Funzione del gene

Temi in questa pagina:

• Trascrizione
• Traduzione
• Riassunto della funzione genica

I cromosomi nelle nostre cellule contengono un’enorme quantità di informazioni. Si stima che gli esseri umani abbiano circa 30.000 geni. Ogni gene codifica per una molecola di RNA che viene utilizzata direttamente o usata come guida per la formazione di una proteina come l’insulina mostrata prima. L’informazione nelle nostre cellule generalmente scorre in un ordine prevedibile dalla forma di memorizzazione dell’informazione (DNA) attraverso la forma di lavoro (RNA) fino al prodotto finale (proteina). Ulteriori informazioni sugli argomenti di questa pagina possono essere trovate anche nella maggior parte dei libri di testo introduttivi alla biologia, noi raccomandiamo Campbell Biology, 11a edizione.1 Questo percorso è usato da tutti gli organismi ed è schematizzato qui sotto.

Come mostrato, il DNA è usato come guida o modello per la produzione di altro DNA. Questo processo, noto come replicazione, è trattato qui.

Il processo in cui particolari sezioni di DNA (geni) sono usate per produrre RNA è noto come trascrizione. Tratteremo la trascrizione in dettaglio perché le alterazioni nella trascrizione di certi geni sono molto importanti nello sviluppo del cancro.

L’insieme dei geni che sono ‘accesi’ in un dato momento è critico. L’ambiente variabile in cui viviamo significa che diversi geni devono essere “accesi” in momenti diversi. Per esempio, se un pasto contiene grandi quantità di lattosio, uno zucchero presente nel latte, allora il nostro corpo risponde accendendo (trascrivendo) i geni che portano alla produzione di enzimi che scompongono il lattosio. Se è presente uno zucchero o un nutriente diverso, i geni corretti devono essere attivati per processarlo.

Trascrizione

L’obiettivo della trascrizione è quello di fare una copia RNA di un gene. Questo RNA può dirigere la formazione di una proteina o essere usato direttamente nella cellula. Tutte le cellule con un nucleo contengono la stessa esatta informazione genetica. Come discusso, solo una piccola percentuale dei geni viene effettivamente utilizzata per fare RNA in qualsiasi momento in una particolare cellula. Il processo di trascrizione è strettamente regolato nelle cellule normali.

• I geni devono essere trascritti al momento giusto.
• L’RNA prodotto da un gene deve essere fatto nella quantità corretta.
• SOLO i geni necessari devono essere trascritti.
• Spegnere la trascrizione è importante quanto accenderla.

Lo si può immaginare come una sofisticata linea di produzione, come si trova in una fabbrica. Vorresti che la catena di montaggio funzionasse quando hai bisogno del prodotto e si spegnesse quando non ne hai più bisogno.

I cromosomi umani contengono un’enorme quantità di informazioni. Ogni cromosoma è composto da un singolo pezzo estremamente lungo di DNA composto da milioni di nucleotidi. Un singolo gene occupa solo un piccolo tratto di un cromosoma.

Mostra nell’animazione sottostante l’organizzazione del DNA in un cromosoma. Il DNA è strettamente arrotolato e avvolto per occupare meno spazio, proprio come il filo che si avvolge su una bobina. Il cromosoma mostrato sotto è stato copiato o replicato e ha una caratteristica forma a X. I cromosomi hanno questo aspetto prima della divisione cellulare.

Fasi della trascrizione

Perché la trascrizione funzioni, ci deve essere un modo per identificare dove il processo deve iniziare e finire. Questo viene realizzato da proteine speciali, che si legano all’inizio dei geni che devono essere trascritti. Queste proteine sono chiamate fattori di trascrizione.

Il processo di trascrizione è diviso in diverse fasi:

1. Un fattore di trascrizione riconosce il sito di inizio (promotore) di un gene che deve essere trascritto.

2. L’enzima che produce l’RNA (RNA polimerasi) si lega al fattore di trascrizione e riconosce la regione di inizio.

3. L’enzima procede lungo il DNA facendo una copia fino alla fine del gene.

4. L’enzima cade e l’RNA viene rilasciato. Questo processo di copia può essere ripetuto numerose volte.

5. Se l’RNA è uno che codifica per una proteina, lascerà il nucleo ed entrerà nel citosol.

Ricorda che il gene raffigurato sopra è in realtà un tratto di nucleotidi lungo una molecola di DNA (il cromosoma).

L’attività inappropriata dei fattori di trascrizione è stata identificata in quasi tutti i tipi di cancro conosciuti. Poiché questi fattori sono essenziali per le attività ordinate di una cellula, un componente che si comporta male può avere effetti importanti per tutte le altre parti della cellula. Rivisitando l’analogia della linea di produzione, un fattore di trascrizione che si comporta male potrebbe portare la catena di montaggio ad essere attiva quando non dovrebbe, creando troppo prodotto. In alternativa, la linea potrebbe non essere attiva quando è necessaria, portando a un deficit di un particolare prodotto.

Fattori di trascrizione

Alcuni esempi di fattori di trascrizione che funzionano male nei tumori umani sono:

• p53 (TP53)- Il gene che codifica per il fattore di trascrizione p53 (proteina) è mutato in oltre la metà di tutti i tumori di qualsiasi tipo. La proteina che il gene p53 codifica è importante perché controlla la trascrizione dei geni che sono coinvolti nel causare la divisione delle cellule. Maggiori informazioni sul gene p53 possono essere trovate nella sezione sui soppressori tumorali.
• Rb – Il prodotto proteico di questo gene è un fattore di trascrizione con una funzione interessante. In realtà funziona bloccando altri fattori di trascrizione. In questo modo, Rb impedisce la trascrizione di geni chiave necessari per il progresso della divisione cellulare. Inizialmente descritto come un gene mutato nel retinoblastoma, un cancro dell’occhio da cui il gene deriva il suo nome, la proteina Rb è ora nota per avere un ruolo in molti tipi di cancro diversi. Maggiori informazioni sul gene Rb possono essere trovate nella sezione sui soppressori tumorali.
• Il recettore degli estrogeni (ER) – Questa proteina si lega agli estrogeni che entrano nella cellula. L’estrogeno è un ormone steroideo (lipidico) prodotto dalle ovaie. La combinazione di proteina e ormone agisce poi come fattore di trascrizione per accendere i geni che permettono alle cellule bersaglio di dividersi. Il recettore è attivo nelle cellule degli organi riproduttivi femminili, come il seno e le ovaie. A causa di questo, gli estrogeni sono riconosciuti come un fattore che aumenta la crescita di alcuni tumori che sorgono in questi tessuti.

Il meccanismo di azione degli estrogeni è mostrato di seguito.

La piccola palla verde rappresenta gli estrogeni. È una piccola molecola idrofoba ed entra nelle cellule attraversando la membrana lipidica. Una volta nella cellula, l’estrogeno si lega al suo recettore (colorato in arancione) e il complesso si lega al DNA nel nucleo causando la trascrizione dei geni.

Sono stati sviluppati diversi farmaci per cercare di bloccare la funzione di attivazione genica degli estrogeni. Un esempio comunemente prescritto è il tamoxifene, un farmaco che inibisce parzialmente l’attività degli estrogeni. Il tamoxifene è colorato di rosa nell’animazione qui sotto.

Questi farmaci dovrebbero rallentare la crescita dei tumori che stanno crescendo in risposta alla presenza di estrogeni e il suo recettore. Maggiori informazioni sui recettori degli estrogeni e il cancro si possono trovare nella sezione sui trattamenti del cancro.

L’importanza dei fattori di trascrizione per la divisione delle cellule è stata sottolineata più volte. Il cancro deriva da una divisione cellulare incontrollata, quindi il prossimo processo discusso è la divisione cellulare. È importante capire come funziona normalmente questo processo in modo da poter apprezzare cosa succede quando le cose vanno male.

Traduzione

Dopo che l’RNA messaggero (mRNA) è prodotto attraverso il processo di trascrizione appena descritto, l’mRNA viene elaborato nel nucleo e poi rilasciato nel citosol.

L’mRNA viene quindi riconosciuto dalle subunità ribosomiali presenti nel citosol e il messaggio viene “letto” dal ribosoma per produrre una proteina. L’informazione per la direzione della formazione della proteina è codificata nella sequenza di nucleotidi che compongono l’mRNA. Gruppi di tre nucleotidi (chiamati codoni) sono “letti” dal ribosoma e portano all’aggiunta di un particolare amminoacido nel polipeptide in crescita (proteina). Il processo è rappresentato schematicamente nell’animazione qui sotto.

Dopo la formazione della proteina, essa acquisisce il suo stato attivo ripiegato ed è in grado di svolgere le sue funzioni nella cellula. Il corretto ripiegamento, il trasporto, l’attività e l’eventuale distruzione delle proteine sono tutti processi altamente regolati.

I geni che controllano questi processi sono spesso danneggiati e non funzionano correttamente nelle cellule tumorali.

Più informazioni su questo argomento possono essere trovate nel capitolo 1 di The Biology of Cancer di Robert A. Weinberg.

Riassunto della funzione del gene

Il dogma centrale

• Il DNA nei nostri cromosomi contiene geni che vengono trascritti in RNA.
• Ci sono diversi tipi di RNA (tRNA, mRNA, rRNA, ecc.). Sono composti dagli stessi elementi, ma hanno funzioni, posizioni e strutture diverse.
• L’RNA messaggero (mRNA) può essere tradotto in una proteina. Il flusso di informazioni standard è:
  • DNA→RNA→Proteina
• L’insieme dei geni che sono ‘on’ in un dato momento è critico. Diversi geni hanno bisogno di essere “accesi” in momenti diversi a seconda delle necessità e delle funzioni di ogni particolare cellula.

Trascrizione

• L’obiettivo della trascrizione è di fare una copia RNA di un gene.
• I fattori di trascrizione si legano al punto di partenza dei geni per identificare il punto in cui inizia la trascrizione.
• P53, Rb, il recettore degli estrogeni sono tutti fattori di trascrizione che funzionano male nei tumori.
• Il processo di trascrizione è diviso in diverse fasi distinte:
  1. Il fattore di trascrizione riconosce e si lega al sito di inizio di un gene (promotore).
  2. Un enzima che produce RNA (RNA polimerasi) si lega al fattore di trascrizione.
  3. L’enzima fa una copia di RNA del gene.
  4. L’enzima cade e l’RNA viene rilasciato.
  5. L’RNA rimarrà nel nucleo o uscirà nel citosol.

Traslazione

• L’obiettivo della traduzione è fare una proteina usando le informazioni codificate nell’mRNA.
• Il processo di traduzione è diviso in diverse fasi:
  1. Il mRNA lascia il nucleo e viene riconosciuto e legato dalle subunità ribosomiali nel citosol.
  2. Il ribosoma “legge” l’RNA tre nucleotidi (un codone) alla volta.
  3. Il ribosoma inserisce l’aminoacido corrispondente al codone nella proteina in crescita.
  4. Il ribosoma incontra un codone di stop e termina la sintesi proteica.
  5. La proteina entra in un processo di ripiegamento altamente regolato e ottiene una struttura completamente piegata.
• I geni che controllano il corretto ripiegamento, trasporto, attività ed eventuale distruzione delle proteine sono spesso danneggiati o malfunzionanti nel cancro.

• 1. Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., & Reece, J. B. (2017). Campbell Biology (11° ed.). Pearson.