la regolazione genica nei procarioti

Dott. Fabio Picciolo VIII ciclo silsis A060
Anno 2007/8
LA REGOLAZIONE GENICA
NEI PROCARIOTI
Tipologia
di istituto:
classe
III liceo scientifico
Lezioni
della
prof.ssa
Marina Marini
Modulo didattico: genetica molecolare dei procarioti
Durata: 2 ore
Prerequisiti
Dai moduli precedenti:
• Struttura chimica degli acidi nucleici
• Struttura delle proteine
• Concetto di enzima
• Concetto di gene
Dallo stesso modulo:
• Il codice genetico
• Sintesi proteica (trascrizione e traduzione)
CONCETTI FONDAMENTALI
•
•
•
•
•
•
Operone
Geni inducubili
Geni reprimibili
Regolazione negativa
Regolazione positiva
Significato adattativo della regolazione genica
I ORA
NON TUTTI I GENI VENGONO UTILIZZATI NELLO STESSO
MOMENTO E NON TUTTI CON LA STESSA “INTENSITÀ”
Regolazione genica = la modalità con cui viene REGOLATA la
tipologia e la quantità dei prodotti genici
Prodotto genico = RNA e/o proteina (in ultima analisi)
Regolazione Genica nei Procarioti
Finalità:
Rispondere rapidamente ai cambiamenti ambientali
Logica:
Risparmiare energia; niente mRNA o proteine che non
servano subito
Base fisiologica:
la maggior parte dei geni è espressa costitutivamente
pochi geni sono regolati, ognuno con il suo meccanismo
individuale, di induzione o di repressione
I geni strutturali dei batteri sono organizzati in
“cluster” : gruppi di geni codificanti per proteine
con funzioni correlate, (es. enzimi di una stessa
via metabolica, proteine deputate al trasporto
intracellulare ecc), che si trovano sotto il dominio
di un unico promotore.
OPERONE
Unità di trascrizione descritta nel 1961 da François Jacob e
Jacques Monod, che per questo furono insigniti del premio
Nobel.
L’unità completa include:
• Geni strutturali: codificano per le proteine di interesse
• Operatore: Sito sul DNA riconosciuto dalla proteina
repressore
• Promotore: Sito sul DNA cui si lega l’RNA polimerasi per
iniziare la trascrizione dei geni situati a valle
Schema generale
dell’operone
Sono proteine
RNA
polimerasi
Promotore
La capacità dell’RNA polimerasi di
iniziare la trascrizione dipende
dall’assenza di impedimenti a livello del
promotore; possono essere presenti dei
repressori che impediscono l’inizio della
trascrizione.
Si parla di regolazione negativa
Repressore
Operatore
Gene 1
Gene 2
Sono sequenze di DNA
Gene 3
Il repressore inattivo non si lega all’operatore. La RNA polimerasi
può eseguire la trascrizione.
Repressore
Promotore
Operatore
Gene 1
Gene 2
Gene 3
Proteina 1
Proteina 2
Proteina 3
N.B.: il sito operatore non viene trascritto e non codifica per nessuna proteina
Il repressore attivo si lega all’operatore. La RNA polimerasi
NON può eseguire la trascrizione.
Promotore
Operatore
Gene 1
Gene 2
Gene 3
Da dove viene il repressore ?
• La trascrizione dei geni strutturali è spesso
controllata dall’attività di un altro gene, detto
REGOLATORE
• Il gene regolatore codifica per la proteina
repressore, che si lega in maniera specifica
all’operatore di un operone
• Il gene regolatore può trovarsi in qualsiasi punto
del DNA batterico, non necessariamente adiacente
all’operone
RNA
polimerasi
Regolatore
Promotore
Repressore
Operatore
Geni
Facciamo un esempio:
Escherichia Coli
Per trasformare l’ALLOLATTOSIO in glucosio da utilizzare
come fonte di energia sono necessari tre enzimi, codificati
da tre geni appartenenti allo stesso operone (lac)
Per sintetizzare il TRIPTOFANO servono cinque
enzimi, codificati da cinque geni appartenenti allo stesso
operone (trp)
Operone lattosio (lac)
Operone triptofano (trp)
Geni inducibili
Geni reprimibili
DOMANDA CHIAVE
Cosa permette al repressore di
attaccarsi o meno al sito operatore ?
Effettore
E’ una molecola che si lega in
maniera specifica al repressore.
Questo legame può rendere
attivo o inattivo il repressore.
Si lega all’operatore
Trascrizione impedita
Trascrizione impedita
Si lega all’operatore
Operone lac:
Induttore
Repressore inattivo
Si tratta di una VIA
CATABOLICA,
normalmente inattiva (non
espressa), che viene
attivata (INDOTTA) dalla
presenza della molecola da
degradare (il lattosio)
OPERONE TRP:
Repressore inattivo
Corepressore + repressore
Si tratta di una VIA
ANABOLICA, normalmente
attiva (espressa), che viene
inattivata o REPRESSA dalla
presenza della molecola (il
triptofano) che si forma per
effetto delle attività
enzimatiche.
In base all’effetto che il complesso
EFFETTORE-REPRESSORE produce
sulla trascrizione si possono distinguere:
• geni inducibili
• geni reprimibili
Ora sapreste darne una definizione?
COMPITO
OPERONI
INDUCIBILI
Esempio di operone
Esempio di effettore
Complesso effettorerepressore
Ruolo dell’effettore
Definizione
dell’effettore
In presenza del
substrato
OPERONI
REPRIMIBILI
II ORA
RIEPILOGO I ORA
CORREZIONE COMPITO
OPERONI
INDUCIBILI
OPERONI
REPRIMIBILI
Esempio di operone
Operone del lattosio
(lac)
Operone del triptofano
(trp)
Esempio di effettore
Allolattosio
Triptofano
Complesso effettorerepressore
Inattivo, si stacca dal
sito operatore
Attivo, si aggancia al
sito operatore
Ruolo dell’effettore
Disattiva il repressore,
quindi può avvenire la
trascrizione.
Attiva il repressore,
quindi NON può
avvenire la trascrizione.
Definizione
dell’effettore
INDUTTORE
COREPRESSORE
In presenza del
substrato
Viene avviata la sintesi
proteica
Viene inibita la sintesi
proteica
Regolazione della trascrizione di secondo
livello
In genere per una buona attivazione del gene non è
sufficiente che l’RNA polimerasi non abbia
impedimenti a iniziare la trascrizione, perché spesso
il promotore è poco efficiente.
È necessario anche che una o più proteine
favoriscano la trascrizione.
Si parla quindi di regolazione positiva.
Nella regolazione negativa, un repressore, legandosi
al sito operatore in prossimità del promotore,
impedisce la trascrizione dei geni strutturali
Nella regolazione positiva, una o più proteine, legandosi
nel sito attivatore favoriscono la trascrizione dei geni
strutturali favorendo l’attacco della RNA polimerasi
Proteina
attivatore
RNA
polimerasi
Promotore
Operatore
Geni
Alcuni sistemi coinvolgono regolatori positivi. L’operone lattosio presenta sia
elementi di controllo negativi che positivi.
La proteina di attivazione si lega alla sequenza di basi adiacente al sito promotore,
consentendo alla RNA polimerasi di legarsi efficientemente e quindi attivare la
trascrizione dell’operone.
Analogamente a quanto ci siamo chiesti
per i repressori nella regolazione negativa,
ora dobbiamo chiederci…
Nella regolazione positiva cosa
permette alla proteina attivatore di
attaccarsi o meno al sito attivatore ?
Il controllo positivo dell’operone lattosio necessita che la cellula avverta
l’assenza del glucosio.
In assenza di glucosio non può avvenire la glicolisi e si accumula cAMP.
Questo accumulo rappresenta il segnale biochimico che deve favorire
(attivare) la trascrizione dell’operone lac.
+
Proteina CAP inattiva
2 cAMP
Proteina CAP attiva
La proteina CAP attiva si lega al sito attivatore e favorisce l’aggancio della RNA
polimerasi al sito promotore. La trascrizione dell’operone lac viene incentivata.
Ovviamente è necessario che, pur in carenza di
glucosio, ci sia del lattosio disponibile.
Sapreste dire perché ?
La regolazione del lac-operon avviene a due livelli
la carenza di glucosio induce la sintesi di cAMP e l’attivazione di CAP
In assenza di lattosio da
metabolizzare Il repressore
dell’operone lac impedisce
la trascrizione
1° livello: Il repressore Lac
opera una regolazione
negativa; l’operone è
inducibile.
2° livello: Il complesso
cAMP-CAP opera una
regolazione positiva,
inducendo livelli di
trascrizione più alti.
Ora dovrebbero essere più chiari questi concetti
legati alla regolazione genica nei procarioti
Finalità:
Rispondere rapidamente ai cambiamenti ambientali
Logica:
Risparmiare energia; niente mRNA o proteine che non
servano subito
Base fisiologica:
la maggior parte dei geni è espressa costitutivamente
pochi geni sono regolati, ognuno con il suo meccanismo
individuale, di induzione o di repressione
La regolazione positiva favorisce la trascrizione.
La regione del promotore cui si lega cAMP-CAP è diversa
da quella cui si lega la polimerasi
Le regioni del lac operon che legano le proteine
di regolazione
La proteina CAP “sforza” l’elica, ripiegandola. In tal modo
favorisce l’inizio della trascrizione a partire dal vicino promotore
A volte i regolatori si legano
a sequenze poste ad una
certa distanza dal promotore;
in tal caso, esse
interagiscono con la
polimerasi grazie alla
formazione di un ansa del
DNA.
Qui è schematizzata una
regolazione positiva.
La regolazione “di secondo livello” può
utilizzare lo stesso attivatore per regolare più
operoni.
Ad esempio, gli operoni che controllano l’utilizzo di
zuccheri diversi dal glucosio sono controllati dai
singoli zuccheri per quanto riguarda la regolazione
negativa (gli zuccheri inducono la trascrizione
rimuovendo il repressore), ma sono regolati tutti dal
complesso cAMP-CAP per quanto riguarda la
regolazione positiva.
CAP si lega al sito attivatore solo se complessata a
cAMP, che, a sua volta, viene sintetizzato in caso di
carenza di glucosio.
Il repressore Trp è un
omodimero con simmetria
speculare; le due subunità
riconoscono tratti quasi
identici posti su eliche
complementari (palindrome)
Il sito di legame di un regolatore omodimerico, come il
repressore Trp, è una sequenza palindromica; le due
subunità del regolatore dovranno quindi disporsi con una
simmetria speculare
Il repressore lac è anch’esso un dimero; si lega a due
siti distanti tra loro, distorcendo l’elica in modo tale
da impedire il legame con l’RNA polimerasi
L’ansa formata dal repressore lac
4- Regolazione co-trascrizionale
Si tratta di una modalità di regolazione per la quale la
trascrizione di un gene, già iniziata, viene terminata
precocemente, dando luogo ad un breve RNA, il cui
prodotto non sarà funzionale.
Per comprendere questa modalità di regolazione, è
necessario comprendere come viene attuata la
TERMINAZIONE DELLA TRASCRIZIONE.
Infatti, questa modalità di regolazione sfrutta gli stessi
meccanismi della terminazione “rho-indipendente”.
Due modalità per la terminazione della trascrizione nei procarioti
Dettaglio della terminazione rho-dipendente
Il segnale di terminazione è normalmente costituito da un’ansa dell’RNA
ricca di G-C e seguita da AUUUU
L’operone Trp e la regolazione genica cotraduzionale per
attenuazione
Solo se il livello intracellulare di triptofano è scarso si ha la trascrizione
completa dell’mRNA
Per comprendere il meccanismo della
regolazione co-traduzionale mediato da
attenuazione è necessario ricordare che nei
procarioti la traduzione (= sintesi proteica,
operata dai ribosomi) ha inizio mentre l’mRNA
è ancora in corso di trascrizione.
La velocità della sintesi proteica, inoltre, può
essere influenzata dalla scarsità di un
determinato amminoacil-tRNA.
Il meccanismo dell’attenuazione fa sì la
sintesi dell’mRNA dell’operone Trp venga
completata solo se il Trp-tRNA è scarso.
Questa regione “leader” dell’mRNA del I gene strutturale
dell’operone Trp è ricca di triplette codificanti per Trp; il
ribosoma, che inizia a tradurre dalla tripletta AUG, si troverà
in stallo se non ha a disposizione sufficiente Trp-tRNA.
Se il livello di triptofano è basso, il ribosoma rallenta e non copre la
regione 2 dell’mRNA in tempo per evitare che essa interagisca con la
regione 3 che nel frattempo viene sintetizzata; le regioni 2 e 3 ,
accoppiate, formano un complesso di terminazione.
Questo NON è un complesso di terminazione
Questo è un complesso di terminazione
Il tRNA procariotico viene modificato dopo la sua
sintesi, che genera un precursore di grandi
dimensioni. I procarioti hanno un’unica DNA
polimerasi per la sintesi di tutte le classi di RNA.
L’RNA ribosomiale dei procarioti viene sintetizzato
come un’unica molecola; il precursore viene
tagliato e metilato per originare i tre rRNA maturi
Un semplice sistema di trasduzione del segnale nei procarioti regola
i geni che rispondono alla carenza di fosfati
Controllo dell’espressione genica
• ENZIMI COSTITUTIVI
• ENZIMI INDUCIBILI
Operone lattosio lac (operone inducibile)
Operone lac (operone inducibile)
Altre modalità di controllo dell’operone lac
Glucosio
AMP
cAMP= AMP ciclico
CAP= PROTEINA ATTIVATRICE DEL
CATABOLITA
Operone triptofano (operone
repressibile)
Operone triptofano
Altre modalità di controllo dell’operone triptofano
Operone
triptofano
Attenuazione
ATTENUAZIONE
Assenza di triptofano: la trascrizione dell’operone va avanti
Assenza di
triptofano: la
sequenza Leader non
viene tradotta, ma la
trascrizione dei geni
per il triptofano può
continuare
Attenuazione
Eccesso di triptofano: la trascrizione dell’operone si arresta
Eccesso di triptofano:la sequenza Leader viene tradotta, ma il
processo di trascrizione dei geni per il triptofano si arresta
Altre modalità di controllo dell’espressione genica
Sistemi a due componenti
Segnali ambientali
Proteina sensore
Proteina
risposta
Attivazione dell’espressione genica in rapporto alla
densità di popolazione microbica:
QUORUM SENSING
Modalità di controllo dell’espressione genica nei
batteri
1. Attraverso i fattori sigma
2. Controllo delle funzioni degli operoni
3. Sistemi a due componenti
4. Comunicazioni inter-cellulari (quorum sensing)