Biologia molecolare - regolazione genica nei procarioti

SPORULAZIONE

La sporulazione è un processo tipico, ad esempio, del batterio Baciullus Subtilis

(non di E.coli), che implica il differenziamento di una cellula batterica dalla forma vegetativa

alla formazione di una spora, con contemporanea lisi della cellula madre.

In particolare questo processo dipende dalle condizioni ambientali in cui il batterio vive,

poiché la spora ha sicuramente una maggiore resistenza rispetto alla forma vegetativa,

per cui può sopravvivere anche in condizioni ambientali molto sfavorevoli.

Questo processo di sporulazione consiste quindi di VARIE FASI, ovvero, inizialmente il DNA

del batterio vegetativo si replica dando origine a due molecole figlie, subito dopo si

incomincia a formare un setto di divisione che divederà la cellula in due compartimenti,

ovvero il compartimento della CELLULA MADRE e il compartimento PRE-SPORA.

Dopodichè una delle due molecole figlie viene fatta transitare nella pre-spora attraverso un

meccanismo attivo che implica delle funzioni di chaperon. Una volta fatto ciò la spora verrà

inglobata all’interno della membrana di rivestimento, in modo tale che si formi il primo

rivestimento che verrà poi completato quando a questo primo strato interno di

peptidoglicano si aggiunge uno strato esterno di natura proteica definito come corteccia,

che costituisce un ulteriore difesa per la cellula contro un eventuale ambiente ostile.

Inoltre contemporaneamente alla formazione delle strutture esterne avviene la disidratazione

del citoplasma sporale, ed infine la spora completa le sue parti con un corredo genico simile

a quello della cellula madre, e viene rilasciata all’esterno per lisi della cellula madre che l’ha

prodotta.

Ovviamente questo processo di sporulazione, è un processo di differenziamento perché

partendo da un'unica cellula abbiamo prodotto una spora e mandato in lisi la cellula madre,

e quindi questo sicuramente significa che abbiamo innescato nei due compartimenti, due

meccanismi diversi di attivazione genica differenziale, che non funzionano indistintamente

l’uno dall’altro ma vengono attivati e regolati ma da eventi di fosforelè (sono interruttori che

vengono aperti o chiusi da una cascata di segnalamento che mette in gioco delle chinasi),

che permettono l’attivazione temporalmente diversificata di σ alternativi e quindi da

meccanismi di criss-cross, poiché vi deve essere un COLLOQUIO tra la cellula madre e la

prespora, per mandare in maturazione crociata meccanismi.

In particolare, il processo viene attivato,quando vi sono condizioni ambientali sfavorevoli,

ovvero la mancanza di nutrienti attiva vie di traduzione del segnale, ovvero vengono attivati

dei fosforelè, cioè kinasi che a cascata vanno a fosforilare un fattore chiamato SpoOA,

che è un classico attivatore trascrizionale, che va ad aiutare due σ già presenti nel batterio,

ovvero σ43 (il principale in quanto partecipa insieme al core enzimatico al metabolismo del

batterio) e σH(minoritario, normalmente non viene utilizzato), a trascrivere due diversi

operoni, che codificano per σalternativi (σF e σpro-E) che mentre si forma il setto, sono

implicati a loro volta nell’attivazione di prodotti spora/madre.

Quindi mentre si forma il setto, SpoOA fosforilato fa si che:

- σ43vada a trascrivere, all’interno della pre.spora, l’operone che codifica per un σF che

sarà già maturo

- σHvada a trascrivere, all’interno della cellula madre, l’operone che codifica per σ-proE,

che inizialmente sarà sotto forma di precursore inattivo, che quindi dovrà essere

successivamente attivato

Tuttavia σF presente all’interno della pre-spora, non è immediatamente funzionale, perché

sarà sotto controllo di un'altra proteina SpoIIAB che funzionerà da anti-sigma, ovvero da

inibitore di sigma.

Tuttavia una proteina integrale di membrana, ovvero la fosfatasi SpoIIE, essendo posizionata

a livello della membrana dove si formerà la spora, andrà a defosforilare un'altra proteina

detta SpoIIAA (anti-anti-sigma) rendendola attiva e quindi capace di andare a legare l’anti-

sigma SpoIIAB, che in questo modo potrà lasciare libero σF, che cosi non sarà più inibito.

Fatto cio σF potrà andarsi a legare con il core enzimatico, formando un oloenzima capace di

determinare l’attivazione di un altro operone, che a sua volta determinerà la produzione (a

cascata) di un altro fattore sigma detto appunto σG ,(non funzionale) sempre a livello del

compartimento pre-spora.

Tuttavia questo avanzamento che avviene nella prespora, dovrà essere segnalato al

compartimento materno affinché questo possa produrre un’altra cascata di sigma alternativi

e andare avanti nel processo di differenziamento.

Ecco che allora sigma F oltre a produrre σG (inattivo), determina anche la produzione di

SpoIIR, ovvero di un attivatore della proteasi di membrana SpoIIGA (presente a livello del

compartimento materno), che una volta attivato andrà a maturare pro-σE a livello del

compartimento materno, provocando un taglio proteolitico che fa si che pro-σE diventi un

σE attivo e funzionale.

Ovviamente questo è già un evento di criss-cross tra i due compartimenti, ovvero un

meccanismo di comunicazione tra madre e spora.

Tuttavia σE materno a sua volta è necessario, affinché venga attivato σG a livello del

compartimento pre-spora.Infatti succede che σE va a attivare una proteasi SpoIIIA,che una

volta attivato andrà ad attivare σG, attraverso sempre tagli proteolitici, che a sua volta

determinerà la cascata di altri fattori σ.

Infatti σG una volta attivato nella prespora, produce un regolatore che andrà ad attivare un

altro sigma posto a livello del compartimento madre, ovvero σK, che tuttavia prima di essere

attivato deve subire dei processi di ricombinazione, poiché le sequenze che codificano per

σk sono sparse nel genoma. Quindi queste sequenze dovranno essere prima messe assieme

(ricombinazione), in modo tale che questo sigma possa essere prodotto sottoforma di

precursore inattivo che subire questo processo di attivazione operato dal regolatore di σG.

Quindi in mancanza di nutrienti la cellula mette un atto il processo di sporulazione,che va

avanti con la produzione di sigma alternativi, in due differenti compartimenti,ma che tuttavia

devono comunicare tra di loro attraverso meccanismo di criss-cross, perché altrimenti

questa attivazione sequenziale dei vari sigma non potrà avvenire e di conseguenza tutto il

processo di sporulazione non potrà essere portato a termine.

ALTRI MECCANISMI DI REGOLAZIONE

Nei procarioti, oltre ai meccanismi regolativi che agiscono a livello della trascrizione che

sono dovuti all’azione di regolatori proteici, esistono anche meccanismi alternativi di

regolazione, che possono implicare l’uso o dei piccoli Rna (sRna), oppure di proteine che

agiscono da repressori traduzionali della propria sintesi.

Piccoli Rna sono dei piccoli Rna antisenso, che andandosi ad appaiare all’m-Rna

complementare,possono generare un duplex Rna/Rna.In particolare quando si parla di

questi piccoli RNA antisenso che funzionano da regolatori,non si parla di RNA antisenso che

vanno a coprire tutta la struttura dell’m-Rna,ma si parla semplicemente di piccoli rna

antisenso che si vanno ad appaiare solo ad una piccola regione dell’m-Rna.Infatti cosi

facendo possono svolgere diverse funzioni,ovvero:

- possono impedire il legame di una proteina regolatrice che ha come suo bersaglio una

regione a singolo filamento sull’m-Rna,andandosi ad appaiare in questa regione

bersaglio generando cosi una doppia elica che non potrà essere più riconosciuta dalla

proteina.

- oppure creare una doppia elica che sia target per endonucleasi di restrizione (tagliano a

doppio filamento), in modo che ad esempio possano portare a maturazione un trascritto

policistronico che presenta sequenze che codificano per un t-Rna e per r-Rna,che sono

sequenze che ci servono separate.

- oppure ancora determinare in trans la formazione di strutture secondarie alternative a

livello di questi m-Rna,in modo tale che queste possono ora essere bersaglio di proteine

regolatrici, che prima non potevano legarsi.

Quindi possiamo dire che questi piccoli Rna possono funzionare da regolatori di alcune

funzioni, che possono essere espletate sia a livello trascrizionale che a livello traduzionale.

Inoltre è stato visto che questi piccoli rna possono anche funzionare da RIBO-

INTERRUTTORI, ovvero sequenze secondarie di Rna che funzionando da sensori di piccoli

metaboliti (che a loro volta legano e attivano questi ribo-interruttori), controllando

l’espressione genica mediante un controllo trascrizionale o traduzionale. Quindi questi

metaboliti andandosi a legare a questi piccoli rna, fungono da segnalatori,o meglio da

attivatori di questi ribo-interruttori che a loro volta potranno andare a regolare o

positivamente o negativamente l’espressione genica all’interno dei batteri,ovviamente

attraverso o un controllo trascrizionale o traduzionale.

Il primo ribo-interruttore che è stato scoperto è il Ribo-interruttore SAM (bacillus subtilis)

che risponde alla S-adenosin-metionina, che controlla la funzione di molti geni.

In particolare, questi geni vengono controllati da una molecola di Rna leader, lunga circa

200nt, non tradotta e capace di assumere una struttura secondaria di terminazione non

stabile, ma la S-adenosin-metionina andandosi a legare a questo ribo-interruttore

(sequenza leader) ne stabilizza la struttura. Quindi questi Rna leader possono essere

rappresentati come degli interruttori, perché sono capaci di rilevare i livelli cellulari di

S-adenosin-metionina, e controllare insieme a questi la trascrizione dei geni a valle.

Proteine/repressori le proteine ribosomali sono dei repressori traduzionali della propria



Traduzionali sintesi, perché è stato visto che ogni ribosoma contiene all’incirca 50

diverse proteine che devono essere sintetizzate con la stessa velocità

e che la velocità con cui la cellula sintetizza le proteine, e quindi il

numero di ribosomi necessari,è strettamente connesso alla velocità di

crescita cellulare.

Inoltre è stato visto che un cambiamento nelle condizioni di crescita

porta velocemente ad un aumento o ad una diminuzione nella rapidità

della sintesi di tutti i componenti ribosomali, per cui vi deve essere un

meccanismo di coordinazione della loro regolazione. Infatti il controllo

dei geni delle proteine ribosomali è reso più semplice mediante la loro

organizzazione in diversi operoni, ciascuno contenente fino a 11geni

per proteine