Regolazione procarioti. Introduzione e operoni catabolici 1

Regolazione genica nei procarioti

Aumentano o diminuiscono l'espressione di uno

Meccanismi che regolano l'espressione genica

Specifico gene nel momento in cui cambia la richiesta del suo prodotto.

La maggior parte della regolazione genica avviene a livello dell'inizio della trascrizione, sia nei procarioti che negli eucarioti, ma la regolazione interessa anche l'allungamento della trascrizione, il processamento dell'RNA e la traduzione del trascritto in proteina.

Nei procarioti l'organizzazione del genoma in operoni ha un significato sia strutturale che regolativo, infatti un operone è un circuito regolativo unico comprendente un gruppo di geni i cui prodotti sono coinvolti nella stessa via biochimica e quindi sono espressi assieme, cioè costituisce un'unità trascrizionale da cui viene prodotto un RNA policistronico che viene tradotto in una poliproteina che andrà incontro a tagli con la maturazione di diversi prodotti proteici.

Componenti di un operone

Un operone è costituito da:

• Sequenze cis-agenti → capaci di influenzare soltanto l'espressione del segmento di DNA a cui sono fisicamente adese. Lo sono sia il promotore che l'operatore, che sono adiacenti ai geni strutturali, ma anche le sequenze di legame degli attivatori trascrizionali.
• Sequenze codificanti → che codificano per prodotti regolatori trans-agenti capaci di diffondere dal proprio sito di sintesi per agire altrove sul proprio sito bersaglio (nella maggior parte dei casi sono proteine, a volte anche RNA). Lo sono sia i geni strutturali che i geni regolatori.

Un gene regolatore codifica per una proteina o un RNA coinvolti nella regolazione dell'espressione genica.

Una proteina regolatrice, essendo un prodotto trans-agente, diffonde e si lega ad un sito bersaglio sul DNA, ciò fa sì che non è necessario che un gene regolatore sia fisicamente legato alle sequenze dell'operone.

L'espressione genica è controllata da 2 tipi di proteine regolative:

• Gli attivatori: regolatori positivi che aumentano la trascrizione del gene regolato;
• I repressori: regolatori negativi che diminuiscono o aboliscono la trascrizione.

Circuiti di regolazione

Si possono instaurare 2 tipi di circuiti di regolazione:

• Circuito di regolazione negativo: in cui un gene o un operone attivo di default può essere represso mediante il legame di un repressore all'operatore. Ciò impedisce all'RNA pol di iniziare la trascrizione. Questo circuito può essere instaurato dall'azione di un co-repressore che se si lega ad un repressore inattivo lo attiva, se si lega ad un attivatore attivo lo inattiva. I co-repressori sono molecole che impediscono la produzione degli enzimi capaci di sintetizzarle;
• Circuito di regolazione positivo: in cui un gene o un operone represso di default può essere attivato. È il caso dell'attivazione della trascrizione a partire da un promotore “non forte”, a livello del quale l'RNA pol da sola non è in grado di iniziare la trascrizione, perciò è necessaria una proteina regolatrice attiva che interagisce con il DNA e la pol per facilitare l'evento di inizio. Questo circuito può essere instaurato per induzione. Un induttore se si lega ad un attivatore inattivo lo attiva, se si lega ad un repressore attivo lo inattiva. Gli induttori sono molecole che determinano la produzione degli enzimi capaci di metabolizzarle.

Reclutamento regolato e allosteria

Il reclutamento regolato e l'allosteria sono entrambi dei meccanismi di attivazione della trascrizione basati sul legame cooperativo.

Nel caso del Reclutamento regolato il legame cooperativo avviene tra proteine capaci di legare siti adiacenti inducendo aumento di affinità, quindi le interazioni che si instaurano tra queste proteine sono di tipo “appiccicose/adesive”. Di solito le proteine che si legano così interagiscono tra di loro con una forza di legame che aumenta con l'aumentare del numero delle molecole presenti, permettono di stabilizzare l'interazione con il DNA. In questo modo queste proteine si aiutano a vicenda nel legare un gene che regolano tutti insieme. (Il legame cooperativo può servire ad integrare dei segnali permettendo ad un gene di passare rapidamente da spento ad acceso in seguito a piccole variazioni delle condizioni ambientali.)

Un es. è l'attivazione per mezzo del reclutamento dell'RNA pol su un promotore non-forte (chiaramente dopo che sia stata rilevata la repressione operata da un repressore costitutivamente attivo). L'attivatore interagisce contemporaneamente, mediante superfici diverse, con il DNA e la pol portando l'enzima sul promotore.

Le interazioni che l'attivatore fa con il DNA e la pol sono solo adesive perché la pol è attiva e l'attivatore svolge la sola funzione di portarla sul promotore vicino. Una volta posizionata, la pol isomerizza spontaneamente nel complesso aperto e la trascrizione inizia.

Nel caso dell'Allosteria il legame cooperativo avviene tra proteine i cui siti di legame sono distanti, quindi in questo caso il DNA interposto deve essere un DNA curvo/curvabile in grado di formare un'ansa. La curvatura del DNA è intrinseca quando la sequenza del DNA si curva da sola, o indotta quando è dovuta all'azione di altre proteine come le proteine architetto CAP o Fis. La proteina architetto si lega tra il sito di legame di un attivatore ed il promotore inducendo una curvatura sul DNA, che organizza una topologia del promotore utile all'attivazione (o alla repressione), aiutando l'attivatore ad interagire cooperativamente con la pol. Le interazioni che si instaurano tra queste proteine sono di tipo “istruttive” perché inducono modifiche conformazionali.

Infatti l'attivatore interagisce con una pol già legata al promotore in un complesso inattivo e, inducendo un cambiamento conformazionale sull'enzima o sulla sequenza del promotore, determina l'attivazione della trascrizione (elevati livelli di trascrizione). Un es. è quello di un RNA pol che si può legare efficacemente al promotore senza bisogno di alcun aiuto formando un complesso stabile chiuso, ma che non è in grado di isomerizzare spontaneamente nel complesso aperto. Per farlo necessita di una modifica conformazionale che viene indotta in essa dall'interazione con l'attivatore.

Es. di attivatori trascrizionali che funzionano per allosteria sono Ntrc e MerR. Per l'Allosteria l'attività delle proteine regolatrici (attivatori/repressori) è controllata da molecole segnale il cui legame alla proteina