La genetica degli eucarioti (superiori)

Gli eucarioti (dal greco εὖ eu «buono» e κάρυον káryon «nucleo») sono organismi cellulari che possiedino nucleo che conserva il materiale genetico, e appartenenti al dominio Eukaryota. Ci sono molte differenze tra genoma eucariotico e procariotico, in linea generale quello eucariotico è più complesso e più grande.

Genoma

Struttura del cromosoma eucariotico.

Il genoma degli eucarioti è contenuto nel nucleo e avvolto su se stesso formando strutture compatte chiamate cromosomi (dal greco "χρῶμα" che significa "colore", e "σῶμα" che significa "corpo"). Il filamento di DNA singolo si avvolge attorno a proteine dette istoni, il filamento che ne segue si attorciglia attorno se stesso formando sempre una struttura simile a quella del DNA iniziale, ossia di doppia elica. Il procedimento prosegue fino a quando non si arriva alla struttura del cromosoma, che sono formati da due cromatidi, detti cromatidi fratelli se appartengono alla stesso cromosoma. Si può già notare una differenza col genoma procariotico, che non si trova nel nucleo, ha soltanto un cromosoma circolare.

Visto che i procarioti non possiedono il nucleo, conservano il proprio genoma all'interno del citoplasma, lo stesso luogo in cui avviene la trascrizione e la traduzione. La stessa cosa non vale per gli eucarioti, che possiedono il nucleo: infatti la trascrizione avviene nel nucleo, mentre la traduzione nel citoplasma.

Un'altra caratteristica del genoma eucariotico è la presenza di numerose sequenze ripetute e sequenze non codificanti (introni) in mezzo a sequenze codificanti (esoni).

In seguito la tabella schematica sulle caratteristiche del genoma eucariotico e procariotico messi a confronto.

Confronto tra caratteristiche del genoma eucariotico e procariotico

Caratteristiche	Eucarioti	Procarioti
Dimensioni in bp	108 – 1011	104 – 107
Numero di cromosomi	Molti	1
Sede	Nucleo	Citoplasma
DNA legato a proteine	Tutto	In parte
Separazione spaziale della trascrizione e traduzione	Si	No
Sequenze non codificante tra sequenze codificanti	Frequenti	Rari
Sequenze ripetute	Molte	Poche
Promotori	Si	Si
Amplificatori e silenziatori	Molti	Pochi

Trascrizione

Anche la trascrizione avviene in maniera diversa dai procarioti, come già annunciato si verifica nel nucleo, mentre la traduzione nel citoplasma. Questa non è l'unica differenza. Quando il DNA deve essere trascritto, inizialmente, si srotola e, visto che il filamento è legato alle proteine istoniche, intervengono specifiche proteine che rimodellano la struttura per fare in modo che il DNA possa essere trascritto.

L'RNA polimerasi è l'enzima che trascrive il filamento di DNA, producendo così un filamento di pre-mRNA da cui, dopo lo splicing, si otterrà il filamento di mRNA da tradurre nel citoplasma. Mentre i procarioti possiedono un solo tipo di mRNA polimerasi, gli eucarioti ne posseggono tre:

• RNA polimerasi II, che ha il ruolo di trascrivere i geni che codificano proteine.
• RNA polimerasi I, che ha il ruolo di trascrivere i geni che codificano l'rRNA.
• RNA polimerasi III, che ha il ruolo di trascrivere i geni che codificano l'tRNA.

Inoltre l'RNA polimerasi negli eucarioti non riconosce la sequenza del promotore, perciò ha bisogno che prima si leghino al promotore specifiche proteine (fattori di trascrizione) che formano il complesso di trascrizione. Il promotore eucariotico è costituito da 3 sequenze:

• sito di legame della proteina regolatrice, o sequenze consenso
• sito di legame dei fattori di trascrizione
• sito di legame dell'RNA polimerasi

Visto che il DNA eucariotico presenta molte sequenze non codificanti (introni) all'interno di quelli codificanti (esoni), dopo la trascrizione avviene lo splicing, ossia la rimozione degli introni.

Un'altra differenza tra i promotori eucariotici e procariotici è la capacità di modulazione della trascrizione e il numero dell'espressioni delle proteine che esso controlla: al contrario del promotore procariotico, quello eucariotico ha la capacità di modulare la trascrizione, oltre a consentirla e bloccarla, e controlla l'espressione di una sola proteina.

Confronto tra trascrizione degli eucarioti e procarioti

Caratteristiche	Eucarioti	Procarioti
Sede	Nucleo	Citoplasma
Separazione spaziale della trascrizione e traduzione	Si	No
Per-mRNA	Si	No
Tipi di RNA polimerasi	3	1
Complesso di trascrizione	Si	No
Promotore	Si	Si
Promotore che controlla espressione di più proteine	No	Si
Promotore capace di modificare l'intensità della trascrizione	Si	No
Codone di stop	Si	Si
Terminatore	Si	Si
Spicing dell'mRNA	Frequente	Raro

Regolazione genica

Pure la regolazione dell'espressione genica negli eucarioti è più complessa. Esistono meccanismi che reagiscono prima della trascrizione, durante e dopo. Un meccanismo di controllo dell'espressione genica negli eucarioti è la già citata modulazione della trascrizione, ossia la regolazione dell'intensità.

Regolazione prima della trascrizione

Negli eucarioti c'è pure un meccanismo di regolazione che coinvolge l'intero cromosoma, cosa che non può esserci nei procarioti, perché posseggono un solo cromosoma ad eccezione dei plasmidi. Un esempio di questo fenomeno è il cromosoma X nelle femmine dei mammiferi. Sappiamo che i mammiferi femmine hanno nel loro cariotipo 2 cromosomi X, mentre i maschi uno X e uno Y. Inoltre sappiamo che il cromosoma X, essendo più grande, è capace di codificare un numero molto più elevato di quanto possa fare il cromosoma Y, perciò, per non creare una notevole differenza tra la produzione delle proteine tra il maschio e la femmina, l'organismo si è adattato disattivando uno dei due cromosomi X della femmina. Se si osserva con un microscopio il nucleo di una cellula colorata in interfase si distingueranno 2 tipi di cromatina:

• eucromatina, lassa e poco colorata, è composta da DNA codificate
• eterocromatina, densa e molto colorata, è composta da DNA non codificante

Quindi uno dei 2 cromosomi X della femmina apparirà al microscopio come un denso corpuscolo, un ammasso di cromatina detto pure corpo di Barr, dal nome del suo scopritore Murray Barr.

Regolazione durante la trascrizione

Durante la trascrizione interviene un meccanismo di regolazione detto trascrizione differenziale. Grazie a questo meccanismo i geni che codificano sostanze utili in tutte le cellule del corpo (geni costitutivi o housekeeping) verranno sempre trascritti in tutte le cellule, mentre i geni che codifica o proteine specifiche verranno espressi solo nelle cellule che ne necessitano.

Come già detto l'RNA polimerasi degli eucarioti non è in grado di riconoscere da solo il promotore, ma c'è bisogno che prima si leghino ad essa fattori di trascrizione. Esistono delle sequenze chiamate intensificatori o enhancers, che si legano agli stessi fattori di trascrizioni dell'RNA polimerasi stimolando ulteriormente la trascrizione. Poi esistono pure sequenze di effetto opposto, i silenziatori o silencers, che hanno il compito di arrestare la trascrizione. L'insieme del lavoro degli intensificatori e dei silenziatori determina la modulazione della trascrizione, ossia la regolazione dell'intensità.

Come già accennato, frequentemente il pre-mRNA subisce lo splicing, ma talvolta può verificarsi uno splicing alternativo, in cui alcuni esoni vengono eliminati insieme agli introni per dare origine a mRNA differenti partendo dallo stesso, creando così anche varietà di proteine a seguito della traduzione.

Regolazione dopo la trascrizione

Dopo la trascrizione avviene la traduzione. Normalmente più mRNA producono più proteine, ma ciò non è sempre vero. Ci sono numerosi modi per controllare la traduzione, per esempio esistono proteine repressori che si legano al sito di attacco al ribosoma del filamento di mRNA. Un altro metodo è modificare la struttura del cappuccio poliA, che serve per legarsi al ribosoma ed è situata all'estremità 5', per accelerare la traduzione.

Dopo la traduzione interviene un processo che regola la longevità delle proteine marcandole con l'ubiquitina. In seguito si attaccheranno altre molecole della stessa proteina formando una catena di poliubiquitina. Le proteine marcate verranno degradate in un complesso proteico cilindrico, il proteasoma.