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Dal DNA alle proteine: l’espressione genica
La terapia genica costituisce una frontiera per la medicina moderna. Grazie a questa tecnica
in futuro si potranno curare più efficacemente molte malattie.
Per terapia genica si intende il trasferimento di materiale genetico allo scopo di prevenire o
curare una malattia. Nel caso di malattie genetiche consiste essenzialmente nel trasferire la
versione “funzionante” del gene in modo da rimediare al difetto.
Può essere applicata a
cellule somatiche, nel qual
caso il difetto viene curato
esclusivamente nel paziente
soggetto alla terapia, e a
cellule germinali, rendendo
possibile la trasmissione alle
generazioni successive.
Per comprendere come si
è arrivati a sviluppare
tecniche di terapia genica
serve sapere cosa è un
gene e come viene
espresso.
Espressione genica: serie di
eventi con cui l’informazione
contenuta nel DNA è decodificata
e utilizzata per la sintesi delle
proteine cellulari
- Trascrizione: sintesi di
molecole di RNA
complementari al DNA
- Traduzione: l’RNA è utilizzato
come stampo per la sintesi
delle proteine
Le proteine influiscono sul
fenotipo in diversi modi
Il DNA è trascritto in diversi tipi di RNA (mRNA, tRNA, rRNA)
(ruolo nella sintesi proteica)
Struttura dell’RNA
Con la trascrizione viene sintetizzato un mRNA, copia complementare di un filamento
stampo di DNA.
L’mRNA porta l’informazione sottoforma di gruppi di 3 basi (codoni)
I codoni sono specifici per gli aminoacidi e vengono tradotti in una sequenza lineare di
aminoacidi – catena polipeptidica
La traduzione richiede anche tRNA e ribosomi (rRNA)
Nelle cellule eucariotiche la trascrizione avviene nel nucleo e la traduzione nel citoplasma
La traduzione dell’RNA porta alla sintesi di un polipeptide… grazie al codice genetico
L’informazione trascritta nell’mRNA è
utilizzata per specificare una sequenza di
aminoacidi
Sequenza di 3 basi sul mRNA (codone)
specifica per 1 aminoacido
Codice a triplette
Codice genetico:
l’insieme dei codoni che specificano per tutti
gli aminoacidi, i segnali di inizio e di
terminazione
Il riconoscimento del codone è possibile grazie ai tRNA
Ciascun tRNA ha una sequenza specifica di 3 basi
(anticodone) complementare ai codoni
Ciascun tRNA si lega a un aminoacido specifico
I ribosomi intervengono nella traduzione
- accoppiando gli anticodoni dei tRNA e i codoni degli mRNA
- Unendo gli aminoacidi portati dai tRNA nell’ordine specificato dagli mRNA
Il codice genetico viene letto come sequenza di triplette partendo da un punto di inizio ben
preciso , che determina la sequenza di lettura (reading frame) del messaggio genetico
La trascrizione
Formazione di una sequenza specifica di RNA da una sequenza specifica di DNA
Richiede:
• Uno dei due filamenti di DNA come stampo
• I 4 ribonucleosidi trifosfato (ATP, GTP, CTP, UTP)
• L’enzima RNA polimerasi
• Sali e tamponi appropriati per l’attività dell’enzima
Oltre a mRNA, la traduzione è responsabile della
sintesi di tRNA, rRNA e altri tipi di piccoli RNA
RNA polimerasi
- Avanza lungo il DNA svolgendo l’elica del DNA quel tanto che basta per esporre una
regione del filamento stampo
-catalizza aggiunta di 1 nucleotide in direzione 5’-3’ facendo legami fosfodiesterici e
utilizzando energia di legame dei nucleosidi trifosfati
-Riconosce e si lega a una sequenza (promotore) e vi si lega per iniziare trascrizione
- A differenza della DNA polimerasi, non necessita di un primer
Nei procarioti 1 RNA polimerasi
Negli eucarioti 3 RNA polimerasi
Il filamento di DNA trascritto e il filamento di RNA complementare sono antiparalleli
RNA è sintetizzato in direzione 5’-3’
DNA è letto in direzione 3’-5’
Terminologia:
«A monte» (upstream) – verso l’estremità 5’ della sequenza di mRNA o la 3’ del
filamento stampo di DNA
«A valle» (downstream) – verso l’estremità 3’ della sequenza di mRNA o la 5’ del
filamento stampo di DNA
A monte
A valle
Un solo filamento di DNA è trascritto per un dato gene, ma il filamento
opposto può essere trascritto per un altro gene
Molte copie dello stesso gene possono essere sintetizzate in tempi
molto brevi (un gene di 1500 bp trascritto in 50 sec)
Possono essere trascritti più geni contemporaneamente
Promotore
contiene informazioni che determinano quale dei due filamenti di DNA deve essere
trascritto e il sito da cui iniziare la trascrizione e la direzione da prendere
Esiste almeno un promotore per ogni gene.
L’RNA polimerasi ha elevata affinità per i promotori
L’RNA polimerasi riconosce il promotore anche se il DNA si trova nella
conformazione a doppia elica
Un pezzo di DNA può essere trascritto solo se a valle di un promotore
La trascrizione si può suddividere in tre fasi
Negli eucarioti ogni gene ha un
promotore.
Durante l’inizio della
trascrizione, alcune proteine
che possono legare specifiche
sequenze di DNA e l’RNA
polimerasi, direzionano la RNA
polimerasi verso uno specifico
promotore, determinando
quindi l’espressione di specifici
geni (fattori sigma e fattori di
trascrizione)
Le RNA polimerasi non sono in grado di correggere
errori di trascrizione. Siccome vengono prodotti
molti RNA, che hanno vita breve, gli errori sono
meno dannosi delle mutazioni
Differenza tra gene batterico e gene eucariotico
Nei batteri trascrizione e traduzione sono
accoppiate
La vita media degli mRNA è molto bassa
(pochi minuti) e più ribosomi possono
attaccarsi al mRNA nella traduzione
Negli eucarioti l’mRNA sintetizzato nel
nucleo deve «maturare» e essere
trasportato nel citoplasma per la
traduzione
I geni eucariotici sono interrotti da sequenze non codificanti
I trascritti vengono processati prima della traduzione (maturazione e modificazione
post-trascrizionale) (nel nucleo)
- Il trascritto originale – RNA precursore (o pre-mRNA)
- Aggiunta in 5’ di un “cappuccio” di 7-metilguanosina (5’cap) –(appena iniziata trascrizione)
- Aggiunta di coda di poli-A in 3’ (poliadenilazione)
-Splicing: rimozione degli introni (sequenze non codificanti all’interno del gene) e unione
degli esoni (sequenza codificanti)
-mRNA maturo esce dal nucleo, nel citosol
Il meccanismo dello splicing
Lo splicing avviene ad
opera di complessi di
ribonucleoproteine
(snRNP), che formano una
grossa particella
(spliceosoma)
Riconoscono sequenza
consenso nel pre-mRNA al
confine I-E; tagliano e
ricuciono
Le cellule eucariotiche contengono vari tipi di RNA con un ruolo importante
nell’espressione genica
Con le ricerche sul genoma umano, si è capito che solo il 2% ca dell’intero genoma
codifica per polipeptidi, nonostante ca l’80% possa produrre prodotti di espressione.
Sono quindi molto numerosi i geni che codificano per vari altri tipi di molecole di RNA…
… nuova definizione di gene
Un gene
è una sequenza di nucleotidi che porta l’informazione
necessaria per produrre uno specifico RNA o un polipeptide
La traduzione e le
modificazioni
post-traduzionali
I virus
I virus sono la frontiera della vita
Sono agenti infettivi molto piccoli (20300 nm) costituti da un core di acido
nucleico e da un rivestimento
proteico (capside)
Un virus può contenere DNA o RNA (a
singolo o doppio filamento) – virus a
DNA e virus a RNA
Non posseggono le tipiche strutture
cellulari
Sono parassiti intracellulari obbligati
… anche i virus si evolvono… e molto
velocemente!
Sono responsabili di molte malattie. Es. influenza,
vaiolo, rosolia, poliomielite, morbilli, herpes,
rabbia, AIDS (Sindrome da immunodeficienza
acquisita)
La forma dei virus è determinata dall’organizzazione dei capsomeri
(subunità proteiche dei capsidi)
In genere la
forma è elicoidale
o poliedrica
I batteriofagi (o
fagi) hanno una
testa poliedrica e
una coda
elicoidale
I virus
• Sono acellulari
• Non svolgono attività metaboliche
• Non sintetizzano proteine
• Si riproducono utilizzando il meccanismo replicativo delle cellule infettate
Fagi che infettano un batterio di E. coli
Due tipologie di riproduzione virale: ciclo litico e ciclo lisogenico
I virus infettano una cellula e
prendono il controllo del suo
apparato di trascrizione e traduzione
per moltiplicarsi.
In un ciclo litico, la cellula ospite
muore
I virus caratterizzati da ciclo litico
sono detti virulenti e causano
malattie e spesso la morte
Nel ciclo lisogenico i fagi
temperati integrano il loro acido
nucleico nel genoma della cellula
ospite, senza distruggerla.
Cellule batteriche contenenti
alcuni virus temperati possono
manifestare nuove proprietà
(conversione lisogenica).
Es. Clostridium botulinum è dannoso e
provoca gravi intossicazioni alimentari solo
quando contiene DNA di uno spedicifo
profago, responsabile della produzione della
tossina botulinica
I retrovirus sono virus a RNA che utilizzano uno speciale enzima – trascrittasi inversa
– per convertire il proprio genoma da RNA a DNA durante il loro ciclo di replicazione
Trascrittasi inversa – (retrovirus)
L’AIDS è causata dal virus HIV (Human Immunodeficency virus), che distrugge il sistema immunitario
L’AIDS, o sindrome da immunodeficienza acquisita, è una malattia virale che distrugge i linfociti T helper,
compromettendo in definitiva la capacità del nostro sistema immunitario di combattere anche le malattie più banali.
Non si muore infatti di AIDS, ma di altre malattie, definite opportuniste, che non vengono più risolte dall’immunità
specifica, e che quindi portano alla morte dell’organismo. Fu all’inizio degli anni ’80 del secolo scorso che si iniziarono a
registrare incidenze significative di un raro tumore che colpisce gli endoteli vascolari, noto come sarcoma di Kaposi, ma
anche di polmoniti e infezioni al tratto respiratorio e digerente che portavano sempre più frequentemente alla morte. Si
notò che in passato queste patologie erano per lo più ricorrenti in pazienti che erano stati immunodepressi a seguito ad
esempio di trapianti, o in soggetti affetti da cancro. In quegli anni, invece, le persone che si ammalavano e morivano di
queste malattie, erano sempre più frequentemente persone trasfuse o emofiliache che ricevevano sangue,
omosessuali, e tossicodipendenti. Questi elementi fecero pensare che queste malattie dovessero essere provocate da
un microrganismo estraneo in grado di trasmettersi attraverso rapporti sessuali o scambi di sangue.
Il virus dell’AIDS è un retrovirus
HIV è un retrovirus, quindi un virus il cui materiale genetico è RNA. HIV è un virus molto complesso e consiste di un
involucro esterno ricavata dalla membrana plasmatica infettata e da due strati proteici. Il più interno contiene, oltre
all’RNA, l’enzima trascrittasi inversa, che consente appunto la “trascrizione al contrario”, ovvero di copiare l’RNA in DNA.
Tramite l’involucro, il virus si lega alla membrana di un linfocita T helper, consentendo al virus di invadere la cellula. A
questo punto, grazie alla trascrittasi inversa, il virus crea una copia di DNA che si integra con il genoma della cellula
ospite. Il DNA virale così integrato nel genoma dei linfociti T helper, può rimanere silente anche per anni, ma ad un
certo punto viene attivato e, utilizzando gli stessi apparati metabolici della cellula, può produrre numerosissime copie
del virus che gemmano dal linfocita, uccidendolo, e, rivestiti da una porzione di membrana della stessa cellula appena
lasciata, danno inizio all’infezione di nuovi linfociti T helper. Questi continui cicli di invasione dei linfociti T helper, di
integrazione e replicazione al loro interno, di uccisione della stessa cellula dopo aver gemmato, comporta in un tempo
relativamente breve, m che può essere anche di alcuni anni, una drastica diminuzione della popolazione di linfociti T
helper del nostro organismo, compromettendo appunto l’intero sistema immunitario. Le prime fasi dell’infezione e della
malattia sono generalmente asintomatiche, ma quando la diminuzione dei linfociti T helper diventa drastica (minore di
200 cellule per mm3 di sangue), gli effetti della malattia iniziano a farsi evidenti, ed in genere corrispondono
all’insorgenza sempre più frequente di infezioni anche molto comuni e all’incapacità dell’organismo di risolverle. In
questo caso si parla di AIDS conclamata.
Il virus HIV è molto complesso; virus HIV che gemmano da un linfocita T helper
dopo averlo infettato e dopo essersi replicati. L’immagine è realizzata al
microscopio elettronico ed è colorata artificialmente.
Come si trasmette il virus
Nonostante l’elevata virulenza dell’HIV, e le gravi conseguenze che provoca, questo virus non si trasmette molto
facilmente. Il virus non sopravvive infatti all’esterno dell’organismo infettato e può trasmettersi quindi solo per
contatto diretto con i fluidi corporei di una persona infetta. Il sangue e lo sperma (il liquido seminale contenente gli
spermatozoi) sono stati riconosciuti come sicuri mezzi di trasmissione dell’HIV, per cui tutti i comportamenti e le
azioni che implichino contatto con il sangue o lo sperma di persone infette sono ad elevato rischio di trasmissione
di AIDS.
Le trasfusioni di sangue costituiscono quindi un potenziale veicolo di contagio per l’AIDS. Tuttavia, a pare rarissimi
casi di errori, i nostri sistemi sanitari garantiscono controlli e procedure molto rigidi che impediscono la diffusione
di sangue contaminato da HIV. I casi più diffusi, invece, in cui il sangue riesce a veicolare il virus, è tra i soggetti
tossicodipendenti. L’utilizzo di materiali non perfettamente sterili, e che possono essere entrati in contatto con
sangue di sieropositivi all’HIV, costituisce un importante meccanismo di diffusione dell’AIDS nei Paesi occidentali.
Sono i rapporti sessuali non protetti, tuttavia, a costituire la causa più frequente di trasmissione del virus. È durante
l’attività sessuale, infatti, che il possibile contatto con sangue e/o sperma di un partner infetto aumentano
notevolmente. Questo vale sia per i rapporti di tipo etero che omosessuale, anche se in questi ultimi la possibilità
di contagio sembra ulteriormente aumentare.
La psicosi da AIDS, negli anni passati, aveva portato a far credere che il virus potesse essere trasmesso anche
attraverso il semplice contatto con una persona infetta, piuttosto che attraverso uno starnuto o un bacio. Niente di
tutto ciò si è però rivelato veritiero. Dopo circa 30 anni di storia di questa malattia, nessuna persona si può
affermare sia stata infettata attraverso queste vie. Gli unici casi di persone che si sono infettate in seguito al
contatto con malati di AIDS, si sono registrati tra personale medico-infermieristico che, accidentalmente, è venuto
a contatto con il sangue infetto.
È sicuro invece che il virus si trasmette da madre a figlio durante la vita intrauterina del feto. Attenzione quindi alle
gravidanze, perché da madre sieropositiva è pressoché sicuro che nasca un figlio sieropositivo. La presenza di HIV
deve essere verificata nelle madri con le prime analisi del sangue che una donna gravida effettua durante il primo
trimestre di gestazione.
Come si combatte la trasmissione
Il contrasto alla trasmissione dell’HIV, ovvero la prevenzione, è l’unica arma sicura attualmente a disposizione con
cui cercare di combattere l’AIDS.
Dovremmo aver capito, dalle righe sopra, che, per evitare il rischio di contagio, non si deve entrare in contatto con
sangue e sperma infetti. Nella pratica questo si traduce con l’adozione di comportamenti personali volti ad evitare
questo contatto. Ogni qual volta ci sia quindi il rischio di contatto con sangue di persone non conosciute, è
opportuno utilizzare dispositivi di protezione personale, come ad esempio i guanti monouso in lattice (o altri
materiali) che utilizzano i medici, gli infermieri, o gli analisti di laboratorio, ma anche i soccorritori del 118.
Per quanto riguarda i rapporti sessuali, che, come abbiamo visto, più di tutto contribuiscono alla diffusione della
malattia, la scelta di un partner sicuro è il mezzo assolutamente più efficace per evitare l’infezione. In caso di
rapporti occasionali, o comunque con partner poco conosciuti, l’unico mezzo sufficientemente sicuro per evitare il
rischio di contagio è l’utilizzo del profilattico. Nessun altro mezzo naturale, o meno, di contraccezione (per tentare
di evitare il contatto con lo sperma), sia da parte dell’uomo che della donna, consentono di prevenire l’infezione.
(i metodi contraccettivi saranno studiati nel capitolo sulla riproduzione).
È utile sottolineare che un partner sicuro, non corrisponde ad una persona che non presenta i segni della malattia.
Abbiamo visto che il virus dell’AIDS può rimanere silente anche per anni, per cui un sieropositivo all’HIV può
benissimo apparire come una persona perfettamente sana.
È per questo che l’AIDS è una malattia subdola, soprattutto per i giovani che quindi devono prestare molta,
moltissima attenzione ai loro comportamenti sessuali, utilizzando tutte le precauzioni necessarie. Non solo per
tutelare la propria salute (ricordatevi che l’AIDS è una malattia attualmente a prognosi infausta), ma anche quella
dei partner con cui un giorno, presto o tardi, si verrà in contatto.
Attualità e prospettive per la cura dell’AIDS
Quando la prevenzione ha fallito il suo compito e una persona è stata contagiata, oggi si hanno a disposizione un certo
numero di farmaci per la cura dell’AIDS. Nonostante che anche le terapie più moderne non siano in grado di guarire da
questa malattia, esse sono in grado di rallentarne notevolmente gli effetti, con la conseguenza di aver aumentato
considerevolmente l’aspettative di vita delle persone sieropositive che si sottopongono alle cure opportune.
Le terapie più comuni si basano sull’utilizzo di farmaci antivirali, in grado in particolare di inibire la proliferazione di un
retrovirus come l’HIV. L’AZT è il farmaco più diffuso per la sua capacità di interferire con il lavoro della trascrittasi inversa
del retrovirus, impedendo quindi al virus di inserire il proprio DNA in quello del linfocita T helper, e quindi in ultima analisi
la sua replicazione. Generalmente i trattamenti per l’AIDS utilizzano cocktails di farmaci che agiscono quindi su vari fronti.
Delle proteasi, ad esempio, possono coadiuvare l’azione di altri farmaci specifici, distruggendo il rivestimento dei virus.
Questi trattamenti farmacologici risultano però spesso produrre effetti collaterali anche importanti, ed anche molto
costosi, per cui sono spesso improponibili nei Paesi a basso reddito, dove normalmente le persone non hanno accesso a
cure anche più banali.
Per questo il lavoro dei ricercatori rivolto alla scoperta di cure per l’AIDS è ancora fervente. Se da un lato si sperimentano
nuovi farmaci per il trattamento e la distruzione del virus una volta all’interno dell’organismo, dall’altro si sta cercando di
trovare un vaccino per l’HIV, più accessibile e meno costoso rispetto ai farmaci attuali, che un giorno possa consentire
campagne di vaccinazioni diffuse in grado di debellare la malattia. Tuttavia su quest’ultima strada si incontrano numerosi
problemi. Primo fra tutti è il fatto che HIV presenta una frequenza elevatissima di mutazioni. Individui diversi sono
portatori di ceppi diversi di HIV, ma anche in uno stesso individuo il ceppo di HIV può modificarsi con il tempo.
Un giorno, probabilmente, anche l’HIV sarà sconfitto, ma questo giorno non è ancora così vicino. Per il momento quindi
non resta che tenersi ben saldi ai principi di cautela e prevenzione che possono impedire la trasmissione del virus.
Le campagne di prevenzione, la cultura sanitaria e la possibilità di accesso alle cure hanno fatto in modo che finora nella
società Occidentale, il numero di malati e di morti di AIDS sia rimasto abbastanza contenuto.
Storia del tutto differente è purtroppo quella delle popolazioni dei Paesi poveri, soprattutto dell’Africa sub-sahariana. Qui
la malattia è in continua diffusione e miete milioni di vite all’anno, soprattutto tra i giovani. La scarsa conoscenza della
malattia e dei rischi, le precarie condizioni sanitarie, la cultura di quelle popolazioni, in particolare in ambito sessuale,
non facilitano il controllo della malattia. Se a questo, si aggiunge lo scarso, se non nullo, accesso alle terapie oggi
disponibili, dato il costo inaccessibile dei farmaci, ecco spiegato il perché l’AIDS è considerato un vero e proprio flagello in
questo continente