Focus On! Corpi di Barr

I corpi della cromatina sessuale, meglio conosciuti come corpi di Barr, non sono altro che cromosomi X altamente spiralizzati in eterocromatina: in pratica sono cromosomi X "silenziati", con quasi tutti i geni inattivi. Le principali informazioni frutto di numerose ricerche sono queste:

• In tutte le cellule degli umani, eccezion fatta per gli individui affetti da mutazioni, le femmine hanno due cromosomi X: uno rimane attivo, ma l'altro risulta essere un corpo di Barr; nei maschi, l'unico cromosoma X è attivo. Quindi, l'espressione genica del cromosoma X è uguale in maschi e femmine.
• Negli organismi affetti da mutazioni genomiche su cromosomi sessuali, sembra che il numero di corpi di Barr equivalga al numero di cromosomi X presenti meno uno: in pratica, in ogni essere umano, è impiegato un solo cromosoma X.
• Nelle femmine di tutti i mammiferi, il cromosoma X che diviene corpo di Barr è scelto casualmente tra quello materno o quello paterno ma solo quello rimarrà sempre inattivo.
• Il meccanismo di inattivazione avviene mediante l'espressione genica di una regione del cromosoma X che rimarrà attiva solo in quello destinato a "silenziarsi" e si chiama centro di inattivazione dell'X (Xic): essa è la sede di principalmente quattro geni. Uno di essi produce un mRNA non traducibile, il trascritto specifico dell'X inattivo (Xist), che invece si dispone intorno al futuro corpo di Barr, come se lo isolasse dall'attività cellulare in una "gabbia".

Sitografia (per maggiori informazioni):

• http://books.google.it/books?id=tpC4zkcDtIkC&pg=PA190&lpg=PA190&dq=corpi+di+barr&source=bl&ots=HKHs4Rj59a&sig=hyxOdPyJZDpmUKeFkGv6LubU6YQ&hl=it&sa=X&ei=Va2YUebMJKTT7AaFn4CQDg&ved=0CGUQ6AEwBg#v=onepage&q=corpi%20di%20barr&f=false
• http://it.wikipedia.org/wiki/Corpo_di_Barr

Geni omeotici e genetica dello sviluppo

Con genetica dello sviluppo si intende un ramo della scienza (o meglio, della genetica) con oggetto di studio gli organismi pluricellulari, o meglio, i processi di sviluppo che coinvolgono gli individui dalle prime fasi di vita all'età adulta. Una volta originato lo zigote, che è dotato del genoma necessario, esso continua a duplicarsi dando vita a numerose cellule che mano a mano si differenziano sempre più, silenziando il resto del genoma non più funzionale al suo scopo.

• Lo sviluppo embrionale degli organismi pluricellulari è stato studiato principalmente sugli animali: in particolare, sulle specie Drosophila melanogaster (moscerino della frutta), Mus musculus (un topo), Danio rerio (un pesce di piccole dimensioni) e Caenorhabditis elegans (un nematode).

Il verme nematode Caenorhabditis Elegans e la Drosophila melanogaster, alias moscerino della frutta.

• Per tutto lo sviluppo embrionale degli animali persiste un processo detto regolazione genica differenziale: in pratica, dei fattori di regolazione agiscono sui geni attivandoli o disattivandoli a precisi tempi scanditi, definendo così le caratteristiche fisiche peculiari dell'organismo. I fattori di regolazione, una volta compiuta la loro missione, ne attivano altri che intervengono nelle fasi successive.
• Ora, il processo di sviluppo embrionale animale (qui basato su Drosophila melanogaster) si compone principalmente di 4 fasi:

embrione di Drosophila in fase 1

1. Siamo a livello della cellula uovo quando si attua la distinzione tra estremità anteriore e posteriore; ora, le cosiddette nurse cells (alcune cellule specializzate) attivano dei geni dei bicoidi che sono soggetti a trascrizione, producendo filamenti di mRNA omonimo che si accumulano nella cellula uovo in quella che sarà la parte anteriore dell'organismo. Si formano, così, l'asse antero-posteriore e, successivamente, gli assi dorso-ventre, destro-sinistro che danno indicazioni alle cellule sul luogo dove posizionarsi.
2. Altri fattori di trascrizione stimolano la segmentazione dell'embrione: ognuno di essi svilupperà particolari caratteristiche nell'organismo adulto.
3. A questo, ultimata la differenziazione base si procede con l'assemblaggio di strutture più specifiche: in particolare, l'attivazione di particolari geni, detti omeotici, promuove la formazione di determinate parti del corpo in determinati segmenti. Teniamo nota del fatto che questi ultimi contengono una sequenza, lunga circa 180 paia di nucleotidi, che è comune a tutti i geni omeotici dell'individuo e molto simile a quelle di omeogeni di altre specie: si chiamano homeobox e codificano proteine omonime in grado di regolare l'espressione di più geni contemporaneamente.
4. Quest'ultima fase consiste principalmente la distinzione delle varie cellule in tessuti. Questo, in realtà, è un processo continuo che vede una cellula staminale di partenza, che è quindi totipotente (in grado di formare una qualunque cellula dell'organismo), continuare a duplicarsi: le cellule figlie perdono questa abilità piano piano, diventando pluripotenti (riescono a formare cellule specifiche per apparati e sistemi) nello stadio embrionale. Di queste ultime, però, rimangono solo delle tracce nel cordone ombelicale: infatti, già nello stadio fetale, le successive cellule figlie sono diventate multipotenti, se non unipotenti.

Differenziazione delle cellule staminali

Regolazione genica post-trascrizionale

Fino ad ora ci siamo occupati della regolazione dell'espressione genica a livello della trascrizione ma la sintesi proteica non finisce qui: dato che l'intero processo è supervisionato dall'operato dei geni regolatori, esistono controlli anche nelle fasi di maturazione del trascritto, traduzione e post-traduzione.

• In particolare, abbiamo già accennato lo splicing alternativo per quel che riguarda la maturazione del pre-mRNA: significa che, una volta rimossi gli introni, gli esoni possono essere ri-legati in diversi modi per dare origine a proteine diverse pur partendo dall'informazione di un gene. Anche questo processo richiede, quindi, meccanismi di controllo a seconda di quale proteina necessita la cellula.

• Nel caso della fase traduzionale, essa può essere sospesa, se l'mRNA è già presente nel citoplasma e non è necessaria l'ulteriore produzione di molecole, impedendo l'interazione tra ribosomi e RNA messaggero: questo avviene grazie alla modifica della sequenza leader dell'mRNA o grazie all'azione di particolari composti detti repressori traduzionali. 
• Questi ultimi sono polimeri di varia natura, tra cui proteine, come la FMRP che opera all'interno delle cellule nervose, e molecole di RNA, quali i microRNA (miRNA) e i brevi RNA interferenti (siRNA, ossia short-interfering RNA). In particolare, questi ultimi agiscono sui frammenti di RNA messaggero giunti al termine del loro ciclo vitale o dannosi per l'organismo mediante una serie di processi che sono definiti nell'insieme RNA interference (RNAi); essa si svolge così:

1. Il pre-miRNA e il pre-siRNA sono trascritti in una molecola a doppio filamento.
2. Da esso, si separano dei filamenti singoli di siRNA o miRNA lunghi, in media, 22 nucleotidi che formano un complesso con altre proteine. 
3. Un tratto di mRNA si lega col siRNA o col miRNA per complementarietà.
4. A seconda del grado di complementarietà, il complesso multiproteico può inibire la traduzione (bassa complementarietà) o degradare il filamento di mRNA (alta complementarietà).

• Il fatto che questi RNA siano costituiti da pochi nucleotidi è notevole e molto importante perchè essi possono anche essere riprodotti artificialmente in laboratorio, in modo tale da poter trovare cure per certe malattie dove alla base risiede la formazione di proteine anomale o RNA estraneo.
• I controlli successivi alla traduzione coinvolgono la catena polipeptidica formatasi: una volta funzionale, essa è sottoposta a controlli (quali la permanenza nell'ambiente cellulare o la necessità del suo operato) mediante rottura della stessa o blocco temporaneo.

Regolazione genica eucariote: trascrizione

Il processo di trascrizione nelle cellule eucariote, nonostante presenti alla base della regolazione genica i processi procarioti (e quindi si riscontrano in tutti gli organismi la presenza di attivatori e repressori), è controllato da un numero di fattori molto più elevato per diversi motivi:

1. Il DNA eucariote non presenta alcun operone perchè i geni strutturali sono tutti separati e necessitano meccanismi di controllo peculiari.
2. Il promotore può essere lungo parecchie sequenze nucleotidiche.
3. Il DNA può trovarsi in eucromatina ed eterocromatina a seconda del livello di spiralizzazione: quest'ultima, in particolare, non può essere trascritta.
4. Ogni cellula appartiene ad un particolare tessuto e quindi un certo numero specifico di geni strutturali.

• In particolare, gli ultimi due punti ribadiscono ulteriormente che le informazioni contenute in ogni singola cellula non sono utilizzate tutte contemporaneamente, ma che quelle non funzionali al suo scopo sono "silenziate": solitamente, questo perchè esse sono perennemente condensate in eterocromatina o perchè a quei geni è stato attaccato un gruppo metile che è in grado di inibire la trascrizione.

• Per despiralizzare la cromatina, intervengono degli enzimi in grado di alterare la struttura nucleosomica: l'istone-acetiltransferasi, per esempio, agisce sugli istoni mediante l'aggiunta di un gruppo acetile che attenuano l'interazione col DNA.

L'azione dell'enzima istone-acetiltransferasi e l'eventuale rimozione del gruppo metile dal DNA sono il primo passo per permettere la trascrizione di un gene prima "silenziato"; la disattivazione di un gene avviene spesso mediante metilazione del DNA e la condensazione in eterocromatina.

• Il promotore è suddiviso in 3 diverse regioni:

1. Una sorta di sequenza-amplificatore, distante e lunga anche un centinaio di nucleotidi dal vero e proprio gene, è definita sito degli elementi regolatori: è la sede dei fattori di regolazione e si chiama enhancer se la proteina è un attivatore o silencer se questa è un repressore.
2. Una particolare sequenza nucleotidica (5' - TATAAA - 3'), definita TATA box, è la regione che localizza il punto esatto dove può avvenire la trascrizione.
3. L'ultima sequenza, il sito di inizio della trascrizione, è dove si inserisce la RNA polimerasi II per dare inizio alla trascrizione: dista circa 25 paia di basi azotate dopo il TATA box.

• Ora, definiamo come promotore basale la macroregione composta da TATA box e sito di inizio
• La trascrizione dell'mRNA avviene a seguito di certi processi che promuovono l'operato della RNA polimerasi II:

1. La proteina "attivatore" si lega all'enhancer (sito degli elementi regolatori).
2. Interviene un altro fattore di regolazione della trascrizione chiamato TFIID che si attacca al TATA box.
3. Quest'ultimo, favorisce l'attacco della RNA polimerasi II al sito di inizio della trascrizione e il legame tra 5 fattori di regolazione, detti nell'insieme GTF (fattori di trascrizione generali), al promotore basale: l'insieme creatosi (promotore basale + RNA polimerasi II + GTF) è definito complesso di pre-inizio.
4. Nel caso il sito degli elementi regolatori sia molto lontano dal promotore basale, il DNA si ripiega permettendo ad un'altra molecola, detta mediatore, di interagire sia col complesso di pre-inizio, sia con l'attivatore. Adesso la RNA polimerasi II procede con la produzione di un trascritto.

Promozione della trascrizione grazie all'intervento del mediatore

Regolazione genica procariote: trascrizione

Il controllo della sintesi proteica negli organismi procarioti avviene quasi essenzialmente durante il processo di trascrizione dell'RNA messaggero: infatti, la traduzione è un processo direttamente conseguente che non è soggetto a regolazioni e i controlli post-traduzionali sono minori.

• Ricordando che il processo di traduzione inizia da una particolare sequenza nucleotidica detta promotore, è opportuno sottolineare che la RNA polimerasi è la struttura che più necessita di essere "controllata" (nel senso che i geni regolatori devono intervenire più che altro per impedire che quest'ultima inizi a produrre trascritti a catena).
• I geni regolatori intervengono codificando particolari proteine chiamate fattori di regolazione della trascrizione: esse si legano in una zona in prossimità delle sequenze promotrici che viene detta operatore e svolge una funzione regolatrice. 
• Molti studi hanno rilevato che il DNA procariote è formato da molte unità "promotore-operatore-gene/i strutturale/i" che sono state chiamate operoni. I geni regolatori, invece, non presentano questa struttura e possono essere situati anche lontani dal rispettivo operone. 
• Le proteine di regolazione della trascrizione possono agire in due metodi differenti e quindi sono divise in due categorie:

1. Gli attivatori: sono i fattori di regolazione che agiscono promuovendo la trascrizione.
2. I repressori: sono i fattori di regolazione che inibiscono la trascrizione. Queste proteine hanno un sito di legame col DNA e, a volte, un secondo dominio dove si inserisce una molecola detta effettrice che modifica la forma del repressore, impedendogli di svolgere la sua funzione e, quindi, permettendo la trascrizione.

Il DNA batterico: strutture dei geni regolatori e dei geni strutturali in operoni

• Data la quasi totale assenza degli introni, spesso un solo trascritto di mRNA procariote porta l'informazione di più geni che quindi sono tradotti dal polisoma: il risultato è un numero di polipeptidi maggiori a parità di tempo. 
• Tutta questa rapidità e concatenazione di processi è molto efficiente ed essenziale nei batteri: infatti, l'mRNA non subisce i trattamenti di maturazione eucariote ed è quindi demolito o fagocitato in fretta dalle proteine nel citosol che lo percepiscono come estraneo.
• Le molecole effettrici sono differenziate in due categorie a seconda del fattore di regolazione:

1. I corepressori: esse sono quelle che agiscono attivando il repressore per impedire la trascrizione, ciò significa che il repressore, di norma, non è legato all'operatore.
2. Gli induttori: esse invece rendono inattivo il repressore per promuovere la trascrizione, ciò implica che il repressore, di norma, è legato all'operatore.

L'operone "triptofano" è un esempio dove il repressore, di norma, è inattivo: la molecola effettrice (il triptofano) consente al repressore di legarsi all'operatore, quindi è un corepressore. Risulta efficiente perchè, di norma, l'amminoacido triptofano è sintetizzato dalla cellula; quindi, se questo è già presente e non deve essere più prodotto, basta che esso agisca da corepressore.

Nell'operone "lattosio" il repressore è attivo di default: la molecola effettrice è, quindi, un induttore. Accade perchè, senza lattosio, è inutile che avvenga la trascrizione dei 3 geni strutturali nell'operone. Quando del lattosio entrerà nella cellula, essa produce l'allolattosio (uno zucchero simile) che agisce da induttore e promuove la trascrizione dell'operone che comprende i geni necessari all'impiego del lattosio: nell'ordine, la beta-galattossidasi (scinde il disaccaride lattosio nei due monosaccaridi galattosio e glucosio), la beta-galattosside permeasi (favorisce l'ingresso del lattosio nel citoplasma) e la transacetilasi (trasferisce un gruppo acetile al galattosio).

Geni strutturali e geni regolatori

I geni a cui ci si è sempre riferito finora, ossia quelli codificanti per proteine, non sono tutti i geni presenti nel DNA: sono solo una parte di essi che svolgono un ruolo principalmente costruttivo nella cellula e sono definiti geni strutturali.

• Gli altri geni, invece, svolgono una funzione di controllo dei processi nella cellula e sono, infatti, i cosiddetti geni regolatori: questi ultimi sono anche alla base della regolazione genica, ovvero permettono un impiego funzionale dei geni strutturali.
• In pratica, l'operato di questi geni sempre attivi regola anche lo svolgimento dell'attività di sintesi proteica in tutte le sue fasi (ma principalmente durante la trascrizione, dove è deciso quando questa deve avvenire).
• La sintesi proteica è regolata, solitamente, attivando o disattivando i geni strutturali a seconda delle necessità nell'intento di risparmiare preziosa energia: esempi di regolazione genica sono la produzione dell'enzima beta-galattosidasi (è in grado di scindere il legame glucosio-galattosio che forma il disaccaride "lattosio"), che avviene continuamente solo se nel citoplasma è presente lattosio, e la biosintesi del triptofano (un amminoacido), che cessa (interrompendo la produzione degli enzimi necessari) se nel citoplasma è già presente l'amminoacido.
• Nei batteri, a volte, sono presenti dei geni strutturali che codificano proteine talmente importanti che quasi non subiscono controlli: sono i cosiddetti geni costitutivi; tranne queste eccezioni, negli organismi non viene mai utilizzato completamente il DNA. In particolare, negli organismi pluricellulari, dove le cellule somatiche sono differenziate in tessuti ognuno con una funzione precisa, esse impiegano geni strutturali diversi per produrre proteine e a seconda della loro suddivisione, disattivando quelli non adatti. 

Mediante l'esperimento di John B.Gurdon (1962), è stato dimostrato che nonostante le cellule somatiche pluricellulari producono diverse proteine (proteoma), il corredo genetico è uguale in tutte (genoma): Gurdon riuscì a clonare una rana impiantando il nucleo di una cellula intestinale (somatica) di un girino in una cellula uovo priva di nucleo

Le mutazioni geniche

Le mutazioni geniche sono quelle che coinvolgono i geni, quindi risultano pericolose per la corretta sintesi proteica e non solo.

• In particolare, le mutazioni geniche sono principalmente mutazioni puntiformi, ossia riguardanti uno o più nucleotidi. Ne esistono diversi tipi: alcuni comportano la sostituzione di nucleotidi, altri l'aggiunta, altri ancora la perdita.
• Tra le mutazioni geniche puntiformi che avvengono per sostituzione abbiamo: 

1. Mutazioni silenti: la sostituzione di un nucleotide non comporta la modifica dell'amminoacido prodotto: la mutazione è avvenuta ma, di fatto, non influisce nella traduzione del messaggio genetico.
2. Mutazioni di senso: la sostituzione di un nucleotide porta la produzione di un altro amminoacido: la mutazione comporta la produzione di una catena polipeptidica differente che non è sempre, però, origine di gravi malattie.
3. Mutazioni non senso: la sostituzione di un nucleotide rende la tripletta, ora, un codone d'arresto: la mutazione comporta l'interruzione della catena polipeptidica che risulta non più funzionale e una serie di conseguenze più o meno gravi per l'organismo a seconda dell'importanza del gene.

• Le mutazioni puntiformi che avvengono per inserzione (aggiunta) o per delezione (perdita) sono due:

1. Mutazione in frame: avviene un'aggiunta (o una perdita) di uno o più codoni di nucleotidi, nel senso che i nucleotidi sono inseriti (o tolti) "a gruppi" di 3; nonostante queste mutazioni non compromettano la traduzione ribosomiale per triplette dell'RNA messaggero, le conseguenze nell'avere un amminoacido in più (o in meno) nella catena polipeptidica sono di entità variabile.
2. Mutazioni frame-shift: l'aggiunta (o la perdita) di uno o più nucleotidi non avviene per codoni, ossia "per gruppi" di 3. Queste mutazioni, invece, portano la formazione di una catena polipeptidica uguale solo parzialmente a quella originale; risulterà, al termine, anomala, sia per l'errato inserimento degli amminoacidi, sia per l'errata traduzione ribosomiale della sequenza terminale dell'RNA messaggero.

• Tra le mutazioni geniche non puntiformi, troviamo le mutazioni dinamiche, che consistono nella ripetizione di triplette sovrabbondanti in determinate regioni (codificanti o non) del DNA; le mutazioni dinamiche accadono per errata duplicazione del DNA. Queste comportano una disparità nel numero di nucleotidi tra i due filamenti complementari e quindi il loro errato appaiamento.