Regolazione dell'espressione genetica nei procarioti

Regolazione genica nelle cellule

Tutte le cellule, dalle più semplici alle più complesse, possiedono moltissimi geni, ma in nessun caso vengono tutti espressi contemporaneamente. Ogni cellula, infatti, svolge le sue attività in modo economico e coordinato, traducendo in proteine solo i geni necessari a seconda delle circostanze.
Uno degli organismi più studiati per comprendere i meccanismi di regolazione dell'espressione genica: il batterio Escherichia coli. Questo organismo utilizza di solito il glucosio, ma in mancanza di questo composto può sfruttare anche il lattosio. Per utilizzare questo zucchero, sono necessari degli enzimi che in condizioni normali sono praticamente assenti nella cellula batterica e vengono sintetizzati solo quando il lattosio è presente nell'ambiente al posto del glucosio.

Meccanismi di trascrizione nei procarioti

Nei procarioti, la regolazione dell'espressione genica avviene essenzialmente a livello della trascrizione, cioè vengono trascritti in mRNA solo i tratti di DNA corrispondenti alle sequenze geniche che devono essere tradotte in proteine. La trascrizione è controllata da specifiche proteine di regolazione, codificate da geni regolatori. La proteina di regolazione può agire come repressore (quando si lega al DNA bloccando la trascrizione del gene) oppure come attivatore (quando facilita l'attacco dell'RNA polimerasi al promotore e quindi la trascrizione del gene).

Efficienza del controllo genico

L'efficienza e la semplicità di questo sistema di controllo dipendono anche dal fatto che nei procarioti, mancando il nucleo, la trascrizione è strettamente accoppiata alla traduzione, per cui l'mRNA inizia a essere tradotto dai ribosomi prima ancora che la sua sintesi sia terminata.

Spesso, nel genoma batterico, i geni che codificano proteine implicate nel funzionamento della stessa via metabolica sono disposti in sequenza. L'efficienza del controllo sulla via metabolica è aumentata dal fatto che l'RNA polimerasi trascrive questi gruppi di geni correlati in un'unica molecola di mRNA, in cui le sequenze corrispondenti alle diverse proteine, delimitate dai loro codoni di inizio e di stop, sono adiacenti o distanziate da 100-200 nucleotidi.

Modello dell'operone

Il sistema più noto di regolazione genica nei procarioti è rappresentato dal modello dell'operone, individuato negli anni Sessanta da F. Jacob e J. Monod, studiando la regolazione genica in Escherichia coli. Un operone è un tratto del cromosoma batterico costituito da un promotore, un operatore e uno o più geni strutturali, cioè geni che codificano per specifiche proteine. Il promotore è il sito di attacco dell'RNA polimerasi; l'operatore segue il promotore ed è una breve sequenza di basi a cui si lega la proteina repressore; quest'ultima è codificata da un gene regolatore, non necessariamente adiacente all'operone.

Operoni inducibili e reprimibili

Sono noti due tipi di operoni: operoni Gli operoni inducibili normalmente non sono espressi; la loro trascrizione richiede la presenza di una sostanza, detta induttore, che inattiva il repressore. In un operone inducibile, il repressore è normalmente legato all'operatore, impedendo all'RNA polimerasi al legarsi al promotore per trascrivere i geni strutturali.

Il repressore è attivo Tino a che non si lega all'induttore: in presenza di induttore, infatti, si forma un complesso repressore-induttore che si stacca dall'operatore, permettendo all'RNA polimerasi di legarsi al promotore e di iniziare la trascrizione. I geni strutturali codificano in genere per una serie di enzimi e l'induttore è di solito il substrato su cui questi agiscono. Grazie a questo sistema, gli enzimi vengono sintetizzati solo quando è presente il loro substrato e quindi soltanto quando sono effettivamente necessari.

Esempi di operoni

Un esempio di operone inducibile è fornito dall'operone lac, l'operone che contiene i tre geni necessari per l'utilizzazione del lattosio in E. coli. In assenza di lattosio, l'operone è inattivo e i tre geni non vengono espressi. In presenza di lattosio, questo zucchero (in realtà un suo derivato) funge da induttore, legandosi al repressore e inattivandolo; l'RNA polimerasi può così legarsi al promotore e trascrivere i tre geni in blocco, formando un'unica molecola di mRNA.

Gli operoni reprimibili sono invece normalmente espressi, tranne quando è presente un corepressore, che attiva il repressore. In un operone reprimibile, il repressore è normalmente inattivo e l'operone viene perciò trascritto regolarmente.

Il repressore rimane inattivo finché non si lega a un corepressore, formando con esso un complesso repressore-corepressore che si lega all'operatore, impedendo all RNA polimerasi di trascrivere i geni strutturali dell'operone.

Un corepressore è spesso il prodotto finale della via biosintestica che esso controlla; un esempio è rappresentato dall'operone trp, che codifica gli enzimi deputati alla sintesi dell'amminoacido triptofano in E. coli. In assenza di triptofano, l'operone è attivo e i geni degli enzimi necessari per la biosintesi dell'amminoacido vengono trascritti. Quando il triptofano è presente nel terreno di coltura, gli enzimi che lo sintetizzano non sono più necessari e la loro produzione cessa bruscamente; il triptofano agisce infatti come corepressore, legandosi al repressore e attivandolo, in modo da bloccare la trascrizione.