportare la perdita della funzione originale. È stato scoperto che alcune proteine ​​del chiaro di luna risolvono questo problema di commutazione tra le funzioni subendo grandi cambiamenti conformazionali o transizioni tra domini intrinsecamente spiegati e più strutture piegate distinte in modo che diverse conformazioni della struttura proteica possano svolgere funzioni diverse. Al contrario, per molte delle proteine ​​del chiaro di luna intracellulari/extracellulari, non sono necessarie grandi deviazioni dalla struttura o dalla conformazione che svolgono una funzione catalitica o chaperone all'interno della cellula per svolgere la funzione extracellulare. In molti dei casi discussi sopra, la funzione extracellulare implica il legame con un'altra molecola, spesso con un'altra proteina.Oltre a una tasca del sito attivo in cui si verifica la catalisi quando la proteina è all'interno della cellula, la struttura tridimensionale di un enzima o chaperone include una grande quantità di superficie esposta al solvente. Attraverso milioni di anni di evoluzione, una parte di questa superficie può acquisire un pattern di amminoacidi necessari per interagire con un'altra molecola, sia essa una piccola molecola, un recettore della superficie cellulare o un'altra proteina, senza influenzare la tasca del sito attivo [102]. Questo nuovo sito di legame non ha bisogno di essere molto grande o complesso. Ehinger e collaboratori hanno scoperto che nel caso di Streptococco l'enolasi, un piccolo motivo costituito da soli nove amminoacidi (248FYDKERKVY256) contenenti lisina e residui carichi negativamente, era sufficiente per legarsi al plasminogeno. L'evoluzione di questo sito di legame non ha influenzato la capacità dell'enolasi di catalizzare la reazione e la piega complessiva della subunità della proteina è identica a quella delle proteine ​​dell'enolasi che non sono note per legare il plasminogeno [103].

4. Regolazione di più attività

Avere la capacità di svolgere più funzioni è spesso solo una parte della storia delle proteine ​​del chiaro di luna. Anche il corretto livello di ciascuna delle molteplici attività proteiche nel luogo corretto e al momento giusto può essere importante per mantenere la salute e l'omeostasi. I cambiamenti nell'espressione, nel livello di attività e/o nella posizione delle proteine ​​del chiaro di luna giocano un ruolo centrale in molte malattie. Le mutazioni che determinano l'attività alterata di una proteina del chiaro di luna possono portare alla malattia, sia che si tratti di una diminuzione dell'attività o, in alcuni casi, di un aumento dell'attività, ad esempio interrompendo gli attenti controlli e gli equilibri del sistema immunitario. Inoltre, le mutazioni che modificano la sequenza amminoacidica di una proteina possono in rare occasioni provocare un aumento della funzione o una funzione diversa, a volte indicata come "funzione del chiaro di luna neomorfica" se aggiunge una nuova funzione catalitica o determina la formazione di aggregati. 104]. Anche la posizione e la tempistica di ciascuna attività proteica sono importanti. Quantità sufficienti di proteine ​​devono essere espresse dai tipi cellulari appropriati. L'espressione deve verificarsi al momento giusto durante lo sviluppo e/o in modo appropriato in risposta ai segnali nell'ambiente. È un'osservazione comune nelle librerie di knockout di geni che alcuni knockout di geni provocano la morte dell'embrione anche se si prevede che il gene funzioni solo nell'organismo adulto. È probabile che alcuni di questi geni codifichino proteine ​​del chiaro di luna che hanno funzioni aggiuntive durante l'embriogenesi.

Una volta raggiunto il livello corretto di proteine, ciascuna delle funzioni di una proteina del chiaro di luna deve essere eseguita al livello appropriato. Una proteina del chiaro di luna potrebbe svolgere più funzioni contemporaneamente, ognuna potrebbe essere regolata in modo indipendente, oppure potrebbe alternativamente svolgere l'una o l'altra funzione e avere un mezzo per passare da una all'altra. Un cambiamento nella conformazione della proteina come nell'aconitasi, menzionato sopra, è un metodo per passare da una funzione all'altra. Le modifiche post-traduzionali (PTM) sono comunemente utilizzate per regolare la funzione proteica in generale e possono essere utilizzate per indurre una proteina del chiaro di luna a passare a una funzione diversa. Ad esempio, diversi componenti proteici del ribosoma vengono fosforilati e lasciano il ribosoma per entrare nel nucleo dove partecipano ad altre attività. La proteina ribosomiale S3 (rpS3) ha funzioni aggiuntive nel nucleo nella riparazione del danno al DNA e come fattore di trascrizione [105,106]. L10a (rpL10a) può interferire con la riproduzione del gemnivirus nelle piante [107,108]. L13a (rpL13a) si unisce a un fattore di trascrizione multiproteico [109]. Al contrario, il recettore degli estrogeni lascia il nucleo quando subisce palmitoilazione in modo che possa interagire con una via di segnalazione a livello della membrana plasmatica [110]. Sia a causa dei PTM che di altri mezzi di targeting, molte altre proteine ​​del chiaro di luna svolgono anche le loro diverse funzioni in diverse posizioni cellulari, sia nel citoplasma, nel nucleo, all'interno o attaccate a un altro organello, alla membrana cellulare o all'esterno della cellula.

5. Secrezione di proteine ​​intracellulari/di superficie del chiaro di luna

Mentre i segnali per il passaggio da una funzione all'altra sono noti per alcune proteine ​​del chiaro di luna, meno si sa su come una porzione del pool citosolico di una proteina del chiaro di luna intracellulare/di superficie diventa bersaglio per la secrezione. Ci sono diverse linee di prova che gli ICSP sono effettivamente secreti e non escono dalla cellula a causa della perdita cellulare o della morte cellulare (rivisto in [111]). Quando si osserva la secrezione di proteine ​​del chiaro di luna intracellulari/superficiali, molte altre proteine ​​citoplasmatiche non si trovano nel surnatante e le proteine ​​che si trovano nel surnatante o sulla superficie cellulare non sono correlate con le proteine ​​più abbondanti nella cellula. In Staphylococcus aureus, il più alto livello di secrezione di enolasi e aldolasi è durante la crescita esponenziale, quando la rottura cellulare è al minimo [112]. Inoltre, per Escherichia coli enolasi, le sostituzioni di singoli amminoacidi a K341 hanno provocato una perdita della sua secrezione, anche di una proteina mutante che è ancora cataliticamente attiva [113]. Allo stesso modo, in Bacillus subtilis anche l'enolasi, la delezione di un'α-elica interna ha impedito la secrezione [114]. Questi risultati supportano l'idea che è probabile che ci sia uno o più sistemi di secrezione per almeno alcune proteine ​​intracellulari/di superficie.

Il sistema o meccanismo mediante il quale viene secreta la maggior parte delle proteine ​​citoplasmatiche con una seconda funzione al di fuori della cellula non è noto (figura 2). Le proteine ​​intracellulari/di superficie del chiaro di luna non contengono una sequenza segnale N-terminale richiesta per la secrezione da parte del sistema canonico di secrezione Sec. Inoltre non contengono altri motivi di sequenza, come un motivo leader di arginina gemello richiesto per la secrezione da parte del sistema TAT batterico. Esistono diversi sistemi di secrezione non canonici aggiuntivi, ma gli altri sistemi di secrezione sono generalmente utilizzati per il trasporto di poche proteine ​​specifiche, ad esempio il sistema di secrezione di tipo 1 (T1SS) nei batteri Gram-negativi. In particolare, non è stato identificato un sistema di secrezione in cui una grande porzione del pool di ciascun tipo di proteina rimane all'interno della cellula ma una parte del pool della proteina partizionata sulla superficie cellulare. Ciò può comportare una nuova versione di un sistema di secrezione noto o può coinvolgere un sistema di secrezione ancora sconosciuto. Nei mammiferi, alcune delle proteine ​​del chiaro di luna secrete si trovano nei lisozomi o negli esosomi secretori, ma non è chiaro come vengano prese di mira. Come vengono selezionate per la secrezione queste proteine ​​intracellulari/superficiali/secrete del chiaro di luna e perché viene secreta solo una parte del pool citoplasmatico della proteina sono questioni attuali nel campo.

Anche il meccanismo o i meccanismi con cui alcune proteine ​​del chiaro di luna si attaccano alla superficie cellulare sono sconosciuti. Il meccanismo di attaccamento alla superficie cellulare potrebbe potenzialmente essere parte di un meccanismo di secrezione, sebbene alcune proteine ​​intracellulari/di superficie purificate in modo ricombinante siano in grado di riattaccarsi alla superficie cellulare. Con poche eccezioni [115] la maggior parte degli ICSP non contiene sequenze amminoacidiche note o motivi strutturali per il fissaggio alla superficie cellulare. L'attaccamento alla superficie cellulare potrebbe coinvolgere una nuova versione di un meccanismo noto o potrebbe coinvolgere un meccanismo ancora sconosciuto.

6. Nuovi obiettivi per le terapie

Lo sviluppo di nuovi trattamenti per malattie che coinvolgono HSP o altre proteine ​​del chiaro di luna sarebbe aiutato da maggiori informazioni sul loro targeting e sulle loro funzioni. Per molte delle proteine ​​umane intracellulari/extracellulari del chiaro di luna, c'è ancora molto da imparare sui loro ruoli nella malattia, ma molte sono state implicate in malattie autoimmuni, malattie cardiache, obesità, diabete e cancro. L'attuale conoscenza dei ruoli delle HSP nell'immunologia e nel cancro è discussa in altri articoli di questa raccolta. In generale, per una proteina del chiaro di luna, è importante identificare e comprendere entrambe le funzioni, nonché la loro regolazione e targeting. È necessario chiarire quale delle funzioni di una proteina del chiaro di luna è coinvolta nello sviluppo della malattia in modo che la corretta funzione proteica possa essere mirata allo sviluppo di nuove terapie senza causare effetti collaterali dovuti al targeting di una funzione non coinvolta nella malattia. Ciò si estende anche ai ruoli dei paraloghi e anche alle varianti di giunzione negli esseri umani, perché possono condividere tutte, alcune, una o nessuna delle funzioni di una proteina del chiaro di luna. È importante anche chiarire quando e dove ciascuna funzione viene eseguita da ciascuna versione della proteina se la proteina deve essere utilizzata come biomarcatore.

Chiarire come vengono secrete le proteine ​​del chiaro di luna intracellulare/superficie cellulare/secreta potrebbe identificare processi e proteine ​​che sono coinvolti nei nuovi sistemi di secrezione (o versioni aggiuntive di sistemi di secrezione noti) o meccanismi di attacco superficiale che potrebbero servire come nuovi bersagli per lo sviluppo di nuove strategie per il controllo infezione. Comprendere come le proteine ​​del chiaro di luna della superficie intracellulare/cellulare sono mirate alla superficie di un agente patogeno potrebbe portare a un metodo per ridurre la capacità dei batteri di legarsi ai tessuti ospiti e potrebbe fornire nuovi bersagli per lo sviluppo di terapie per il trattamento delle infezioni. Con il crescente problema della resistenza agli antibiotici, sono necessari nuovi bersagli per inibire l'infezione batterica e la virulenza.

7. Conclusione

È stato scoperto che centinaia di proteine ​​hanno funzioni multiple, apparentemente non correlate. Una gran parte di questi, inclusi molti HSP, sono proteine ​​citosoliche che sono state trovate per avere funzioni aggiuntive quando mirate alla superficie cellulare o secrete, e i risultati degli studi di proteomica della superficie cellulare suggeriscono che molte altre potrebbero unirsi a quel gruppo. C'è ancora molto da imparare sui loro ruoli nella salute e nella malattia, in particolare le funzioni di segnalazione a volte complesse di molte proteine ​​​​di mammiferi secrete. Nel caso di batteri e altri agenti patogeni, chiarire le proteine ​​necessarie per la loro secrezione e l'adesione alla membrana potrebbe portare a nuovi trattamenti per le infezioni.


Espressione proteica

A volte i livelli di espressione proteica sono bassi nonostante l'uso di forti segnali trascrizionali e traslazionali. I seguenti approcci possono essere utilizzati per ottimizzare i livelli di espressione:

Condizioni di induzione variabili. I livelli di espressione della proteina bersaglio possono essere ottimizzati variando il tempo e/o la temperatura di induzione e la concentrazione dell'induttore.

Esame dell'uso del codone della proteina eterologa. Non tutti i 61 codoni di mRNA sono usati allo stesso modo. I cosiddetti codoni maggiori sono quelli che si trovano nelle proteine ​​altamente espresse, mentre i codoni minori o codoni rari tendono ad essere nei geni espressi a un livello basso. Quale dei codoni sono i rari dipende fortemente dall'organismo. L'utilizzo del codone per organismo può essere trovato nel database di utilizzo del codone. Per maggiori informazioni sui codoni a basso utilizzo per organismo vedere la tabella 1 e la tabella 2.

Di solito, la frequenza dell'utilizzo del codone riflette l'abbondanza dei loro tRNA affini. Pertanto, quando l'utilizzo del codone della proteina target differisce in modo significativo dall'utilizzo medio del codone dell'host di espressione, ciò potrebbe causare problemi durante l'espressione. Spesso si riscontrano i seguenti problemi:

  • Diminuita stabilità dell'mRNA (rallentando la traduzione)
  • Termine prematuro della trascrizione e/o traduzione, che porta a una varietà di prodotti proteici troncati
  • Frameshift, cancellazioni e incorporazioni errate (per esempio. lisina per arginina).
  • Inibizione della sintesi proteica e della crescita cellulare.

Di conseguenza, i livelli di espressione osservati sono spesso bassi o non ci sarà alcuna espressione. Soprattutto nei casi in cui sono presenti rari codoni all'estremità 5' dell'mRNA o in cluster i livelli di espressione sono bassi e si trovano prodotti proteici troncati.

I livelli espressi possono essere migliorati da:

  • sostituendo codoni che raramente si trovano in altamente espressi E. coli geni con codoni più favorevoli in tutto il gene. Codoni che sono stati associati a problemi di traduzione in E. coli sono:
  • apportare modifiche alla sequenza codificante che riducono la struttura secondaria nella regione di inizio della traduzione. Ciò avviene principalmente aumentando il numero di residui A.

Esame del secondo codone. In endogeno E. coli proteine ​​non tutti i codoni sono utilizzati allo stesso modo nella seconda tripletta (dopo la metionina N-terminale). Il più usato è AAA lisina (13,9%) mentre un certo numero di altri codoni non vengono utilizzati affatto. Looman et al. ha mostrato che l'efficienza di espressione di un modificato lacZ gene varia almeno 15 volte, a seconda di questo codone. Quindi, scegliendo il codone giusto in questa posizione o cambiandolo in uno che è più spesso usato in E. coli potrebbe migliorare i livelli di espressione.

Riferimento: Looman et al. (1987) EMBO J. 6, 2489-2492.

Minimizzazione del contenuto GC all'estremità 5'. Un alto contenuto di GC nell'estremità 5' del gene di interesse di solito porta alla formazione di una struttura secondaria nell'mRNA. Ciò potrebbe comportare l'interruzione della traduzione e livelli di espressione inferiori. Pertanto, livelli di espressione più elevati potrebbero essere ottenuti modificando i residui G e C all'estremità 5' della sequenza codificante in residui A e T senza modificare gli amminoacidi.

Aggiunta di un terminatore di trascrizione (o uno aggiuntivo se già presente).

Aggiunta di un partner di fusione. La fusione dell'N-terminale di una proteina eterologa con il C-terminale di un partner di fusione altamente espresso spesso determina un'espressione di alto livello della proteina di fusione.

Utilizzo di ceppi ospiti carenti di proteasi. L'uso di ceppi ospiti portatori di mutazioni che eliminano la produzione di proteasi può talvolta aumentare l'accumulo riducendo la degradazione proteolitica. BL21, il cavallo da lavoro di E. coli espressione, è carente di due proteasi codificate da lunga (citoplasmatico) e ompGeni T (periplasmatici).


Glossario

DNA: L'acido desossiribonucleico è la sostanza chimica che immagazzina le informazioni genetiche nelle nostre cellule. A forma di doppia elica, il DNA si trasmette di generazione in generazione.

RNA: L'acido ribonucleico è un tipo di molecola utilizzata nella produzione di proteine ​​nel corpo.

Genoma: Il corredo genetico completo di un organismo, che contiene tutte le informazioni biologiche per costruirlo e mantenerlo in vita.

Gene: un tratto di DNA che dice a una cellula come produrre proteine ​​specifiche o molecole di RNA.

Enzima: Una molecola che promuove una reazione chimica all'interno di un organismo vivente.

Cellula staminale: una cellula madre biologica che può moltiplicarsi e diventare molti diversi tipi di tessuto. Possono anche replicarsi per produrre più cellule staminali.


Discussione

Attuali strategie di manipolazione del rumine mirate a CH4 la mitigazione si concentra sull'inibizione diretta dei metanogeni, mirando alle loro funzioni essenziali tramite inibitori di piccole molecole e peptidi antimicrobici o proteine ​​di superficie attraverso vaccini mirati al metanogeno [39]. C'è stata poca esplorazione delle opportunità intorno alla manipolazione della fornitura di substrati ai metanogeni. I metanogeni metilotrofi nel rumine sembrano essere limitati dalla disponibilità di CH3-composti. L'energia disponibile dalla riduzione del metanolo a CH4 (CH3OH + H2 → CH4 + H2O) è −112,5 kJ/mole, rispetto a −131 kJ/mole per la riduzione della CO2 (CO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H2O) [40] ma riflettendo le stechiometrie di reazione, i metilotrofi richiedono solo 1 mole di H2 per mole di CH4, mentre gli idrogenotrofi richiedono 4 H2 per mole di CH4. Ciò significa che i metilotrofi hanno un H . inferiore2 soglia, e quando si considera il fabbisogno energetico per la biosintesi dell'ATP, i metilotrofi hanno sempre una variazione netta di energia libera maggiore rispetto agli idrogenotrofi nelle condizioni prevalenti nel rumine. Tuttavia, nonostante questo vantaggio termodinamico, l'idrogenotrofico Methanobrevibacter sp. sono i principali metanogeni che costituiscono il 75-78% degli archaea metanogeni nel rumine, [3, 12]. Ciò suggerisce che la crescita dei metanogeni metilotrofici è governata dalla disponibilità di CH3-composti piuttosto che l'H . disciolto2 concentrazione. Tuttavia, i metanogeni capaci di metanogenesi metilotrofica rappresentano circa il 22-25% dei metanogeni nel rumine e riducono il loro apporto di CH3-substrati composti nel rumine offre l'opportunità di indirizzare questi metanogeni per ridurre CH4 formazione.

Recenti lavori su un'analisi globale delle comunità microbiche ruminali da specie di ruminanti e studi di caratterizzazione del microbioma [12, 26,27,28] hanno fornito ampi set di dati che possono essere utilizzati per identificare i principali batteri ruminali coinvolti nel rilascio di CH3-composti da materiale vegetale e i geni che codificano queste attività. I nostri screening per la produzione di TMA ruminale hanno rivelato sorprendentemente pochi geni e organismi coinvolti in questo processo. Un totale di 18 ceppi batterici sono stati identificati utilizzando i modelli CutC/D HMM e appartengono agli stessi tre phyla (Actinobacteria, Firmicutes e Proteobacteria) che sono stati identificati negli studi sul metabolismo della TMA nell'intestino umano [22, 25]. Nel complesso sembra che i geni attivatori della TMA liasi e della colina siano rari nel rumine. Nessuno dei sette generi batterici rilevati con questi geni sarebbe considerato come membri abbondanti o prevalenti del microbioma ruminale sulla base dei risultati dello studio Global Rumen Census [12]. Il set di dati metagenoma/metatrascrittoma, indica che Olsenella e Caecibacter sono i principali produttori di metilammina negli ovini, mentre le sequenze derivate da MAG indicano che organismi correlati a Olsenella, Caecibacter, e Eubatterio possono essere importanti nei bovini.

Abbiamo utilizzato la pectinesterasi Pfam (PF01095) (EC 3.1.1.11) per esaminare i set di dati del microbioma ruminale per le firme dell'enzima che produce metanolo, PME. La pectinesterasi si trova comunemente nelle piante dove svolge un ruolo importante nella maturazione dei frutti, ma si trova anche nei fitopatogeni dove è coinvolta nella de-esterificazione della pectina in pectato e metanolo durante la scomposizione del materiale vegetale. Nel rumine, molti organismi sono coinvolti nella degradazione della pectina e i nostri screening hanno identificato la maggior parte degli organismi contenenti pectinesterasi appartenevano al genere Prevotella. Le sequenze del metagenoma erano brevi (in media 253 aa) rispetto alla lunghezza totale prevista delle proteine ​​PME, il che significava che non era possibile ottenere molto contesto genomico attorno a questi risultati metagenomici e metatrascrittomici. La maggior parte delle PME derivate dal metagenoma erano più simili alle PME trovate in Prevotella genomi della Collezione Hungate1000 o riportati da altri ambienti intestinali. Espressione PME in Prevotella è stato segnalato in precedenza come parte di uno studio che indagava le attività esterasi dei carboidrati coinvolte nella degradazione dell'emicellulosa [41]. L'espressione di P. ruminicola 23 pectin esterasi, Pec E1 e Pec E2, sono state analizzate durante la crescita su diversi carboidrati Pec E2 è risultata sovraregolata di più di 2 volte sugli xilo-oligosaccaridi derivati ​​dalla fibra di mais rispetto al glucosio, suggerendo un potenziale ruolo di questo enzima nella degradazione dell'emicellulosa .

Dalla nostra analisi preliminare risulta che Prevotella sono i principali fornitori di metanolo nel rumine poiché costituiscono la maggior parte delle sequenze PME. La particolare prevalenza di Prevotella I PME nell'intervallo di dimensioni 324-330 aa suggeriscono che queste attività enzimatiche contribuiscono in modo significativo. Dalle analisi genomiche, è probabile che Prevotella bryantii, Bacteroides sp. KHT7, e Lachnospira multipara sono degradatori di pectina specializzati, mentre Prevotella ruminicola e altro Prevotella, Butyrivibrio, e Oribatterio le specie sono batteri generalisti con la capacità di degradare la pectina. È interessante notare che i batteri cellulosici Fibrobacter succinogenes e Ruminococco sp. codificano le PME ma non sono in grado di utilizzare la pectina per la crescita e pertanto potrebbero utilizzare queste attività per eliminare le pectine e consentire l'accesso al loro substrato primario, la cellulosa.

I risultati dell'esperimento di arricchimento di pectina aggiungono un'altra dimensione a questo studio e hanno mostrato la potenziale importanza dei membri del microbiota ruminale distinti da quelli evidenziati dall'analisi dei singoli genomi e metagenomi. Tre genomi sono stati assemblati dalla sequenza del metagenoma del consorzio arricchito di pectina e l'analisi mostra che i tre organismi che codificano questi genomi probabilmente agiscono insieme per convertire la pectina in metano (Fig. 1). Il gene 16S rRNA dell'organismo 1 non era strettamente associato a nessun organismo coltivato, ma l'assenza di geni coinvolti nella biosintesi del peptidoglicano nel suo genoma, insieme alla prevista piccola dimensione del genoma, suggerisce fortemente che questo organismo è un membro della classe Mollicute nel phylum Tenericutes. Ci sono stati pochi studi sui membri ruminali di questo gruppo batterico, ma sono caratterizzati da un metabolismo fermentativo e si verificano in associazione con altri abitanti del rumine [42]. La presenza di CAZYmes GH10, GH32, GH43, GH53 e GH65, indica una capacità generale di degradare i polisaccaridi vegetali, mentre la presenza di poligalatturonasi GH28 extracellulari con domini di legame del poligalatturonato CBM32 suggerisce un certo grado di capacità di degradazione della pectina. Tuttavia, l'organismo 1 probabilmente non è in grado di utilizzare i principali prodotti di degradazione dell'omogalatturonano poiché non codifica per una pectina metil esterasi o alcuno degli enzimi della via di utilizzazione del galatturonato. Come le attività di degradazione dei polisaccaridi di altri batteri ruminali [43, 44], l'organismo 1 può utilizzare la sua attività di degradazione della pectina per eliminare la pectina dalle pareti cellulari delle piante e consentire l'accesso al suo substrato preferito, probabilmente l'emicellulosa.

Al contrario, Organismo 2 (Sphaerochaeta sp.) possiede il completo complemento di geni che codificano per gli enzimi necessari all'utilizzo del galatturonato, anche se non codifica per gli enzimi extracellulari coinvolti in questo processo. Ha un sistema di assorbimento ben sviluppato per i prodotti di degradazione della pectina e probabilmente trasporta i prodotti di degradazione della pectina degli Organismi 1 per agire come substrati per la sua crescita. Il PME codificato da questo Sphaerochaeta sp. può agire sugli oligogalaturonidi metossilati per rilasciare metanolo come preludio a un'ulteriore depolimerizzazione e fermentazione. Il profilo metabolico del Sphaerochaeta sp. indica che acetato, lattato ed etanolo si formerebbero anche dalla fermentazione di substrati derivati ​​dalla pectina. Questi composti sono potenziali fonti di energia e carbonio per l'organismo 3, il metanogeno metilotrofico metanosphaera sp., che ha il complemento genico necessario per la produzione di metano dal metanolo. Inoltre, questo metanosphaera sp. ha geni che codificano l'alcol putativo e l'aldeide deidrogenasi in altri metanogeni, questi geni hanno dimostrato di consentire l'uso dell'etanolo come fonte di potere riducente per la produzione e la crescita di metano in metanosphaera sp. WGK6 [36], Methanobrevibacter sp. AbM4 [37, 45] e Mbb. ruminantium [39]. Le forti somiglianze tra questi geni ci portano a prevedere che il metanosphaera sp. RUG761 [27] e Mbb. boviskoreani [38] entrambi condividono la stessa capacità di metanogenesi etanolo-dipendente.


INTRODUZIONE

L'aumento di tipi cellulari specifici rappresenta un segno distintivo dell'evoluzione dei metazoi. È accompagnato dall'acquisizione di famiglie multigeniche, che spesso codificano proteine ​​con struttura simile ma funzione distinta. Una di queste famiglie è rappresentata dalla famiglia delle proteine ​​dei filamenti intermedi (IF). I suoi membri fanno parte del citoscheletro della maggior parte delle cellule metazoiche. Gli IF dei vertebrati sono organizzati in cinque famiglie geniche distinte in base all'identità di sequenza e ai modelli di espressione (Fuchs e Weber, 1994EF9 Herrmann e Aebi, 2000EF11). Questi includono le cheratine (K), che rappresentano i gruppi di omologia di tipo I e II codificati da più di 20 geni, e altri 15 geni della cheratina dei capelli (Langbein et al., 1999EF21 Rogers et al., 2000EF34), le proteine ​​di tipo III desmina , vimentina, GFAP e peripherin, e il gruppo di omologia di tipo IV, che comprende α-internexina, sincoilina (Newey et al., 2001EF29), nestina, synemin e le proteine ​​del neurofilamento NF-L, -M e -H. Le lamine nucleari A/C, B1 e B2 formano il tipo V IF, mentre le proteine ​​del cristallino fachinina e filensina costituiscono un gruppo separato. Tutte le 16 proteine ​​IF note non cheratina, inclusa la sincoilina (Newey et al., 2001EF29) e la synemin (Becker et al., 1995EF2 M. Titeux et al., non pubblicata), sono state identificate mediante metodi biochimici, immunologici e di clonazione del cDNA. Il potere dell'approccio classico è meglio esemplificato dal lavoro pionieristico di Moll e Franke, che nel 1982 hanno stabilito il "catalogo delle citocheratine umane" (Moll et al., 1982EF28). Hanno gettato le basi per i profili di espressione della cheratina e hanno fornito una nomenclatura razionale. I loro dati si basavano sull'isolamento delle cheratine da tessuti normali e tumorali microdissezionati, separati in gel 2D ad alta risoluzione. Il sistema di numerazione per le cheratine di tipo II va da 1 a 8 con lettere per aggiunte successive e da 9 a 21 per cheratine di tipo I. Le cheratine dei capelli sono state denominate in modo analogo con le lettere Ha e Hb che indicano rispettivamente le cheratine dei capelli di tipo I e II (Langbein et al., 1999EF21 Rogers et al., 2000EF34). Lavori successivi hanno stabilito che tutte le proteine ​​IF, ad eccezione di alcune varianti polimorfiche (Mischke e Wild, 1987EF26 Korge et al., 1992EF17), sono codificate da geni a copia singola (Fuchs e Weber, 1994EF9). Una difficoltà dell'approccio biochimico e genetico classico è che potenziali cheratine minori e altre proteine ​​IF, presenti solo in poche cellule di un tessuto, o espresse transitoriamente durante lo sviluppo embrionale, potrebbero essere sfuggite al rilevamento.

Studi di mappatura genica hanno rivelato che i geni che codificano per proteine ​​IF non cheratina non sono raggruppati (International Human Genome Sequencing Consortium, 2001EF15). Tutti i geni della cheratina di tipo I (eccetto K18 Waseem et al., 1990EF41) sono raggruppati sul cromosoma 17q21 e i geni di tipo II su 12q13 (International Human Genome Sequencing Consortium, 2001EF15). L'analisi della trascrizione ha dimostrato che la diversità delle cheratine non è ulteriormente aumentata dallo splicing alternativo.

La conoscenza dei geni IF e dei modelli di espressione ha stimolato la scoperta di mutazioni puntiformi in un numero ancora crescente di geni IF, che ha fornito prove della loro rilevanza patogena nei disturbi umani (Bonifas et al., 1991EF3 Coulombe et al., 1991EF6 Lane et al. , 1992EF20 recensito da Irvine e McLean, 1999EF16). Tali "esperimenti della natura" hanno dimostrato che le mutazioni in almeno 14 geni della cheratina epidermica causano sindromi da fragilità dell'epidermide e delle sue appendici che sembrano derivare da un collasso di un citoscheletro di cheratina mutante. Formalmente, questa era la prova genetica di una vera funzione citoscheletrica di queste proteine. Mutazioni della desmina analoghe a quelle nelle cheratine epidermiche erano collegate a miopatie del muscolo scheletrico e cardiaco (Goldfarb et al., 1998EF10), mentre è noto che mutazioni puntiformi in GFAP causano la malattia di Alexander (Brenner et al., 2001EF4). Almeno due rapporti hanno collegato le mutazioni NF-L alla malattia di Charcot-Marie-Tooth di tipo 2E (Mersiyanova et al., 2000EF24 De Jonghe et al., 2001EF7). Infine, le mutazioni nei geni che codificano per le lamine nucleari A/C danno luogo a diversi disordini tissutali chiamati laminopatie (per una discussione recente, vedi Hutchison et al., 2001EF14 Wilson et al., 2001EF43). Questi dati supportano l'idea che le proteine ​​IF servano anche funzioni non citoscheletriche (Quinlan et al., 2001 Wilson et al., 2001EF43).

Ulteriori informazioni sulla funzione della proteina IF provengono da topi geneticamente modificati (H. Herrmann et al., non pubblicato). Un tema comune che emerge da tali studi è che esistono funzioni proteiche IF essenziali e non essenziali a seconda del contesto tissutale. L'ablazione delle cheratine porta a un'estesa fragilità dei tessuti nell'epidermide basale ma non soprabasale (Lloyd et al., 1995EF22 Peters et al., 2001EF30 Reichelt et al., 2001EF33). Inoltre, studi knockout hanno dimostrato che alcune proteine ​​IF si compensano a vicenda (Magin et al., 2000EF23). Inoltre, il fenotipo di alcuni topi knockout per il gene IF ha fatto luce su nuove patologie (Ku et al., 1999EF18 Caulin et al., 2000EF5 Hesse et al., 2000EF12 Tamai et al., 2000EF38).

L'analisi delle malattie con coinvolgimento di IF e la comprensione della funzione e dell'evoluzione degli IF saranno aiutate dalla conoscenza dei geni corrispondenti. Dato che attualmente sono stati identificati circa 40 geni funzionali della cheratina, siamo rimasti sorpresi dal gran numero di geni della cheratina nella bozza recentemente pubblicata del genoma umano. Per chiarire se esistono 111 geni della cheratina nel genoma umano (International Human Genome Sequencing Consortium, 2001EF15), abbiamo deciso di analizzare il set di dati disponibile nel pubblico dominio.


Altri fattori che influenzano l'espressione genica nei procarioti e negli eucarioti

Sebbene il focus sulla nostra discussione sul controllo trascrizionale abbia utilizzato gli operoni procarioti come esempi, il controllo trascrizionale eucariotico è simile in molti modi. Come nei procarioti, la trascrizione eucariotica può essere controllata attraverso il legame di fattori di trascrizione tra cui repressori e attivatori. È interessante notare che la trascrizione eucariotica può essere influenzata dal legame delle proteine ​​​​a regioni del DNA, chiamate potenziatori, piuttosto lontano dal gene, attraverso il DNA looping facilitato tra l'enhancer e il promotore (Figura 9). Nel complesso, la regolazione della trascrizione è un modo molto efficace per controllare l'espressione genica sia nei procarioti che negli eucarioti. Tuttavia, il controllo dell'espressione genica negli eucarioti in risposta a stress ambientali e cellulari può essere realizzato in altri modi senza il legame dei fattori di trascrizione alle regioni regolatorie.

Figura 9. Negli eucarioti, un potenziatore è una sequenza di DNA che promuove la trascrizione. Ciascun potenziatore è costituito da brevi sequenze di DNA chiamate elementi di controllo distali. Gli attivatori legati agli elementi di controllo distali interagiscono con proteine ​​mediatrici e fattori di trascrizione. Due geni diversi possono avere lo stesso promotore ma diversi elementi di controllo distali, consentendo un'espressione genica differenziale.

Controllo del livello del DNA

Negli eucarioti, le molecole di DNA o gli istoni associati possono essere modificati chimicamente in modo tale da influenzare la trascrizione questo si chiama regolazione epigenetica. È stato dimostrato che la metilazione di alcuni nucleotidi della citosina nel DNA in risposta a fattori ambientali influenza l'uso di tale DNA per la trascrizione, con metilazione del DNA comunemente correlato a livelli ridotti di espressione genica. Inoltre, in risposta a fattori ambientali, istone le proteine ​​per il confezionamento del DNA possono anche essere modificate chimicamente in diversi modi, tra cui acetilazione e deacetilazione, influenzando lo stato di confezionamento del DNA e quindi influenzando la disponibilità di DNA avvolto liberamente per la trascrizione. Queste modificazioni chimiche a volte possono essere mantenute attraverso più cicli di divisione cellulare, rendendo ereditabili almeno alcuni di questi cambiamenti epigenetici.

Questo video descrive come la regolazione epigenetica controlla l'espressione genica.

Pensaci

  • Cosa ferma o fa procedere la trascrizione quando è in funzione l'attenuazione?
  • Cosa determina lo stato di un riboswitch?
  • Descrivi la funzione di un potenziatore.
  • Descrivere due meccanismi di regolazione epigenetica negli eucarioti.

Focus clinico: Travis, risoluzione

Sebbene Travis sia sopravvissuto al suo attacco con la fascite necrotizzante, ora avrebbe dovuto sottoporsi a un intervento chirurgico di innesto cutaneo, seguito da una terapia fisica a lungo termine. Sulla base della quantità di massa muscolare che ha perso, è improbabile che la sua gamba ritorni a piena forza, ma il suo fisioterapista è ottimista sul fatto che riacquisterà un po' di uso della gamba.

I test di laboratorio hanno rivelato che l'agente eziologico dell'infezione di Travis era un ceppo di streptococco di gruppo A (streptococco di gruppo A). Come previsto dalla legge, il caso di Travis è stato segnalato al dipartimento sanitario statale e, infine, ai Centri per il controllo e la prevenzione delle malattie (CDC). Al CDC, il ceppo di streptococco di gruppo A isolato da Travis è stato analizzato in modo più approfondito per la resistenza alla meticillina.

La resistenza alla meticillina è codificata geneticamente e sta diventando più comune nello streptococco di gruppo A attraverso il trasferimento genico orizzontale. Nella fascite necrotizzante, il flusso sanguigno nell'area infetta è tipicamente limitato a causa dell'azione di varie tossine batteriche codificate geneticamente. Questo è il motivo per cui in genere c'è poco o nessun sanguinamento come risultato del test di incisione. Sfortunatamente, queste tossine batteriche limitano l'efficacia degli antibiotici per via endovenosa nell'eliminare l'infezione dalla pelle e dai tessuti sottostanti, il che significa che la sola resistenza agli antibiotici non spiega l'inefficacia del trattamento di Travis. Tuttavia, la terapia antibiotica per via endovenosa è stata giustificata per aiutare a ridurre al minimo il possibile esito della sepsi, che è un risultato comune della fascite necrotizzante. Attraverso l'analisi genomica del CDC del ceppo isolato da Travis, è stato dimostrato che molti importanti geni di virulenza sono codificati sui profagi, indicando che la trasduzione è importante nel trasferimento genico orizzontale di questi geni da una cellula batterica all'altra.

Concetti chiave e sintesi

  • Espressione genica è un processo strettamente regolamentato.
  • L'espressione genica nei procarioti è ampiamente regolata nel punto di trascrizione. L'espressione genica negli eucarioti è inoltre regolata post-trascrizionale.
  • I geni strutturali procariotici di funzione correlata sono spesso organizzati in operoni, il tutto controllato dalla trascrizione da un unico promotore. La regione regolatoria di un operone include il promotore stesso e la regione che circonda il promotore a cui i fattori di trascrizione possono legarsi per influenzare la trascrizione.
  • Anche se alcuni operatori lo sono espresso costitutivamente, la maggior parte è soggetta a regolamentazione mediante l'uso di fattori di trascrizione (repressori e attivatori). UN repressore si lega ad an operatore, una sequenza di DNA all'interno della regione regolatoria tra il sito di legame della RNA polimerasi nel promotore e il primo gene strutturale, bloccando così fisicamente la trascrizione di questi operoni. Un attivatore si lega all'interno della regione regolatoria di un operone, aiutando l'RNA polimerasi a legarsi al promotore, migliorando così la trascrizione di questo operone. Un induttore influenza la trascrizione attraverso l'interazione con un repressore o attivatore.
  • Il trp l'operone è un classico esempio di a operone reprimibile. Quando il triptofano si accumula, il triptofano si lega a un repressore, che quindi si lega all'operatore, impedendo un'ulteriore trascrizione.
  • Il lacca l'operone è un classico esempio an operone inducibile. Quando il lattosio è presente nella cellula, viene convertito in allolattosio. L'allolattosio agisce come un induttore, legandosi al repressore e impedendo al repressore di legarsi all'operatore. Ciò consente la trascrizione dei geni strutturali.
  • Il lacca anche l'operone è soggetto ad attivazione. Quando i livelli di glucosio sono esauriti, parte dell'ATP cellulare viene convertito in cAMP, che si lega al proteina attivatore dei cataboliti (CAP). Il complesso cAMP-CAP attiva la trascrizione del lacca operone. Quando i livelli di glucosio sono elevati, la sua presenza impedisce la trascrizione del lacca operone e altri operatori di repressione dei cataboliti.
  • Piccole molecole intracellulari chiamate allarmi sono realizzati in risposta a vari stress ambientali, consentendo ai batteri di controllare la trascrizione di un gruppo di operoni, chiamato regulon.
  • I batteri hanno la capacità di cambiare il che fattore di RNA polimerasi che usano in risposta alle condizioni ambientali per cambiare rapidamente e globalmente quali regulons vengono trascritti.
  • I procarioti hanno meccanismi di regolazione, tra cui attenuazione e l'uso di ribointerruttori, per controllare contemporaneamente il completamento della trascrizione e della traduzione da tale trascrizione. Questi meccanismi funzionano attraverso la formazione di anse staminali nell'estremità 5' di una molecola di mRNA attualmente in fase di sintesi.
  • Ci sono ulteriori punti di regolazione dell'espressione genica nei procarioti e negli eucarioti. Negli eucarioti, regolazione epigenetica mediante modifica chimica del DNA o degli istoni e la regolazione dell'elaborazione dell'RNA sono due metodi.

Scelta multipla

Quale dei seguenti è probabilmente un operone di geni che codificano enzimi in una via biosintetica?

Quale dei seguenti si dice che un operone che codifica geni che vengono trascritti e tradotti continuamente per fornire alla cellula livelli intermedi costanti dei prodotti proteici?

Quale delle seguenti condizioni porta alla massima espressione di lacca operone?

  1. lattosio presente, glucosio assente
  2. lattosio presente, glucosio presente
  3. lattosio assente, glucosio assente
  4. lattosio assente, glucosio presente

Quale delle seguenti è un tipo di regolazione dell'espressione genica unica degli eucarioti?

  1. attenuazione
  2. uso del fattore σ alternativo
  3. modificazione chimica degli istoni
  4. allarmi

Riempire gli spazi vuoti

La sequenza di DNA, a cui possono legarsi i repressori, che si trova tra il promotore e il primo gene strutturale è chiamata ________.

La prevenzione dell'espressione degli operoni che codificano il substrato utilizzano percorsi per substrati diversi dal glucosio quando è presente il glucosio è chiamata _______.


11.7 Regolazione genica: teoria dell'operone

Ogni cellula nucleata in un organismo multicellulare contiene copie dello stesso DNA. Allo stesso modo, tutte le cellule in due colture batteriche pure inoculate dalla stessa colonia di partenza contengono lo stesso DNA, ad eccezione dei cambiamenti che derivano da mutazioni spontanee. Se ogni cellula di un organismo multicellulare ha lo stesso DNA, allora come è possibile che le cellule in diverse parti del corpo dell'organismo presentino caratteristiche diverse? Allo stesso modo, come è possibile che le stesse cellule batteriche all'interno di due colture pure esposte a diverse condizioni ambientali possano esibire fenotipi diversi? In entrambi i casi, ogni cellula geneticamente identica non attiva, né esprime, lo stesso insieme di geni. Viene espresso solo un sottoinsieme di proteine ​​in una cellula in un dato momento.

Il DNA genomico contiene sia geni strutturali, che codificano prodotti che fungono da strutture cellulari o enzimi, sia geni regolatori, che codificano prodotti che regolano l'espressione genica. L'espressione di un gene è un processo altamente regolato. Mentre la regolazione dell'espressione genica negli organismi multicellulari consente la differenziazione cellulare, negli organismi unicellulari come i procarioti, garantisce principalmente che le risorse di una cellula non vengano sprecate per produrre proteine ​​di cui la cellula non ha bisogno in quel momento.

Chiarire i meccanismi che controllano l'espressione genica è importante per la comprensione della salute umana. I malfunzionamenti in questo processo nell'uomo portano allo sviluppo del cancro e di altre malattie. Comprendere l'interazione tra l'espressione genica di un agente patogeno e quella del suo ospite umano è importante per la comprensione di una particolare malattia infettiva. La regolazione genica implica una complessa rete di interazioni all'interno di una data cellula tra segnali dall'ambiente cellulare, molecole di segnalazione all'interno della cellula e il DNA della cellula. Queste interazioni portano all'espressione di alcuni geni e alla soppressione di altri, a seconda delle circostanze.

I procarioti e gli eucarioti condividono alcune somiglianze nei loro meccanismi per regolare l'espressione genica, tuttavia, l'espressione genica negli eucarioti è più complicata a causa della separazione temporale e spaziale tra i processi di trascrizione e traduzione. Pertanto, sebbene la maggior parte della regolazione dell'espressione genica avvenga attraverso il controllo trascrizionale nei procarioti, la regolazione dell'espressione genica negli eucarioti avviene a livello trascrizionale e post-trascrizionale (dopo che è stata effettuata la trascrizione primaria).

Regolazione del gene procariotico

Nei batteri e negli archei, le proteine ​​strutturali con funzioni correlate sono solitamente codificate insieme all'interno del genoma in un blocco chiamato operone e vengono trascritte insieme sotto il controllo di un singolo promotore, determinando la formazione di un trascritto policistronico (Figura 11.32). In questo modo, la regolazione della trascrizione di tutti i geni strutturali che codificano gli enzimi che catalizzano i molti passaggi in un'unica via biochimica può essere controllata simultaneamente, perché o saranno necessari tutti contemporaneamente o non ne servirà nessuno. Ad esempio, in E. coli , tutti i geni strutturali che codificano gli enzimi necessari per utilizzare il lattosio come fonte di energia si trovano uno accanto all'altro nel lattosio (o lacca) operone sotto il controllo di un unico promotore, il lacca promotore. Gli scienziati francesi François Jacob (1920–2013) e Jacques Monod dell'Istituto Pasteur sono stati i primi a mostrare l'organizzazione dei geni batterici in operoni, attraverso i loro studi sulla lacca operone di E. coli. Per questo lavoro hanno vinto il Premio Nobel per la fisiologia o la medicina nel 1965. Sebbene i geni eucariotici non siano organizzati in operoni, gli operoni procarioti sono modelli eccellenti per apprendere la regolazione genica in generale. Ci sono alcuni gruppi di geni negli eucarioti che funzionano in modo simile agli operoni. Molti dei principi possono essere applicati ai sistemi eucariotici e contribuiscono alla nostra comprensione dei cambiamenti nell'espressione genica negli eucarioti che possono provocare cambiamenti patologici come il cancro.

Ogni operone include sequenze di DNA che influenzano la propria trascrizione, queste si trovano in una regione chiamata regione regolatoria. La regione regolatoria comprende il promotore e la regione circostante il promotore, alla quale possono legarsi fattori di trascrizione, proteine ​​codificate da geni regolatori. I fattori di trascrizione influenzano il legame della RNA polimerasi al promotore e consentono alla sua progressione di trascrivere i geni strutturali. Un repressore è un fattore di trascrizione che sopprime la trascrizione di un gene in risposta a uno stimolo esterno legandosi a una sequenza di DNA all'interno della regione regolatoria chiamata operatore, che si trova tra il sito di legame della RNA polimerasi del promotore e il sito di inizio della trascrizione di il primo gene strutturale. Il legame del repressore blocca fisicamente la RNA polimerasi dalla trascrizione dei geni strutturali. Al contrario, un attivatore è un fattore di trascrizione che aumenta la trascrizione di un gene in risposta a uno stimolo esterno facilitando il legame della RNA polimerasi al promotore. Un induttore, un terzo tipo di molecola regolatrice, è una piccola molecola che attiva o reprime la trascrizione interagendo con un repressore o un attivatore.

Nei procarioti ci sono esempi di operoni i cui prodotti genici sono richiesti in modo abbastanza consistente e la cui espressione, quindi, non è regolata. Tali operoni sono espressi costitutivamente, nel senso che vengono trascritti e tradotti continuamente per fornire alla cellula livelli intermedi costanti dei prodotti proteici. Tali geni codificano per enzimi coinvolti nelle funzioni domestiche necessarie per il mantenimento cellulare, compresa la replicazione, la riparazione e l'espressione del DNA, nonché per gli enzimi coinvolti nel metabolismo centrale. Al contrario, ci sono altri operoni procarioti che vengono espressi solo quando necessario e sono regolati da repressori, attivatori e induttori.

Controlla la tua comprensione

  • Quali sono le parti nella sequenza del DNA di un operone?
  • Quali tipi di molecole regolatrici esistono?

Regolazione per repressione

Gli operoni procarioti sono comunemente controllati dal legame dei repressori alle regioni dell'operatore, impedendo così la trascrizione dei geni strutturali. Tali operoni sono classificati come operoni reprimibili S o operatori inducibili. Operoni reprimibili, come il triptofano (trp) operone, contengono tipicamente geni che codificano per enzimi necessari per una via biosintetica. Finché il prodotto della via, come il triptofano, continua ad essere richiesto dalla cellula, un operone reprimibile continuerà ad essere espresso. Tuttavia, quando il prodotto della via biosintetica inizia ad accumularsi nella cellula, eliminando la necessità per la cellula di continuare a produrre di più, l'espressione dell'operone viene repressa. Viceversa, operone inducibile S, come il lacca operone di E. coli , spesso contengono geni che codificano per enzimi in una via coinvolta nel metabolismo di un substrato specifico come il lattosio. Questi enzimi sono richiesti solo quando quel substrato è disponibile, quindi l'espressione degli operoni è tipicamente indotta solo in presenza del substrato.

Il trp Operone: un operone reprimibile

E. coli può sintetizzare il triptofano utilizzando enzimi codificati da cinque geni strutturali situati uno accanto all'altro nel trp operone (Figura 11.33). Quando il triptofano ambientale è basso, l'operone è attivato. Ciò significa che viene avviata la trascrizione, i geni vengono espressi e il triptofano viene sintetizzato. Tuttavia, se il triptofano è presente nell'ambiente, il trp l'operone è disattivato. La trascrizione non avviene e il triptofano non viene sintetizzato.

Quando il triptofano non è presente nella cellula, il repressore da solo non si lega all'operatore quindi, l'operone è attivo e il triptofano viene sintetizzato. Tuttavia, quando il triptofano si accumula nella cellula, due molecole di triptofano si legano al trp molecola repressore, che cambia la sua forma, permettendole di legarsi al trp operatore. Questo legame della forma attiva di trp il repressore all'operatore impedisce alla RNA polimerasi di trascrivere i geni strutturali, arrestando l'espressione dell'operone. Pertanto, il prodotto effettivo della via biosintetica controllata dall'operone regola l'espressione dell'operone.

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Guarda questo video per saperne di più su trp operone.

Il lacca Operone: un operone inducibile

Il lacca l'operone è un esempio di operone inducibile che è anche soggetto ad attivazione in assenza di glucosio (Figura 11.34). Il lacca l'operone codifica tre geni strutturali necessari per acquisire ed elaborare il disaccaride lattosio dall'ambiente, scomponendolo negli zuccheri semplici glucosio e galattosio. Per il lacca operone per essere espresso, il lattosio deve essere presente. Questo ha senso per la cellula perché sarebbe energeticamente dispendioso creare gli enzimi per elaborare il lattosio se il lattosio non fosse disponibile.

In assenza di lattosio, il lacca repressore è legato alla regione dell'operatore del lacca operone, impedendo fisicamente alla RNA polimerasi di trascrivere i geni strutturali. Tuttavia, quando è presente lattosio, il lattosio all'interno della cellula viene convertito in allolattosio. L'allolattosio funge da molecola induttore, legandosi al repressore e modificandone la forma in modo che non sia più in grado di legarsi al DNA dell'operatore. La rimozione del repressore in presenza di lattosio consente alla RNA polimerasi di muoversi attraverso la regione dell'operatore e iniziare la trascrizione del lacca geni strutturali.

Il lacca Operone: attivazione da parte di Catabolite Activator Protein

I batteri in genere hanno la capacità di utilizzare una varietà di substrati come fonti di carbonio. Tuttavia, poiché il glucosio è solitamente preferibile ad altri substrati, i batteri hanno meccanismi per garantire che i substrati alternativi vengano utilizzati solo quando il glucosio è stato esaurito. Inoltre, i batteri hanno meccanismi per garantire che i geni che codificano gli enzimi per l'utilizzo di substrati alternativi siano espressi solo quando il substrato alternativo è disponibile. Negli anni '40, Jacques Monod fu il primo a dimostrare la preferenza per alcuni substrati rispetto ad altri attraverso i suoi studi di E. colidi crescita quando coltivato in presenza di due diversi substrati contemporaneamente. Tali studi hanno generato curve di crescita diauxiche, come quella mostrata nella Figura 11.35. Sebbene venga utilizzato per primo il glucosio substrato preferito, E. coli cresce rapidamente e gli enzimi per il metabolismo del lattosio sono assenti. Tuttavia, una volta esauriti i livelli di glucosio, i tassi di crescita rallentano, inducendo l'espressione degli enzimi necessari per il metabolismo del secondo substrato, il lattosio. Notare come il tasso di crescita del lattosio sia più lento, come indicato dalla minore pendenza della curva di crescita.

La capacità di passare dall'uso del glucosio a un altro substrato come il lattosio è una conseguenza dell'attività di un enzima chiamato Enzima IIA (EIIA). Quando i livelli di glucosio diminuiscono, le cellule producono meno ATP dal catabolismo (vedi Catabolismo dei carboidrati) e l'EIIA diventa fosforilata. L'EIIA fosforilato attiva l'adenilato ciclasi, un enzima che converte parte dell'ATP rimanente in AMP ciclico (cAMP), un derivato ciclico dell'AMP e importante molecola di segnalazione coinvolta nel metabolismo del glucosio e dell'energia in E. coli. Di conseguenza, i livelli di cAMP iniziano ad aumentare nella cellula (Figura 11.36).

Il lacca anche l'operone svolge un ruolo in questo passaggio dall'uso del glucosio all'uso del lattosio. Quando il glucosio è scarso, l'accumulo di cAMP causato dall'aumento dell'attività dell'adenilato ciclasi si lega alla proteina attivatore dei cataboliti (CAP), nota anche come proteina del recettore del cAMP (CRP). Il complesso si lega alla regione del promotore del lacca operone (Figura 11.37). Nelle regioni regolatorie di questi operoni, un sito di legame CAP si trova a monte del sito di legame della RNA polimerasi nel promotore. Il legame del complesso CAP-cAMP a questo sito aumenta la capacità di legame della RNA polimerasi alla regione del promotore di iniziare la trascrizione dei geni strutturali. Quindi, nel caso di lacca operone, affinché avvenga la trascrizione, deve essere presente lattosio (rimuovendo la proteina lac repressore) e i livelli di glucosio devono essere ridotti (permettendo il legame di una proteina attivante). Quando i livelli di glucosio sono alti, c'è la repressione dei cataboliti degli operoni che codificano gli enzimi per il metabolismo di substrati alternativi. A causa dei bassi livelli di cAMP in queste condizioni, c'è una quantità insufficiente del complesso CAP-cAMP per attivare la trascrizione di questi operoni. Si veda la tabella 11.6 per una sintesi della regolamentazione del lac operone.


L'inizio dell'epigenetica

L'epigenetica è anche coinvolta nella regolazione dei geni in tempi diversi.

Gli episodi di malattia sono un esempio rilevante. Recentemente, c'è stato un articolo interessante su questo sito sull'herpes. Quella malattia è causata da un virus che infetta le cellule nervose.

Quando il virus è inattivo e i suoi geni non sono espressi, non ci sono sintomi. Ma, per ragioni che non sono del tutto comprese, il virus di tanto in tanto prende vita, i suoi geni si esprimono e si manifestano i sintomi.

Questo esempio è interessante perché riflette alcuni dei primi lavori sull'epigenetica. I ricercatori hanno lavorato su virus chiamati batteriofagi, che infettano i batteri. Il DNA virale si integra nel genoma batterico.

Se è attivo, il virus esprime i suoi geni, che producono più virus, e la cellula scoppia, liberando la progenie virale. Ma a volte, i geni virali rimangono inespressi. I batteri possono dividersi e moltiplicarsi per molte generazioni, trasportando continuamente il loro carico virale mortale, ma i geni virali non vengono espressi.

Quindi, alla fine, il virus può risvegliarsi, esprimere i suoi geni, fare progenie e far esplodere la cellula.

Questi modelli di geni virali attivati ​​o disattivati ​​- a volte per eoni in termini di generazioni batteriche - hanno affascinato i primi genetisti, come Francois Jacob, Jacques Monod, Francis Crick e Mark Ptashne, che un tempo era il capo della biochimica ad Harvard.

I geni virali non stavano cambiando: la progenie del virus era la stessa quando esplodeva dalla cellula. Ma l'espressione dei geni stava cambiando, poi via. C'era una sorta di cambiamento di stato che poteva essere ereditato.

Se i geni non cambiavano per mutazione, allora qualcosa in più sulla genetica stava cambiando: c'era un cambiamento nello stato epigenetico.

Allo stesso modo, non si pensa che le strisce bianche nella zebra siano dovute a mutazioni. Qualcosa si è depositato sopra il gene e lo ha messo a tacere, in alcuni luoghi o in alcuni momenti e non in altri. Cosa potrebbe essere?


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