L'espressione e la regolazione geniche

u L'espressione genica

Per espressione genica si intende essenzialmente la trascrizione, cioè la lettura, di un determinato gene con conseguente produzione della proteina che da esso è codificata. In altre parole, il segmento di DNA che contiene il gene in questione viene trascritto in RNA, il quale viene poi utilizzato per produrre la proteina corrispondente.

In teoria, potrebbe avvenire che ogni gene venga continuamente espresso, che cioè produca di continuo la sua specifica proteina. E si è visto che in alcuni casi è veramente così, ci sono in effetti geni che sono espressi costantemente ad un determinato livello. Ma, quando si è iniziato a studiare l'espressione genica in organismi unicellulari, si è visto che alcuni geni non hanno un'espressione continua ed uniforme nel tempo, ma possono aumentare il loro livello d'espressione in alcuni momenti. Vi sono geni che sono completamente spenti, ma che vengono attivati in risposta ad alcuni stimoli ambientali, ad esempio la presenza di glucosio o altre sostanze nutritive nel terreno di cultura. Questo fenomeno è stato poi confermato anche nelle cellule di mammifero: ad esempio, se la cellula viene esposta per un breve periodo ad una temperatura vicina ai 40°C, condizione in cui una normale cellula non può sopravvivere per lunghi periodi, si nota che alcune proteine vengono prodotte ex novo. Fenomeni di questo genere hanno fatto pensare che vi siano delle regioni nel genoma che agiscono come dei "sensori" degli stimoli ambientali, attivando una risposta dell'organismo che si traduce in un'elevata attivitΰ del gene necessario a rispondere alle modificazioni ambientali.

u Geni ubiquitari, inducibili e tessuto-specifici

L'espressione genica pertanto non è sempre costante neanche negli organismi più semplici. Diciamo che negli organismi più semplici vi è un certo insieme di geni che vengono costantemente espressi in quanto sono necessari alla fisiologia di base e altri che vengono attivati in risposta a stimoli esterni. Ma negli organismi complessi le cose sono ancora più complicate. Negli organismi multicellulari, non vi è solo il problema della risposta agli stimoli esterni, ma vi è anche il problema della diversità tra cellula e cellula: è il problema del differenziamento. Qual è la base di questa variazione intercellulare nell'ambito dello stesso organismo? La risposta oggi è nota: cellule diverse esprimono insiemi diversi di geni, il che equivale a dire che eseguono istruzioni diverse del programma contenuto nel loro genoma. Pertanto, anche se l'intero programma è disponibile in ogni cellula, solo una porzione di esso viene utilizzata da ogni singola cellula. Naturalmente anche in questo caso, vi saranno geni che sono espressi in ogni cellula, in quanto servono per eseguire i lavori di base, quelli senza i quali la cellula non puς provvedere ad altre attività più delicate. Questi geni sono detti ad espressione ubiquitaria e vanno a volte sotto la dizione di geni housekeeping. Altri geni però saranno specifici per i vari tipi di tessuto e alcuni di essi saranno addirittura i determinanti dello specifico tipo di differenziamento tissutale. In altre parole, l'espressione di alcuni geni è il primum movens della scelta della cellula di diventare tessuto nervoso, epatico, ematopoietico, renale e così via.

u Le regioni regolatrici

Pertanto, se non tutti i geni sono espressi nello stesso momento, se i loro livelli possono essere indotti da stimoli ambientali o addirittura nell'ambito dello sviluppo dello stesso organismo, sembra necessario pensare che essi siano in qualche modo "regolati". Quello della regolazione genica è un concetto fondamentale che ha portato oggi a ritenere che nel genoma non siano solamente presenti sequenze che codificano le proteine (secondo un codice ben noto, quello per il quale ad ogni aminoacido corrisponde una o più triplette nucleotidiche del DNA), ma anche sequenze che attivano o reprimono la "lettura" di queste regioni codificanti. Queste regioni vengono oggi raccolte sotto la dizione di "regioni regolatrici".

In cosa consiste una regione regolatrice? Non è facile dirlo, perchè al momento non abbiamo un quadro esplicativo generale del calibro di quello che ci consente, invece, di predire con precisione la sequenza aminoacidica di una proteina da quella nucleotidica (il codice genetico). Ma alcuni dati sono tuttavia acquisiti. Negli anni sessanta si notò che, se si tentava di far produrre una proteina inserendo solo il cDNA che la codifica in un plasmide, la proteina non veniva prodotta affatto. Si riusciva a far produrre la proteina solo iniettando la sua sequenza concatenata a sequenze prelevate da altri organismi (virus compresi) e disposta a valle della catena. Poi si notò anche che la proteina veniva prodotta se la sequenza iniettata conteneva, a monte del cDNA della proteina, altre sequenze che, anche nel gene originario, si trovavano vicine (e in genere a monte). Questo ha portato a pensare che, di fianco ad ogni gene, vi siano delle sequenze che ne consentono l'espressione, cioè sequenze regolatrici. Man mano che aumentava la nostra comprensione, sono stati coniati vari termini per definire le funzioni regolatrici, quali quelli di promoter, enhancer, silencer, ecc. Vi sono geni che vengono regolati singolarmente, ma vi sono anche regolazioni sovrageniche, che presiedono alla regolazione concomitante di più geni.

u La regolazione è un fenomeno estremamente complesso

Le sequenze contenute del DNA sono tuttavia solamente una delle componenti che presiedono alla regolazione dei geni. Almeno due altri attori sono coinvolti in questo sottile gioco. Il primo è l'organizzazione della cromatina. Dentro ad ogni nucleo, il DNA non è nudo, ma è avvolto da un insieme di proteine (che con il DNA formano appunto la cromatina) che influenzano notevolmente l'espressione dei geni in esso contenuti. Si sa oggi che, in una determinata cellula, i geni espressi e i geni inespressi sono associati a stati della cromatina diversi. Questo dipende dalla presenza di proteine che avvolgono il DNA in maniera diversa o da modificazioni particolari del DNA stesso (metilazione del DNA, acetilazione degli istoni, ecc).

La seconda componente è invece data da proteine specifiche che si associano alle sequenze regolatrici attivando o reprimendo l'espressione genica. Queste proteine che vengono raccolte sotto il nome di "fattori di trascrizione", modificano la struttura tridimensionale del cromosoma in un determinato punto e ne consentono o ne reprimono l'espressione. Anche se molti di questo fattori sono conosciuti, e anche se si intuisce che l'espressione di un determinato gene è dovuta all'interazione di sequenze specifiche di DNA, a proteine che ad esse si legano e a modifiche dello stato della cromatina, i meccanismi esatti che avvengono nel nucleo della cellula non sono ancora ben chiariti. Su questo argomento non siamo ancora in grado di conglobare tutti i dati, alcuni dei quali apparentemente contradditori, in un'unica teoria intellettualmente soddisfacente.