Cu câteva excepții, fiecare celulă somatică din corp conține același ADN. Asemenea excepții sunt celulele roșii din sânge, care la maturitate nu conțin ADN, și unele celule ale sistemului imunitar, care își rearanjează ADN-ul în timp ce produc anticorpi. În mod normal, genele care determină culoarea verde a ochilor, sau culoarea castanie a părului, sau cât de repede sunt metabolizate alimentele sunt aceleași în celulele din ochi, păr și ficat, chiar dacă aceste organe funcționează foarte diferit. Atunci, dacă toate celulele au același ADN, cum se face că celule din organe diferite sunt atât de diferite? De ce celulele din ochi diferă atât de mult de celulele din ficat?
În timp ce fiecare celulă a unui organism multicelular are același genom și aceeași secvență de ADN, nu toate celulele organismului exprimă același set de gene. Pentru a-și îndeplini funcțiile, fiecare tip de celulă are nevoie de un anumit set de proteine. Pentru ca proteinele să fie exprimate, ADN-ul trebuie transcris în ARN și ARN-ul trebuie tradus în proteine. Deoarece anumite celule din corpul nostru au funcții specifice, nu toate genele codificate în ADN-ul dintr-un anumit tip de celulă sunt transcrise în ARN și apoi traduse în proteine. Proteinele specializate care alcătuiesc ochiul (irisul, cristalinul și corneea) sunt exprimate numai în ochi, în timp ce proteinele specializate din inimă (celulele stimulatorului cardiac, mușchiul inimii și valvele) sunt exprimate numai în inimă. În orice moment, doar un subset al tuturor genelor codificate de ADN-ul nostru este exprimat și tradus în proteine. Exprimarea genică este un proces reglementat strict, cu multe niveluri și puncte de control. Această complexitate asigură exprimarea genică adecvată în celula adecvată la momentul adecvat.
Reglarea (controlul) exprimării genelor
Pentru funcționarea corectă a unei celule, proteinele necesare ei trebuie sintetizate la momentul și la locul potrivit. Toate celulele controlează sau reglează sinteza proteinelor pe baza informațiilor codificate în secvența de ADN. Procesul de activare a unei gene cu scopul de a produce ARN și o proteină se numește exprimare (expresie) genică. Fie că este vorba de un organism unicelular simplu sau de un organism multicelular complex, fiecare celulă a organismului controlează când și cum sunt exprimate genele sale. Pentru realizarea acestui obiectiv, trebuie să existe niște mecanisme interne chimice care controlează când se exprimă o genă pentru a produce ARN și o proteină, cât de mult din acea proteină se produce și în ce moment producția proteinei trebuie oprită deoarece nu mai este necesară.
Majoritatea activității de reglare a exprimării genice se face cu scopul de a conserva resursele celulare, în special spațiul și energia. Astfel, dacă în fiecare celulă fiecare proteină ar fi exprimată permanent, atunci celulele ar trebui să fie enorme. Deoarece procesele de transcriere și traducere presupun desfășurarea ADN-ului din structura lui compactă, exprimarea în fiecare celulă numai a unui subset de gene duce la economie de spațiu celular. Apoi, dacă un organism și-ar exprima toate genele tot timpul, atunci el ar avea nevoie de o cantitate imensă de energie. Din punct de vedere energetic, este mult mai eficient ca o genă sale să fie activată numai atunci când este necesară.
Unele procese de reglare a exprimării genice sunt defensive. Asemenea procese celulare s-au dezvoltat pentru a proteja celula de infecții virale sau parazitare. Dacă celula ar avea capacitatea de a opri rapid exprimarea genelor sale pentru o perioadă scurtă, atunci ea ar putea supraviețui unei infecții, spre deosebire de organismele care nu au această abilitate. Astfel, organismele și-au dezvoltat un proces nou care le-a asigurat supraviețuirea și, în plus, a putut fi transmis urmașilor.
Controlul exprimării genelor este un proces complex. Defecțiunile survenite în acest proces sunt nocive celulelor și pot duce la dezvoltarea mai multor boli, printre care cancerul.
Exprimarea genelor la procariote versus eucariote
Pentru a înțelege modul în care este reglementată exprimarea genică, trebuie să înțelegem mai întâi procesul prin care se ajunge de la o genă la o proteină funcțională a unei celule. Acest proces are loc atât în celulele procariote cât și în celulele eucariote, cu mici diferențe între ele (Figura 8.1).
Deoarece organismele procariote nu au un nucleu celular, procesele de transcriere și traducere au loc aproape simultan în citoplasmă. Când proteina nu mai este necesară, transcrierea se oprește. Ca rezultat, metoda primară de a controla ce fel de proteină și cât de multă se exprimă într-o celulă procariotă este reglarea transcrierii ADN-ului în ARN. Toți pașii ulteriori se produc automat. Când este nevoie de mai multă proteină, are loc mai multă transcriere. Astfel, în celulele procariote, controlul exprimării genelor se petrece aproape în totalitate la nivelul transcrierii. Primul mecanism de control, numit operonul lac, a fost descoperit la bacteria Escherichia coli de către cercetătorii francezi. Operonul lac este o secvență de ADN cu trei gene adiacente care au rolul de a codifica proteinele ce participă la absorbția și metabolismul lactozei, aceasta fiind sursa de hrană a E. coli. Când lactoza nu este prezentă în mediul bacteriei, genele lac sunt transcrise în cantități foarte mici. Când lactoza este prezentă, genele sunt transcrise normal și bacteria este capabilă să folosească lactoza ca sursă de hrană. Operonul lac mai conține o secvență promotor de care se leagă ARN–polimeraza pentru a începe operația de transcriere. Între promotor și cele trei gene adiacente se află o regiune numită operator. În absența lactozei, cu rare excepții, o proteină numită represor se leagă de operator și împiedică ARN–polimeraza să se lege de promotor. Astfel se realizează foarte puțin din produsele proteice ale celor trei gene. Când lactoza este prezentă, un produs final al metabolismului lactozei se leagă de proteina represor și împiedică legarea acesteia de operator. Acest lucru permite ARN–polimerazei să se lege de promotor și să transcrie liber cele trei gene și, în acest fel, organismul poate să își metabolizeze lactoza.
Celulele eucariote au organite intracelulare și sunt structural mult mai sofisticate decât cele procariote. În celulele eucariote, ADN-ul este conținut în nucleul celulei, care este și locul unde se produce transcrierea acestuia în ARNm. ARNm-ul nou sintetizat este apoi transportat în afara nucleului, în citoplasmă, unde ribozomii îl traduc în proteină. Procesele de transcriere și traducere sunt separate fizic de membrana nucleară; transcrierea are loc numai în interiorul nucleului iar traducerea are loc numai în afara nucleului, în citoplasmă.
Figura 8.1: Reglarea exprimării genice la procariote și la eucariote. La procariote transcrierea și traducerea se petrec simultan în citoplasmă iar reglarea are loc în timpul transcrierii. La eucariote reglarea are loc în timpul transcrierii ADN-ului și procesării ARN-ului, care se petrec în nucleu, și în timpul traducerii ARNm-ului în proteine, care se petrece în citoplasmă. Reglarea eucariotă poate continua după traducere prin modificări suplimentare ale proteinelor.
| Organisme procariote | Organisme eucariote |
|---|---|
| Nu au nucleu protejat de membrană. | Au nucleu protejat de membrană. |
| ADN-ul se găsește în citoplasmă. | ADN-ul este închis în nucleu. |
| Transcrierea ARN-ului și formarea proteinei se petrec aproape simultan. | Transcrierea ARN-ului se petrece înainte de formarea proteinei și are loc în nucleu. Traducerea ARN-ului în proteină se petrece în citoplasmă. |
| Exprimarea genelor este reglată în principal la nivelul transcrierii. | Exprimarea genelor este reglată la mai multe niveluri (epigenetic, transcriere, transport în afara nucleului, post-transcriere, traducere și post-traducere). |
Tabelul 8.1: Diferențe între reglarea exprimării genice la procariote și la eucariote.
Exprimarea genelor la eucariote
Deoarece la eucariote procesele de transcriere și traducere sunt separate fizic, exprimarea unei gene eucariote este mai complicată decât exprimarea unei gene procariote. În plus, celulele eucariote își pot regla exprimarea genelor în cursul fiecărei etape a procesului de sinteză a proteinelor (Figura 8.2). Astfel, reglarea exprimării genice poate apărea la următoarele niveluri:
- când ADN-ul este desfășurat și slăbit de pe nucleozomi pentru a se lega de factorii de transcriere – nivelul epigenetic;
- când ARN-ul este transcris – nivelul transcripțional;
- când ARN-ul este procesat și exportat în citoplasmă după transcriere – nivelul post-transcripțional;
- când ARN-ul este tradus în proteină – nivelul translațional;
- după ce proteina a fost produsă – nivelul post-translațional.
Figura 8.2: Exprimarea genelor la eucariote este reglată în timpul transcrierii și procesării ARN-ului, care au loc în nucleu, precum și în timpul traducerii în proteine, care are loc în citoplasmă. Reglarea este suplimentată prin modificări post-translaționale ale proteinelor.