Fattori di trascrizione e Promotori, un sistema chiave/serratura

Era decisamente ora che scrivessi qualcosa. Ammetto che scegliere l’argomento è stato quantomeno complicato. Da una parte c’era la famosa sperimentazione made in Italy di un vaccino contro l’HIV, dall’altra avevo in serbo alcuni argomenti di Biologia molecolare. Ovviamente ho scelto la Biologia Molecolare! E’ un argomento abbastanza vago e vasto, lo ammetto, però interessante.
I famosi Promotori. Famosi forse per chi li studia, ma un po’ meno noti per chi invece non è di questo campo.  I promotori sono delle sequenze di DNA non codificante che però hanno una funzione precisa: regolare la trascrizione dei geni che controllano. Di solito i promotori sono sequenze immediatamente a monte del TSS (transcription Start Site o Sito di Inizio della Trascrizione) del gene, mentre tutte le sequenze promotrici situate più distalmente (anche migliaia di basi) dal TSS sono chiamate enhancer.
Regolano la trascrizione e quindi l’espressione genica della cellula. In che modo dunque? Abbiamo detto che sono delle sequenze. Queste sequenze sono riconosciute e legate da particolari proteine chiamate fattori di trascrizione. In maniera un po’ semplicistica possiamo dire che questi fattori di trascrizione stabilizzano il legame della RNA polimerasi, che è l’enzima, o meglio il complesso enzimatico, che è responsabile della sintesi dell’RNA messaggero usando come stampo uno dei due filamenti del DNA.
I promotori sono sempre stati eccessivamente semplificati. Per numerose decadi si pensava fossero delle sequenze precise e ben conservate alle quali si davano nomi diversi, ad esempio la TATA box era una di queste sequenze (ricca in T ed in A) situata circa 30 paia di basi dal TSS. Questi tipi di promotori sono quelli che ora vengono chiamati Textbook Promoters, promotori da libro di testo, perchè sono il modello di promotore che ancora adesso, nei corsi di primo livello, vengono insegnati. Non è che non esistano. Esistono eccome, però sono soltanto una piccola parte di questo immenso mare di sequenze. Come al solito la situazione è sempre più complessa di quanto la si possa spiegare.
L’isolamento e l’identificazione dei promotori è tuttora una grande sfida. Quasi un anno fa è uscito un articolo, su Genome Research, che pubblicava i risultati di una lunga ricerca proprio in questo campo: “Direct isolation and identification of promoters in the human genome”. Qual’è stato il loro metodo? In pratica sono andati a cercare tutte quelle sequenze genomiche in  cui era presente il complesso della RNApolimerasi ancora inattiva (che doveva cioè ancora iniziare la trascrizione) usando un anticorpo diretto contro l’RNApolimerasi. L’anticorpo si lega alla RNApol che a sua volta è legata alla sua sequenza di DNA la quale viene poi identificata ed annotata. Questo metodo viene chiamata ChIP ovvero Chromatine immuno-precipitation (mi rendo conto che è un po’ riduttivo spiegata in questo modo; chi volesse spaerne di più chieda pure). L’esperimento è stato condotto in triplice copia, in modo da ottenere una media dei risultati. La stragrande maggioranza delle sequenze trovate localizza nelle vicinanze del TSS del gene o comunque in una regione di 2.5 Kb.
Non per tutte le sequenze è stato possibile trovare una evidenza bioinformatica. Per queste sequenze è stato condotto un test sperimentale associandole a dei geni la cui espressione può essere monitorata facilmente (geni reporter) ad esempio la GFP. In questo modo è stato possibile dimostrare che molte di queste sequenze erano degli effettivi promotori perchè permettevano l’espressione del gene reporter. Quelle sequenze che nemmeno in questo modo sono risultate essere dei promotori, molto probabilmente sono dei falsi positivi.
In questo modo sono stati identificati diversi promotori che prima non si conoscevano.
Dicevo poco fa che i promotori del modello TATAbox sono riduttivi. Qual’è quindi il nuovo modello di promotore che ha soppiantato quello vecchio? Nella stragrande maggioranza dei casi (una stima dell’82%) i promotori sono cosiddetti CG rich. Ovvero non hanno una sequenza definita, ma sono molto ricchi (statisticamente più della media) di CG e sono estremamente più variabili. Sono chiamati Broad spectrum promoters poichè al contrario dei promotori TATAbox non fanno partire la trascrizione da un TSS singolo. ovvero I geni che sono sotto questi promotori sono trascritti a partite da TSS diversi. Gli RNAmessaggeri derivanti avranno quindi un sito di inizio differente (il che non vuol dire necessariamente che la proteina codificante sarà poi diversa, perchè un conto è il Sito di Inizio della Tracrizione, un altro conto è il Sito di Inizio della Traduzione: tra i due c’è una regione chiamata 5′-UTR). Questo ha un suo senso. Nel post sull’evoluzione del concetto di gene che ho scritto qualche mese fa ho detto che attualmente si stima che la maggiorparte dei geni possono essere letti in maniera differente dando origine a prodotti diversi. Variare il sito di inizo è una delle vie per rendere possibile ciò.
Questi promotori possono anche essere bidirezionali, ovvero dare origine a trascritti a partire da entrambi i filamenti del DNA nelle due opposte direzioni.
Ora che abbiamo un’idea sulla complessità dei promotori, possiamo addentrarci sulla loro funzione.
Abbiamo detto che su questi promotori si legano delle proteine, i fattori di trascrizione. Ad oggi sono stati identificati circa 1400 diversi tipi di fattori di trascrizione, molti dei quali sono tessuto specifici. Hanno dei domini che legano sequenze di DNA. Legandosi a queste sequenze innescano un meccanismo di Reclutamento di altre proteine le quali attivamente modificano lo stato degli istoni attraverso acetilazioni/deacetilazioni, metilazioni/demetilazioni e altre modificazioni covalenti. La modificazione degli istoni rende possibile o impossibile alla RNApolimerasi di di legarsi al DNA regolandone lo stato di avvolgimento e superavvolgimento sugli Istoni.  Attraverso quindi modificazioni epigenetiche si rende possibile o meno l’espressione genica. Sono stati fatti dei lavori, uno in particolare molto bello, sul reclutamento di proteine modificatrici della cromatina a livello dei siti di legame di alcuni fattori di trascrizione, in particolare il recettore per gli estrogeni. Attraverso studi di chromatine immune precipitation si è visto che nella maggiorparte dei casi il reclutamento segue dei cicli temporali predefiniti e discreti, e non è quindi un processo continuo.  C’è quindi anche un aspetto temporale e spaziale da definire. Questo rende la faccenda molto intrigante.
Concludo con una considerazione. I fattori di trascrizione regolano l’equilibrio vitale di una cellula. Ognuna delle cellule di un tessuto esprime un suo pattern di fattori di trascrizone, che non è detto che sia identico per ogni cellula di quel tessuto. C’è anche da tener conto dell’identità specifica di ogni cellula. Modificazioni dell’attività dei fattori di trascrizione possono portare allo svliluppo di neoplasie per motivi evidenti. E’ noto il ruolo dei fattori di trascrizione noti come recettori degli estrogeni nello sviluppo del cancro alla mammella. Il Tamoxifen è un farmaco storico che inibisce questi fattori di trascrizione ottenendo dei buoni risultati!

Con questo è tutto, alla prossima.