Molecola del Mese
di David S. Goodsell
trad di Mauro Tonellato

Fattori di Trascrizione
Oct e Sox


Molecola del Mese di Aprile 2009

Introduzione
Lo sviluppo di un essere umano completo a partire da una singola cellula è uno dei più grandi miracoli della vita. Una cellula uovo umana contiene circa 30.000 geni che codificano per proteine e, di questi, circa 3.000 geni codificano per fattori di trascrizione. I fattori di trascrizione determinano quando i geni devono essere attivati o disattivati e orchestrano, quindi, i molti processi coinvolti nello sviluppo dell'embrione e i molti compiti che ogni singola cellula deve svolgere dopo che il bambino è nato. Stranamente, i fattori di trascrizione sono molto pochi, ce n'è solo uno ogni 10 geni e questo pone un interrogativo: come fa un numero così piccolo di proteine a controllare tutti i geni e i processi che devono essere regolati?

Controllo Combinatorio
Una delle risposte a questo interrogativo può essere trovata studiando i siti di legame per i fattori di trascrizione nel genoma. I geni, nelle nostre cellule, hanno lunghe sequenze di controllo che li precedono e li seguono, talvolta queste sequenze possono essere anche di 100.000 paia di basi e occasionalmente si possono trovare anche all'interno del gene. Queste sequenze agiscono in molti modi diversi: come esaltatori, silenziatori, isolatori o promotori del gene. Ogni gene è controllato da una combinazione di più fattori di trascrizione che, insieme, decidono se il gene deve essere attivo o no in quel particolare momento.

Scegliere un percorso
Oct4 e il suo cofattore Sox2 fanno parte di un insieme di fattori di trascrizione che controllano le prime fasi nello sviluppo embrionale. Oct4 è presente nelle cellule embrionali staminali e i suoi livelli scendono quando la cellula comincia a dividersi e a differenziarsi in diversi tipi di cellule. E' stato anche chiamato il "guardiano" dello sviluppo perché è un fattore necessario per mantenere lo stato di cellula staminale. La struttura illustrata qui, dal file PDB 1gt0, mostra la porzione che si lega al DNA di una proteina simile, Oct1 (azzurra, in basso) e di Sox2 (blu, in alto) legate ad un breve tratto di DNA (arancione e rosa).

Riprogrammare
Sfortunatamente, quando le cellule staminali si differenziano diventando cellule nervose, della pelle o altro, sono normalmente incapaci di rovesciare il processo e diventare ancora cellule staminali. Se questo fosse possibile, però, sarebbe molto utile: per esempio, immaginate di prelevare poche cellule della pelle di un paziente diabetico e poi di trasformarle in cellule del pancreas capaci di produrre insulina. I ricercatori hanno usato recentemente Oct4 e Sox2 per compiere i primi passi verso questo importante obiettivo. Aggiungendo i geni di queste proteine, insieme con alcuni fattori di trascrizione, a cellule della pelle, sono riusciti a riprogrammare le cellule e a farle diventare cellule staminali "pluripotenti" capaci di formare molti altri tipi di cellule

Sforzo di Gruppo
Riprogrammare le cellule della pelle o altre cellule per farle diventare cellule staminali richiede alcune proteine di aiuto che portino il segnale di Oct4 ai molti geni che devono essere attivati. Le due proteine mostrate qui (in alto c-Myc, in basso Klf4) sono state usate nei primi esperimenti riusciti di riprogrammazione cellulare.
La porzione che lega il DNA di c-Myc qui è mostrata legata ad un piccolo tratto di DNA insieme con la sua proteina compagna Max (file PDB 1nkp).









Qui a destra è mostrata la porzione che lega il DNA del fattore di trascrizione Klf4 (file PDB 2ebt) è composta da tre domini a dita di zinco (mdm 3-2007) particolarmente adatti ad entrare nelle scanalature della doppia elica (i tre atomi di zinco si intravvedono, verdi).








Esplorando la Struttura
Il controllo combinatorio, con il quale molti fattori di trascrizione si legano insieme per controllare un gene, permette alle stesse proteine di essere usate in modi diversi. Questo è illustrato qui sopra con due strutture nelle quali sono presenti le stesse due proteine Oct1 (blu, in alto) e Sox2 (azzurra, in basso) legate a differenti tratti di DNA di regolazione.
Nella struttura PDB 1gt0 (la prima qui a fianco) le due proteine sono legate al DNA esaltatore FGF4 e interagiscono debolmente tra di loro solo attraverso la coda allungata di Oct1 (in blu) che sfiora in un solo punto Sox2 (in azzurro).
Nella struttura PDB 1o4x (più a destra), le proteine sono legate più vicine una all'altra sulla sequenza regolatoria di DNA Hoxb1 e quindi interagiscono più fortemente tra loro. In questo modo la diversa spaziatura tra i siti di legame sul DNA può controllare la forza di legame dei complessi tra Oct e Sox.

Spunti per ulteriori esplorazioni
I ricercatori hanno usato una varietà di altri fattori di trascrizione insieme a Oct4 e Sox2 per riprogrammare le cellule e tra questi Nanog e Lin-28. Le porzioni che legano il DNA di queste proteine sono disponibili negli archivi PDB. Provate a trovare somiglianze e differenze con i fattori di trascrizione mostrati qui.
Molte proteine che si legano al DNA lo piegano quando sono legate. Trovate degli esempi di complessi proteina-DNA di questo tipo negli archivi PDB.

Bibliografia

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