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10.1:

Espressione genica cellulo-specifica

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Biologia Molecolare
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Cell Specific Gene Expression

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Ogni cellula nel corpo di un organismo multicellulare possiede lo stesso DNA. Tuttavia, diversi tipi di cellule hanno notevoli differenze strutturali e funzionali che possono essere attribuite all’espressione differenziale dei geni nella cellula. Inoltre, cellule specifiche esprimono geni diversi nel tempo, a causa di cambiamenti nella cellula o nell’organismo.La varietà di RNA e proteine prodotte permettono alle cellule di svolgere le loro funzioni uniche nei tempi appropriati. Le cellule del fegato, gli epatociti, esprimono un insieme diverso di geni rispetto ai neuroni. Per esempio, le cellule del fegato producono l’alcool deidrogenasi, un enzima che suddivide gli alcoli tossici in acetaldeide, che può essere ulteriormente metabolizzato per produrre anidride carbonica e acqua.Al contrario, i neuroni producono neurexine, un gruppo di proteine nel cervello che aiuta a trasmettere informazioni da un neurone ad uno adiacente. Le cellule hanno meccanismi per controllare l’espressione genica, in più fasi di regolazione prima, durante, e dopo la trascrizione e la traduzione. Tuttavia, i regolatori trascrizionali sono comuni perché impediscono la sintesi di trascrizioni di mRNA.Durante lo sviluppo del fegato, negli esseri umani, i fattori di trascrizione C/EBP-alfa, C/EBP-beta, e il fattore nucleare-1 dell’epatocita contribuiscono ad espressioni epatiche-specifiche dei geni dell’alcool deidrogenasi. L’espressione genica è regolata anche in risposta all’ambiente extracellulare. Quando i livelli di glucosio nel sangue diminuiscono, il pancreas secerne l’ormone glucagone.Quando esposti al glucagone, le cellule del fegato esprimono la fosfoenolpiruvato carbossichinasi, una proteina richiesta per la produzione di glucosio da precursori non carboidrati.

10.1:

Espressione genica cellulo-specifica

Multicellular organisms contain a variety of structurally and functionally distinct cell types, but the DNA in all the cells originated from the same parent cells. The differences in the cells can be attributed to the differential gene expression. Liver cells, whose functions include detoxification of blood, production of bile to metabolize fats, and synthesis of proteins essential for metabolism, must express a specific set of genes to perform their functions. Gene expression also varies with the stages of development. Prior to differentiation into liver cells, the cells express genes involved in the cell cycle, DNA replication, and proliferation. Later in development, genes involved in epithelial differentiation and blood coagulation are highly expressed. Once cells differentiate into hepatocytes, the expression of genes involved in liver-specific functions increases, such as those involved in lipid metabolism and cholesterol regulation.

Gene expression can be regulated at many points including transcription, translation, RNA processing and transport, and post-translational modifications. Common methods of regulating expression are factors that bind directly to DNA to regulate the transcription of a particular gene. Gene expression in the liver can be regulated by the transcription factors C/EBPα, C/EBPβ, and Hepatocyte Nuclear Factor-1, among others. Regulation can occur prior to transcription by altering the histones contained in chromatin. These modifications result in either loosening or tightening of the DNA structure, thereby respectively preventing or allowing transcriptional regulators to access the DNA.  Different cell types have different covalent modifications and histone variants, which results in the variation in gene accessibility.

Cells are subject to environmental changes and express different genes in response to these extracellular stimuli. Glucose is an important source of energy, and as its concentration in the bloodstream fluctuates, an organism must respond with appropriate changes in gene and protein expression. When blood glucose levels decrease, the pancreas secretes the hormone glucagon. This hormone signals the liver to initiate the production of phosphoenolpyruvate carboxykinase (PEPCK), a protein required to produce glucose from non-carbohydrate precursors. Glucagon induces the transcription of this gene by indirectly stimulating transcription factors  C/EBPα and C/EBPβ to bind to the PEPCK promoter. When blood glucose levels are high, the pancreas secretes the hormone insulin; the PEPCK gene has an insulin-responsive sequence that inhibits its transcription.

Suggested Reading

  1. Alberts et al., 6th edition; pages 369-374.
  2. Lodish et al., 8th edition; pages 363- 364
  3. Park, Edwards A. Austin L. Gurney, Steven E. Nizielski, Parvin Hakimi, Zhodan Caot, Antoon MoormanY, and Richard W. Hanson. “Relative Roles of CCAAT/Enhancer-binding Protein β and cAMP Regulatory Element-binding Protein in Controlling Transcription of the Gene for Phosphoenolpyruvate Carboxykinase (GTP)” Journal of Biological Chemistry 268, No. 1, (1993): 613-619