Partea a VIII-a: Exprimarea genică

Reglarea epigenetică a exprimării genelor la eucariote

Modificările epigenetice sunt modificări ale exprimării genice care sunt moștenite, adică nu sunt rezultatul unor modificări ale secvenței de ADN. Exprimarea unei gene eucariote începe cu controlul accesului la ADN. Accesul la ADN în timpul transcrierii poate fi controlat în două moduri: prin remodelarea cromatinei și prin metilarea ADN-ului. Remodelarea cromatinei schimbă modul în care ADN-ul este asociat cu histonele cromozomiale. Metilarea ADN-ului este asociată cu modificări de dezvoltare și cu tăcere genetică.

Controlul epigenetic: reglarea accesului la genele dinăuntrul unui cromozom

Genomul uman codifică peste 20.000 de gene, având sute până la mii de gene pe fiecare dintre cei 23 de cromozomi ai săi. Amplasat în nucleu, ADN-ul este înfășurat, pliat și compactat cu precizie în cromozomi, astfel încât să încapă în compartimentul nuclear. Mai mult, ADN-ul este organizat așa încât segmente ale sale să poată fi accesate direct de anumite tipuri de celule când acestea au nevoie. Primul nivel de organizare sau împachetare a ADN-ului este reprezentat de înfășurarea catenelor sale în jurul proteinelor histonice. Histonele împachetează și aranjează ADN-ul în unități structurale numite complexe de nucleozomi, care au rolul de a controla accesul proteinelor la regiunile sale (Figura 8.3a). La microscopul electronic, catenele de ADN înfășurate în jurul proteinelor histonice, care duc la formarea de nucleozomi, apar ca un șirag de mărgele mici (Figura 8.3b).

Mărgelele (proteine histonice) se pot deplasa de-a lungul șiragului (catenele de ADN împletite) pentru a expune diferite secțiuni ale macromoleculei. Dacă ADN-ul care codifică o anumită genă urmează să fie transcris în ARN, atunci nucleozomii care înconjoară regiunea corespunzătoare de ADN alunecă de pe aceasta, deschizând astfel regiunea cromozomială pentru a permite instalaței de transcriere (i.e. ARN–polimeraza) să inițieze procesul (Figura 8.4).

Intensitatea asocierii dintre proteinele histonice și ADN este reglată prin semnale care se găsesc fie pe proteinele histonice, fie pe ADN. Aceste semnale sunt de fapt niște grupuri funcționale care sunt adăugate proteinelor histonice sau ADN-ului și care determină starea unei regiuni cromozomiale – deschisă sau închisă (Figura 8.5). O asemenea etichetare a unei regiuni cromozomiale nu este permanentă, ea putând fi adăugată sau eliminată după necesități. Unele grupări chimice (fosfat, metil, acetil) sunt atașate de anumiți aminoacizi din „cozile” histonice de la capătul terminal N al proteinei. Aceste grupări nu modifică secvența originală de ADN ci doar intensitatea cu care ea este strânsă în jurul proteinelor histonice.

ADN-ul este o moleculă încărcată negativ iar histonele nemodificate sunt încărcate pozitiv; în consecință, schimbările de sarcină ale unei histone afectează intensitatea cu care este strânsă molecula de ADN. Prin adăugarea unor grupări chimice precum grupările acetil, sarcina histonei devine mai puțin pozitivă iar legarea ADN-ului de aceasta este slăbită. Schimbarea locației nucleozomilor și modificarea gradului de etanșeitate al legăturilor histonice pot deschide unele regiuni și închide alte regiuni ale cromatinei pentru transcriere.

Molecula de ADN propriu-zisă poate fi modificată și prin metilare. Metilarea ADN-ului se petrece în niște regiuni foarte specifice ale acestuia numite insulele CpG. Acestea sunt secvențe cu o frecvență ridicată de perechi citozină-guanină (CG) situate în regiunile promotoare ale genelor. Nucleotida de citozină din perechea CG poate fi metilată (i se adaugă o grupare metil). De obicei genele metilate sunt reduse la tăcere, deși metilarea poate avea și alte efecte de reglare. În unele cazuri, genele care sunt reduse la tăcere în timpul dezvoltării gameților unui părinte sunt transmise descendenților în starea lor tăcută. Despre astfel de gene se spune că sunt imprimate. Dieta parentală sau anumite condiții de mediu pot afecta modelele de metilare ale genelor, care la rândul lor modifică exprimarea genelor. Modificările în organizarea cromatinei interacționează cu metilarea ADN-ului. Metiltransferazele de ADN par să fie atrase către regiunile cromatinei care au anumite modificări ale histonelor. Regiunile de ADN foarte metilate (hipermetilate) cu histone deacetilate sunt strâns înfăşurate şi inactive din punct de vedere transcripţional.

Deși modificările epigenetice persistă adesea pe parcursul mai multor runde de diviziune celulară și, uneori, pot depăși liniile generaționale, ele nu sunt permanente. Remodelarea cromatinei modifică structura cromozomială (deschisă sau închisă) după necesități. Dacă o genă urmează să fie transcrisă, proteinele histonice și ADN-ul din regiunea cromozomială care codifică acea genă sunt modificate într-un mod care deschide regiunea promotoare pentru a permite ARN–polimerazei și altor proteine, numite factori de transcriere, să se lege și să inițieze transcrierea. Dacă o genă este inactivă sau redusă la tăcere, proteinele histonice și ADN-ul corespunzător ei suferă niște modificări care semnalează o configurație cromozomială închisă. În această configurație închisă, ARN–polimeraza și factorii de transcriere nu au acces la ADN și transcrierea nu poate avea loc (Figura 8.5).