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,
proteine o enzimi
che
codificano
per
-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
Geni Regolatori
trans-agenti
trans-agenti
Sequenze regolatrici
cis-agenti
(promotori, terminatori,
operatori)
I GENI STRUTTURALI POSSONO ESSERE:
• Geni costitutivi
• Geni inducibili
(housekeeping)
mantengono le
funzioni essenziali
della cellula
Espressi in certe
condizioni ambientali
o dello
sviluppo,regolati
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 Lac
Permeasi.
Quando non c’è
glucosio la Lac
Permeasi è
attiva
OPERONE Lac:Inducibile regolato in
modo negativo
Stato non indotto
Operone lac ha bassa attività
basale
OPERONE
Sequenza di DNA che
comprende operatore,
promotore e
geni strutturali
Singolo mRNA che porta
l’informazione dell’intero
operone, 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: diploide
I+/IS
Mutanti
nel sito di
legame
del DNA,
per cui si
formano
tetrameri
misti nel
parziale
diploide,
di
proteine
attive e
inattive
Induttore:
Allolattosio,
che origina
dal lattosio
per azione
della betagalattosidasi
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
Inibisce
l’attivita’
dell’adenilato
ciclasi
AMP ciclico
O CAP
CAP si lega al
promotore e
attiva la RNA
polimerasi
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
REPRESSIONE NEGATIVA
ATTIVAZIONE DI 70X
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 levelli
ma 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
terminato
re
La traduzione
avviene in
contemporane
a 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
Il sequenziamento della regione leader ha portato alla
scoperta di strutture appaiabili a forcina
Forcina di
terminazione
Nel peptide
leader
ci 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
RNApolimerasi
A
IN PRESENZA
DELL’ARABINOSIO
arabinosio
B
ATTIVAZIONE DELLA
TRASCRIZIONE
Duplice funzione della proteina araC
La proteina araC assume una conformazione
differente e reprime l’operone ara legandosi
sia ad araI che ad araO
