Meccanismi di regolazione

dell’espressione genica nei procarioti

QUANTI MECCANISMI DI REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE

GENICA ESISTONO?

L’espressione genica nei procarioti e negli eucarioti e’ regolata a vari livelli:

-Trascrizionale

- Emivita dell’RNA

-Traduzionale

- durante la maturazione dell’mRNA

- Post-traduzionale

Nei genomi batterici si distinguono:

-Geni strutturali, che codificano per proteine o enzimi

-Geni/Sequenze regolatrici, sono geni che codificano per proteine che regolano l’attivita’ di altri geni o sequenze a cui si legano le proteine regolatrici

Il gene regolatore può regolare la trascrizione in modo positivo (on) o negativo (off)

Geni strutturali trans-agenti

Geni Regolatori trans-agenti

Sequenze regolatrici cis-agenti(promotori, terminatori, operatori)

• Geni costitutivi

• Geni inducibili

(housekeeping) mantengono le funzioni essenziali della cellula

Espressi in certe condizioni ambientali o dello sviluppo,regolati

I GENI STRUTTURALI POSSONO ESSERE:

Generalmente i geni procariotici sono organizzati in clusters, negli eucarioti sono individuali. La clusterizzazione ne permette

un controllo coordinato a partire da un unico promotore

NEI BATTERI

• I geni sono raggruppati e sono in genere enzimi dello stessa via catabolica o anabolica

• Le proteine sono prodotte a partire da un unico mRNA policistronico

GENI INDUCIBILI

• INDOTTI POSITIVAMENTE (proteine regolatrici che permettono alla RNA polimerasi di posizionarsi sul promotore ed iniziare la trascrizione)

• INDOTTI NEGATIVAMENTE (proteine regolatrici che bloccano la trascrizione a partire dal promotore)

La regolazione dell’espressione genica può essere regolata positivamente e negativamente

Corepressori e induttori

Molecole effettrici, aminoacidi, zuccheri, metaboliti

• E.Coli metabolizza preferibilmente il glucosio

• In assenza di glucosio metabolizza altri carboidrati, come il lattosio, spendendo considerevole quantita’ di energia

• Accensione o Induzione dei geni del lattosio

Il glucosio e’importato attraverso il sistema Pts, che blocca la LacPermeasi.

Quando non c’èglucosio la LacPermeasi èattiva

OPERONE Lac:Inducibile regolato in modo negativo

Stato non indottoOperone lac ha bassa attivitàbasale

OPERONESequenza di DNA che comprende operatore, promotore egeni strutturali

Singolo mRNA che portal’informazione dell’interooperone, codifica per diversi geni contemporaneamente

Operone Lac : controllo negativo con induzione

• Induttore=> beta-galattoside, attivano la trascrizione di piu’ di 1000 volte rispetto alle condizioni basali, dopo pochi minuti dalla loro immissione.

• Mutazioni nel circuito regolatore possono sia abolire l’espressione dei geni beta-gal sia generare un’espressione non regolata

Mutanti

-cis-agenti-trans-agenti

IL GENE I-Analisi genetiche hanno contribuito a chiarire ulteriormente

il funzionamento del circuito di controllo

-L’analisi dei mutanti per il gene I fa meglio comprendere la funzione di tale gene

• mutanti I-, sintetizzano livelli massimi di enzimi sia in presenza che in assenza di induttori. Mutanti costitutivi. Questi mutanti avevano mutazioni che mappavano adiacenti ai geni Z,Y,A. Da qui si identifio’ il locus I. Ciò significa che i mutanti I- producono una proteina repressore difettiva per il riconoscimento delle sequenze dell’operatore O: l’Rna polimerasi non incontra alcuno ostacolo e può trascrivere i geni lac anche in assenza di substrato

• mutante Is , non producono mai enzimi per il lattosio, né in presenza, né in assenza di induttori. Questo fa pensare a una proteina repressore difettiva per il sito di legame con le molecole del lattosio e dei suoi derivati: il repressore resta sempre legato alla sequenza O e la trascrizione dei geni strutturali non può avvenire.

Natura del locus I determinata in seguito all’analisi dei diploidi parziali: mutanti I-/I+

Mutanti Is: diploideI+/IS

Mutanti nel sito di legame del DNA, per cui si formano tetramerimisti nel parziale diploide, di proteine attive e inattive

Induttore:

Allolattosio, che origina dal lattosio per azione della beta-galattosidasi

Mutanti Oc

Furono identificati mutanti costitutivi simili a I- ma che non mappano nel locus I.

Esprimono costitutivamente i prodotti dell’operone

Lac.Tramite mappatura si è identificato il locus O fra i loci I e Z.

Diploide parziale recessivo

L’assenza di lattosio fa scendere i livelli degli enzimi lac solo del10 %

IL PROMOTORE DI Lac E’ FORMATO DA 2 COMPONENTI SEPARATE =>mutazioni nel promotore sono cis-agenti

O CAP PROTEINA CHE SI ATTIVA IN PRESENZA DEL CATABOLITA

REPRESSIONE DA CATABOLITA: controllo positivo con attivatore

Devono essere bassi i livelli di glucosio

O CAPCAP si lega al promotore e attiva la RNA polimerasi

AMP ciclico Inibisce l’attivita’dell’adenilatociclasi

In presenza di Glucosio la proteina CAP o CRP non si attiva e la RNApolimerasi non si lega al promotore

I GENI DELL’OPERONE Lac SONO MANTENUTI AD UN’ATTIVITA’ DEL 2% RISPETTO ALLE CONDIZIONI

DI MASSIMA ATTIVAZIONE

ACIDO CORISMICO TRIPTOFANO

Sequenza leader

CONTROLLO A 2 LIVELLI:

•REPRESSIONE NEGATIVA•ATTENUAZIONE

ATTIVAZIONE DI 70X

REPRESSIONE NEGATIVA

MUTANTI trpR

Questi mutanti hanno il repressore inattivo, quindi non puo’ bloccare la sintesi degli enzimi anche in presenza di triptofano.

Tuttavia gli enzimi del Trp non vengono prodotti ai massimi levellima con un decremento di 10 volte, in presenza di triptofano

NEI MUTANTI TrpR,CHE MANCANO DI REPRESSORE FUNZIONALE, IL LIVELLO DI SINTESI DEGLI ENZIMI DEL TRIPTOFANO E’ COMUNQUE RIDOTTO DI CIRCA 10 VOLTE DOPO L’AGGIUNTA DI TRIPTOFANO

ATTENUAZIONE

Regione simile ad un terminatore

La traduzione avviene in contemporanea alla trascrizione

Attraverso l’analisi di mutanti che producono alti livelli di enzimi Trp in presenza di Triptofano si e’ identificata una regione con delezione tra l’operatore e il gene trpE =>

Sequenziamento della regione leader

La sequenza leader viene sempre trascitta ad alti livelli, anche nei genotipi wild-type, in presenza di alte concentrazioni di Trp

Forcina di terminazione

Il sequenziamento della regione leader ha portato alla scoperta di strutture appaiabili a forcina

Nel peptideleaderci sono 2 residui contigui di triptofano, un codone d’inizio e uno di terminazione della traduzione

Forcina di terminazione della trascrizione

OPERONE DELL’ARABINOSIO:DOPPIO CONTROLLO POSITIVO E NEGATIVO

AIN PRESENZA DELL’ARABINOSIO

BATTIVAZIONE DELLA TRASCRIZIONE

RNApolimerasi

arabinosio

Duplice funzione della proteina araCLa proteina araC assume una conformazione differente e reprime l’operone ara legandosi

sia ad araI che ad araO