Il secondo livello di regolazione dell’espressione genica corrisponde alla trascrizione. Nel caso di alcune proteine, per esempio, il meccanismo di regolazione è la trascrizione differenziale dei geni. I geni cosiddetti «domestici» o housekeeping (ovvero quei geni che codificano proteine coinvolte in processi metabolici fondamentali per ogni cellula vivente, come gli enzimi della glicolisi) sono trascritti tanto dalle cellule del cervello quanto da quelle del fegato.

Però, le cellule del fegato trascrivono alcuni geni specifici delle proteine epatiche e le cellule del cervello trascrivono altri geni specifici delle proteine encefaliche, e nessuno dei due tipi di cellule trascrive i geni che codificano le proteine caratteristiche del muscolo, del sangue, del tessuto osseo o di altri tipi di cellule specializzate dell’organismo.

Come abbiamo visto nei capitoli precedenti, nei procarioti il promotore è una sequenza di DNA situata in prossimità dell’estremità 5' della regione codificante di un gene o di un operone, in corrispondenza della quale l’RNA polimerasi inizia la trascrizione.

Negli eucarioti le cose vanno diversamente. L’RNA polimerasi II degli eucarioti non è in grado di legarsi da sola al promotore e iniziare a trascrivere; può farlo soltanto dopo che sul cromosoma si sono radunate specifiche proteine, dette fattori di trascrizione (▶figura 10).

Un’altra peculiarità della regolazione genica degli eucarioti è la presenza, a monte del promotore, di altre due sequenze regolatrici del DNA; a tali sequenze si legano proteine regolatrici (o regolatori) che hanno il compito di legarsi al complesso di trascrizione e di attivarlo.

Molto più lontano (fino a 20 000 bp di distanza) si trovano invece le sequenze amplificatrici, che legano proteine attivatrici (o attivatori) con il compito di stimolare ulteriormente l’attività del complesso di trascrizione. Non è del tutto chiaro in che modo le sequenze amplificatrici esercitino la loro influenza: uno dei modelli più recenti prevede che il DNA si ripieghi su sé stesso in modo tale che le proteine attivatrici vengano a trovarsi a contatto con il complesso di trascrizione.

Esistono infine sequenze che hanno effetto opposto a quello delle sequenze amplificatrici, i cosiddetti silenziatori, che arrestano la trascrizione in seguito al legame con specifici repressori proteici.

In che modo queste proteine, e le sequenze di DNA con cui interagiscono, regolano la trascrizione? In gran parte dei tessuti, una piccola quantità di RNA può essere trascritta a partire da tutti i geni; l’azione dei fattori di regolazione determina il tasso di trascrizione. Per esempio, nei globuli rossi immaturi del midollo osseo, che producono grandi quantità di β-globina, la trascrizione del gene della β-globina viene stimolata dal legame di 7 proteine regolatrici e 6 proteine attivatrici. Nei globuli bianchi dello stesso midollo osseo, queste 13 proteine non sono prodotte e dunque non si legano alle sequenze regolatrici e amplificatrici vicino al gene per la β-globina; quindi tale gene non viene trascritto quasi per nulla.

In che modo le cellule eucariotiche coordinano la regolazione di più geni la cui trascrizione deve essere attivata contemporaneamente?

Negli eucarioti i geni da coordinare, non essendo organizzati in operoni come nei procarioti, possono trovarsi molto lontani su uno stesso cromosoma, o anche su cromosomi differenti. In tal caso, la regolazione è possibile qualora i diversi geni contengano le stesse sequenze di regolazione, pronte a legarsi alle medesime proteine regolatrici. Uno dei numerosi esempi di questo fenomeno è la risposta di un organismo a una fonte di stress, per esempio la risposta delle piante alla siccità.

In condizioni di stress idrico, una pianta sintetizza una serie di proteine i cui geni si trovano dispersi per tutto il genoma. Vicino al promotore di ognuno di questi geni si trova però una sequenza regolatrice specifica, definita elemento di risposta allo stress (SRE) che, legandosi a una proteina regolatrice, stimola la sintesi di RNA (▶figura 11). Questo meccanismo è di notevole importanza per l'agricoltura.

Un altro sistema con cui una cellula può sintetizzare un certo prodotto genico in quantità maggiori rispetto a un’altra cellula è di fare più copie del relativo gene e trascriverle tutte. La creazione di più copie di un gene al fine di aumentare la velocità di trascrizione viene definita amplificazione genica.

I geni che codificano tre dei quattro tipi di RNA ribosomiale umano sono raggruppati in un’unica unità trascrizionale, ripetuta centinaia di volte nel genoma in modo da fornire un elevato numero di stampi per la sintesi di rRNA; l’rRNA infatti è il tipo di RNA più abbondante nella cellula. In certi casi, però, una ripetizione di questa entità è insufficiente a soddisfare i fabbisogni della cellula.

Le uova delle rane e dei pesci, per esempio, devono disporre di miliardi di ribosomi per far fronte alla massiccia sintesi proteica che segue la fecondazione. Nella cellula destinata a diventare una cellula uovo, il gruppo genico per gli rRNA è presente in meno di 1000 copie che, anche lavorando al massimo, impiegherebbero 50 anni per produrre un miliardo di ribosomi. Come mai alla fine l’uovo contiene così tanti ribosomi (e quindi tanto rRNA)?

La cellula risolve il problema amplificando selettivamente il gruppo di geni per gli rRNA, fino a fargli superare il milione di copie (▶figura 12) che, trascritte alla massima velocità, sono appena sufficienti per produrre in pochi giorni il miliardo di ribosomi necessario.

L’espressione di un gene può essere regolata anche subito dopo che il gene è stato trascritto. Il principale processo durante il quale può avvenire questa regolazione è la maturazione del pre-mRNA che abbiamo descritto nel paragrafo precedente. Come abbiamo visto, il pre-mRNA viene rielaborato mediante rimozione degli introni e successivo montaggio degli esoni. Se da un pre-mRNA vengono rimossi in maniera selettiva particolari esoni, si arriva alla sintesi di proteine diverse.

La maggior parte dei trascritti primari di mRNA contiene numerosi introni (vedi ▶figura 3). Il meccanismo di splicing riconosce i confini tra esoni e introni; ma che succederebbe se il pre-mRNA della β-globina, contenente due introni, venisse tagliato dall’inizio del primo introne alla fine del secondo? Verrebbero eliminati non solo i due introni, ma anche l’esone interposto. Ne risulterebbe una proteina completamente nuova, senza le funzioni originarie della β-globina.

Uno splicing alternativo di questo tipo può costituire un meccanismo messo a punto appositamente per generare una famiglia di proteine diverse a partire da un singolo gene. Nei mammiferi, per esempio, esiste un unico tipo di pre-mRNA per la proteina strutturale chiamata tropomiosina, che però viene tagliato in maniera differente in cinque tessuti distinti, per dare origine a cinque diversi mRNA maturi. Questi vengono tradotti nelle cinque diverse forme di tropomiosina che si possono trovare nel muscolo scheletrico, all'interno del muscolo liscio, nelle cellule del tessuto connettivo (fibroblasti), in quelle del fegato e del cervello (▶figura 13).

Prima che il genoma umano venisse sequenziato (nel 2001), si prevedeva di trovarvi un numero di geni compreso tra 100 000 e 150 000. Fu davvero una sorpresa scoprire che invece erano solamente 24 000, molti meno degli mRNA prodotti! La maggior parte di questa differenza numerica deriva dal meccanismo dello splicing alternativo. In effetti, indagini recenti hanno dimostrato che metà dei geni umani va incontro a splicing alternativo.