PERCHE’ I BATTERI HANNO SUCCESSO

• VERSATILITA’ METABOLICA

• VELOCITA’ DI ADATTAMENTO ALLE VARIAZIONI

AMBIENTALI

Livia Leoni

Università Roma TreDipartimento Biologia

Laboratorio di Biotecnologie MicrobicheStanza 2.3

PROTEINERNA

Regolazione dell’espressione genica

traduzionetrascrizione

DNA

Regolazione a livello della sintesi di RNA

Regolazione Post-trascrizionale(stabilità dell’mRNA e delle proteine)

Regolazione della attivitàenzimatica

INDUZIONEdi una via catabolica

REPRESSIONEdi una via anabolica

PROTEINERNA

Regolazione dell’espressione genica

traduzionetrascrizione

DNA

Regolazione a livello della sintesi di RNA

Regolazione Post-trascrizionale(stabilità dell’mRNA e delle proteine)

a) Legame RNA polimerasi

b) Riconoscimento promotore

c) Formazione complesso aperto

d) Inizi abortivi

e) Elongazione

Inizio della trascrizione

Core RNAPσ

σ

mRNA

a)

b)

c)

d)

e)

L’RNA puo’ formare strutture secondarie che possono avere varie funzioni

TERMINAZIONE DELLA TRASCRIZIONE rho-indipendente

Livello 1 : Il fattore sigma determina il riconoscimento specifico del promotore. Il fattore sigma 70 serve a trascrivere la maggioranza dei geni,

ma esistono anche fattori sigma alternativi che servono ad esprimere determinati gruppi di geni in risposta a specifici stimoli ambientali

I regolatori trascrizionali riconoscono e

legano il DNA a livello di specifiche sequenze. Spesso

sono proteine omodimeriche che

riconoscono sequenze

palindromiche

LIVELLO 2:Regolazione dell’espressione

attraverso proteine regolatrici

Nei procarioti, la maggioranza dei fattori trascrizionali

presentano un dominio helix-turn-helix di legame al DNA

LIVELLO 2:Regolazione dell’espressione attraverso proteine regolatrici

Caso 1A: Repressione mediata da induttore

La molecola induttore si lega al repressore e questo provoca una diminuzione dell’affinità di legame del

repressore al DNA (modificazione allosterica)Esempio: lac operone (operone del lattosio) !!!

LIVELLO 2:Regolazione dell’espressione attraverso proteine regolatrici

Caso 1B: Repressione mediata da co-repressore

La molecola co-repressore si lega al repressore e questo provoca un aumento dell’affinità di legame del repressore

al DNA (modificazione allosterica)Esempio: trp operone (operone del triptofano)!!!

LIVELLO 2:Regolazione dell’espressione attraverso proteine regolatrici

Caso 2: Attivazione

Caso 2A

Caso 2B

Ara C

-Ara reprime PBAD

+Ara induce PBAD

RNA pol

PBAD

AraC

AraC

PBAD

ALCUNI REGOLATORI POSSONO COMPORTARSI SIA DA ATTIVATORI CHE DA REPRESSORI

I SITI DI LEGAME PER GLI ATTIVATORI POSSONO TROVARSIDISTANTI DAL PROMOTORE

DNA-bending protein(e.g. IHF)

Specific binding site

PROTEINE ACCESSORIE POSSONO CONTRIBUIRE ALLA REGOLAZIONE DI UN PROMOTORE

SISTEMI A DUE COMPONENTI

Stimolo

PADP

PATP

INPUT HK

His

Sensore

Asp

REC BD

Regolatore

Risposta trascrizionale

Molecola segnale

Gene bersaglio

Attivatore trascrizionale

Bassa densità cellulare Alta densità cellulare

Quorum sensing: comunicazione tra cellule.regolazione di geni in funzione della densità cellulare

CURVA DI CRESCITA BATTERICA

Repressione da catabolita: curva di crescita diauxica

INDUZIONE di una via catabolica

ASSENZA DI LATTOSIO

PRESENZA DI LATTOSIO

La presenza di lattosio non basta ad attivare l’espressione dei geni lacLa curva diauxica mostra che, se è presente glucosio, il lattosio non

viene utilizzato

FENOMENO DELLA REPRESSIONE DA CATABOLITA

Il promotore dell’operone lac

Sito di legame dell’attivatore

Sito di legame della RNA polimerasi

Sito di legame del repressore

In assenza di glucosio aumental’attività dell’adenilato ciclasi e quindi i livelli di AMPc

PRESENZA DI SOLO GLUCOSIO = PIENA REPRESSIONE

Sito di legame dell’attivatore

Sito di legame della RNA polimerasi

Sito di legame del repressore

LacI

PRESENZA DI SOLO LATTOSIO = PIENA INDUZIONE

Sito di legame dell’attivatore

Sito di legame della RNA polimerasi

Sito di legame del repressoreCAP

AMPc LacI

Lattosio

PRESENZA DI LATTOSIO E GLUCOSIO=MANCATA ATTIVAZIONE

Sito di legame dell’attivatore

Sito di legame della RNA polimerasi

Sito di legame del repressoreCAP

AMPc LacI

Lattosio

•I livelli cellulari di AMP ciclico aumentano in assenza di glucosio•AMPc è il co-induttore dell’attivatore CAP•In presenza di lattosio + glucosio i geni lac non sono indotti perchéCAP non puo’ attivare•L’operone è trascritto solo in presenza di lattosio ed assenza diglucosio

REPRESSIONE DA CATABOLITA

LA PROTEINA CAP E’ UN REGOLATORE GLOBALE

REPRESSIONE di una via anabolica

L’RNA puo’ formare strutture secondarie che possono avere varie funzioni

TERMINAZIONE DELLA TRASCRIZIONE rho-indipendente

Nell’mRNA del peptide leader ci sono delle regioni che possono formare una forcina di terminazione

della trascrizione.

Il ribosoma inizia a tradurre il peptide leader,Se c’è Trp sufficiente, il ribosoma prosegue. Nel frattempo la RNAP sintetizza l’mRNA e si forma una forcina di terminazione tra la

regione 3 e 4 dell’ mRNA del peptide leader

Il ribosoma inizia a tradurre il peptide leader,Se NON c’è Trp sufficiente, il ribosoma rallenda e si ferma sulla regione 1. Nel frattempo la RNAP sintetizza l’mRNA e si forma una forcina tra la regione 2 e 3 dell’ mRNA del peptide leader, QUESTO IMPEDISCE LA FORMAZIONE DELLA FORCINA DI TERMINAZIONE TRA LA REGIONE 3 E LA 4LA TRASCRIZIONE CONTINUA

ATTENUAZIONE

EnvZOmpFOmpC

Bassa osmolaritàAlta osmolarità

Poro piccolo Poro grande

OmpROmpR lega il DNA solo quando è fosforilata e funziona da attivatore o darepressore a seconda di quali siti occupa sul DNA.

La quantità di OmpR fosforilata è determinata dalla percezione dellapressione osmotica da parte della kinasi EnvZ.

La quantità della proteina OmpR fosforilata nella cellula determina qualeproteina tra OmpF e OmpC viene prevalentemente espressa.

Lo stesso regolatore trascrizionale può agire sia da repressore che da attivatore

OmpR

EnvZOmpF

BASSA OSMOLARITA’ (ambiente)EnvZ non è stimolata

FosforilazioneOmpR a livello basale

ATTIVAZIONEOmpF

OmpC

Sito di legame ad alta affinità Sito di legame a bassa affinità

OmpCPREVALE

OmpR

EnvZ stimolata

OmpC

OmpC

ALTA OSMOLARITA’ (intestino)

Fosforilazione

ATTIVAZIONE

REPRESSIONEOmpF

Sito di legame ad alta affinità Sito di legame a bassa affinità

OmpFPREVALE

OmpR

mRNA per OmpF

EnvZ

sintesi di OmpC

micF RNA174 b

OmpC

REGOLAZIONE MEDIATA DA RNA ANTISENSO Alta osmolarità (intestino)

Fosforilazione

Temperature elevateStress ossidativo/Tossico

UNITA’ TRASCRIZIONALI

SINGOLO GENE

OPERONE

REGULONE/MODULONE

REGOLAZIONE GLOBALE

Il regulone

Il regulone è l’insieme di più geni o operoni sotto il controllo della stessa proteina regolatrice. I geni che lo costituiscono sono implicati nello stesso

pathway

Gene o operone localizzazionearg A 60 minarg B-C-E-H 88 min

arg D 72.5 minarg F 6 minarg G 68 min

Il regulone per la biosintesi dell’arginina

Esempio di regulone sottoposto a controllo negativo: tutti i geni per la catena biosintetica dell’arginina sono regolati da un repressore

Sistemi di controllo globale dell’espressione genica

Un batterio può regolare molti geni diversi simultaneamente in risposta a cambiamenti ambientali. Spesso più operoni o reguloni diversi possono essere

attivati o disattivati

Il regulone è l’insieme di più geni o operoni sotto il controllo della stessa proteina regolatrice. I geni che lo costituiscono sono implicati nello stesso

pathway

Se geni e operoni appartengono a pathway differenti si parla di moduloni

ESEMPI: regolazione mediante fattori sigma alternativirisposta SOS

repressione da catabolitaQUORUM SENSING

RETI REGOLATIVE

hcnABCD DNA

The cyanide operon is an example of complex regulation

LasRI

RhlIRRsaL

ANR

RsmZ/Y

hcnABCD mRNA

GacAGacSOther QS regulators

RsmA