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 puo’ 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)
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 clusterizzati 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 puo’
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’e’ glucosio
la Lac
Permeasi e’
attiva
OPERONE Lac:Inducibile regolato in
modo negativo
Stato non indotto
Operone lac ha
bassa attivita’
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 genrare 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
Is
• mutante
, 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
beta-galattosidasi
Mutanti
c
O
Furono identificati mutanti costitutivi simili a I- ma che non
mappano nel locus I
Esprimono costitutivamente i prodotti dell’operone Lac
Tramite mappatura si e’ 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
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
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
