Meccanismi di regolazione genica nei procarioti: l'operone lattosio

Definizione di geni strutturali

Tutti i geni che codificano per una proteina sono definiti geni strutturali. Nei procarioti i geni strutturali di enzimi che svolgono azioni correlate si trovano vicini sulla mole-cola di DNA. Si definisce operone un complesso genico che comprende geni strutturali con funzioni correlate e sequenze di DNA vicine, responsabili della loro regolazione.

Funzionamento dell'operone lattosio

I geni strutturali dell’operone lattosio (o operone lac) sono lacZ, lacY e lacA e codificano rispettivamente per tre enzimi: la β-galattosidasi, la permeasi e la transacetilasi.
La trascrizione dell’operone lattosio comincia quando la RNA polimerasi si lega a una sequenza, il promotore, situata a monte dei geni codificanti. Il processo porta alla sintesi di un’unica molecola di RNA messaggero, che contiene le informazioni per la sintesi dei tre enzimi. Ogni gene trascritto contiene un codone di inizio e un codone di terminazione, in modo tale che, a partire da un solo mRNA, possano essere sintetizzate tre catene proteiche distinte. La presenza di un’unica molecola di RNA messaggero permette alla cellula di regolare la sintesi dei tre enzimi semplicemente attivando o disattivando la trascrizione.

Ruolo del repressore lattosio

La trascrizione viene controllata da un «interruttore» chiamato operatore. L’operatore dell’operone lattosio è una sequenza di basi che si trova a monte del primo gene strutturale, parzialmente accavallata al promotore. In assenza di lattosio una proteina chiamata repressore lattosio si lega all’operatore e «spegne l’interruttore», impedendo la trascrizione dei geni. Infatti, poiché il repressore è piuttosto grande, quando si lega all’operatore copre anche parte del promotore: in questo modo l’RNA polimerasi non è in grado di legarsi al promotore e la trascrizione risulta bloccata. Il repressore lattosio è codificato da un gene regolatore situato a monte del promotore. Contrariamente ai geni dell’operone, il gene del repressore è costitutivo ed è quindi sempre espresso. Questo significa che nella cellula sono sempre presenti molecole di repressore lattosio.

Il repressore lattosio presenta, oltre al sito di legame per il DNA, un sito di legame per il lattosio. Il lattosio, legandosi al repressore, ne modifica la struttura, rendendolo incapace di interagire con l’operatore, che rimane così «acceso». Questo fa sì che il promotore non risulti bloccato e che l’RNA polimerasi possa dare inizio alla trascrizione.

Sistema inducibile dell'operone lattosio

E. coli produce la β-galattosidasi, la galattosio permeasi e la galattosio transacetilasi fino a quando il lattosio nell’ambiente non si esaurisce. A questo punto il repressore non ha più molecole di lattosio a cui legarsi, modifica la sua conformazione e può nuovamente legarsi all’operatore, bloccando la trascrizione dell’operone lattosio. L’operone lattosio rappresenta un sistema inducibile: i geni sono mantenuti inattivi da un repressore fino a quando una molecola induttore (in questo caso il lattosio) attiva la trascrizione attraverso il blocco del repressore. I sistemi inducibili sono generalmente operoni che codificano per enzimi di vie cataboliche, cioè di vie che degradano substrati per ricavare energia. L’operone lattosio è solo uno degli operoni presenti nei procarioti.