Capitolo 17

Regolazione dell’espressionegenica nei batteri e nei batteriofagi

Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A

http://web.unife.it/progetti/genetica/Guido/index.php?lng=it&p=4

Domande 171. Non tutti i geni funzionano simultaneamente, e molti

devono rispondere (attivandosi o disattivandosi) a variazioni ambientali: come viene regolata l’espressione genica nei procarioti?

2. Come interagiscono fra loro siti del DNA e proteine regolatrici?

3. Succede tutto alla trascrizione, o possono contare anche meccanismi legati alla traduzione?

Alcuni meccanismi sono molto semplici: fago λ

replicazione, ricombinazione

testa, coda

integrazione

Geni che si esprimono insieme occupano posizioni adiacenti sul cromosoma

Figura 17.1

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Altri meccanismi sono più complessi: geni inducibili

Figura 17.2

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Utilizzo del lattosio in E. coli

Variabilità fenotipica in ceppi di E. coli: enzimi sintetizzati

Lattosio, glucosio: Glu, non LacLattosio, non glucosio: Lac

sintesi regolabile degli enzimi per Lac: Lac+

Lattosio, glucosio: Glu, non LacLattosio, non glucosio: non Lac

deficit della sintesi degli enzimi per Lac: Lac-

Lattosio, glucosio: Glu, LacLattosio, non glucosio: Lac

sintesi costitutiva degli enzimi per Lac: Lacc

Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.AFigura 17.3

Nei ceppi selvatici, quando nel terreno è presente solo lattosio vengono sintetizzati:

1.β-galattosidasi: scinde lattosio in glucosio + galattosio2.permeasi3.β-galattoside transacetilasi

I tre geni producono inizialmente un unico messaggero

Modello dell’operon: (Monod e Jacob)

Figura 17.4

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Organizzazione dell’operon per il lattosio

Figura 17.5

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Funzionamento dell’operon per il lattosio in assenza di lattosio

Figura 17.6

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Modello molecolare del repressore Lac

Modello molecolare del repressore Lac

Figura 17.7

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Funzionamento dell’operon per il lattosio in presenza di lattosio

Controllo negativo della trascrizione

1. Un repressore controlla negativamente la trascrizione (cioè la disabilita)

2. I geni strutturali Z, Y ed A possono trascrivere solo se viene rimossa l’inibizione rappresentata dal repressore

Traduzione all’operon del lattosio: 1

Traduzione all’operon del lattosio: 2

Mutazioni polari

Mutazione in Z: galattosidasi alterata, né permeasi né transacetilasiMutazione in Y: permeasi alterata, manca la transacetilasiMutazione in A: transacetilasi alterata

Diploidia parziale nello studio dell’operon

AB

CDE

GF

E D

Sintesi regolabile Sintesi costitutivaa+ a-

Diploidia parziale nello studio dell’operon

1. Una mutazione costitutiva che mappa a monte di p: I-

Sintesi regolabile

Dipende dalla mancanza di una proteina, che è presente nell’eterozigote

2. Una mutazione costitutiva che mappa a valle di p: oC

Sintesi costitutiva

Se dipendesse dalla mancanza di una proteina l’eterozigote ce l’avrebbe, e avrebbe fenotipo a+

I - è la mutazione di un gene regolatore

oC è la mutazione di un sito regolatore del DNA

Figura 17.8 (a)

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o è un sito del DNA

Figura 17.8 (b)

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o è un sito del DNA

Figura 17.9 (a)(b)

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I è un gene che codifica per una proteina

Figura 17.9 (c)

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I è un gene che codifica per una proteina

Figura 17.10

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Nei mutanti IS non si esprimono i geni per il lattosio, né in presenza né in assenza di lattosio

Superrepressione

Il controllo negativo spiega perché i geni per il lattosio non sono espressi in assenza di lattosio

Ma perché non sono espressi quando sono presenti sia lattosio che glucosio?

Lattosio, glucosio: Glu, non Lac

Lattosio, non glucosio: Lac

sintesi regolabile degli enzimi per Lac: Lac+

Un passo indietro

Controllo positivo: Repressione da catabolita

Figura 17.11

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Repressione da catabolitaIn presenza di glucosio, sono bassi i livelli cellulari di cAMP

Figura 17.12

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Inattivata in presenza di glucosio nella cellula

cAMP

tanto

poco

glucosiopoco tanto

Riassumendo, in ceppi selvatici

1. Glucosio, non lattosio repressore attivo, cAMP basso, poco cAMP-CAP al sito CAP

Nessuna trascrizione all’operon lac

2. Glucosio, lattosio repressore inattivo, cAMP basso, poco cAMP-CAP al sito CAP,

Bassi livelli di trascrizione all’operon lac

3. Non glucosio, lattosio repressore inattivo, cAMP alto, molto cAMP-CAP al sito CAP,

Alti livelli di trascrizione all’operon lac

Figura 17.13

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Sequenza di Shine-Dalgarno,9-12 basi a monte dell’AUG.La traduzione comincia da qui.

Qui GUG = Met, non Val !

Sequenza del promotore del gene lacI+

Figura 17.14

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Regioni regolatrici dell’operon lac

Biosintesi degli amminoacidi in E. coli

Quando un amminoacido non è presente sul terreno, E. coli attiva i geni per la sua biosintesi; quando è presente sul terreno, E. coli disattiva i geni per la sua biosintesi

L’operon per il triptofano in E. coliDue forme di regolazione: 1. Negativa (con repressore)

• L’operon è composto da 5 geni strutturali•TrpR è prodotta da un gene distante dall’operon•Da sola non è in grado di legarsi al sito o (aporepressore)•Quando è legata a molecole di trp, si lega al sito o e inibisce la trascrizione (ne riduce i livelli di 70 volte)

L’assenza di membrana nucleare permette che la traduzione cominci a trascrizione in corso.

Questo permette, a sua volta, di regolare la trascrizione in funzione della posizione del ribosoma sul DNA

È fondamentale il ruolo di un sito attenuatore, nella regione leader del messaggero

L’operon per il triptofano in E. coliDue forme di regolazione: 2. Per attenuazione

Figura 17.15

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L’operon per il triptofano in E. coli

Figura 17.16

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Il messaggero può assumere tre conformazioni diverse a seconda della concentrazione di triptofano. Il cambio di conformazione agisce sui livelli di trascrizione

Figura 17.17 (a)

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Quando il ribosoma si ferma ai codoni UGG la trascrizione continua ai 5 loci strutturali

trp-tRNA scarichi: blocco della traduzione, la trascrizione continua

Figura 17.17 (b)

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Attenuazione: quando il ribosoma non si ferma ai codoni UGG si interrompe la trascrizione a monte dei loci strutturali

trp-tRNA carichi: prosegue la traduzione, la trascrizione si interrompe

RiassumendoTriptofano abbondante. L’aporepressore si lega al trp e così attivato va a occupare il sito o, inibendo la trascrizione

Triptofano assente. L’aporepressore non si lega al trp, il sito o è libero e la trascrizione comincia. La traduzione si arresta ai due codoni UGG. Si appaiano le regioni 2 e 3 del trascritto e perciò la RNA P può continuare la trascrizione

Basse concentrazioni di Triptofano. L’aporepressore non si lega al trp, il sito o è libero e la trascrizione comincia. La traduzione prosegue oltre i due codoni UGG. Si appaiano le regioni 3 e 4 del trascritto e perciò la RNA P si stacca e si interrompe la trascrizione

Riassumendo

1. Niente trp Bassa affinità dell’aporepressore per o, trp-tRNA scarichi

Alti livelli di trascrizione all’operon trp

2. Poco trp Bassa affinità dell’aporepressore per o, trp-tRNA carichi

Bassi livelli di trascrizione all’operon trp

3. Tanto trp Alta affinità del repressore per o (trp-tRNA carichi, ma non

conta)

Nessuna trascrizione all’operon trp

Figura 17.19

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Attenuazione: nella regione leader degli operoni per la biosintesi di diversi amminoacidi sono presenti in più copie i codoni per lo stesso amminoacido.

Figura 17.21

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I geni che si esprimono insieme sono localizzati in regioni contigue

fago λ (cromosoma lineare che si circolarizza all’interno della cellula batterica ospite)

Figura 17.22

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La trascrizione comincia sempre dai promotori precoci PL e PR

Figura 17.22

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La scelta fra ciclo litico e lisogenico dipende dai livelli relativi di cII (che attiva PRE e la conseguente sintesi di integrasi) e Cro

(che, tramite Q, stimola la sintesi ai geni tardivi)

Sintesi 17

•Geni funzionalmente collegati sono spesso localizzati in regioni contigue del cromosoma

•Nei casi più semplici (fago λ) questa contiguità è sufficiente a determinare una regolazione genica

•In altri casi (lac, trp, in E. coli) delle proteine (repressori) inibiscono o attenuano la trascrizione: controllo negativo

•Il controllo negativo della trascrizione può avvenire anche grazie a meccanismi legati alla traduzione (trp, in E. coli)

•In molti casi (lac, in E. coli) esistono anche controlli positivi che stimolano la trascrizione