Espressione della regolazione genica

Espressione della regolazione genica

Ogni organismo è in larga parte il risultato dell'attività biologica delle proteine presenti al suo interno, però non tutte sono presenti allo stesso momento, nello stesso luogo e nella stessa quantità durante la vita di un organismo. È fondamentale che ci sia regolazione nei geni: se venissero prodotte tutte le proteine nella stessa quantità nello stesso momento, non potremmo svolgere alcuna attività. I geni devono essere espressi in determinati momenti (al bisogno, in risposta a uno stress, in una fase del ciclo cellulare…) e in determinati tessuti.

Regolazione genica nei procarioti

Nei procarioti, i geni devono essere regolati principalmente sulla base delle condizioni di crescita, dunque dalla presenza di specifiche fonti di carbonio nel terreno, affinché siano espressi geni necessari per l'utilizzo di quella specifica fonte, dalla presenza di aminoacidi, dalla temperatura: se diversa da quella ottimale, devono essere espressi geni che garantiscano la replicazione a quella determinata temperatura. La regolazione è relativamente semplice.

Regolazione genica negli eucarioti

Negli eucarioti la regolazione genica è molto più complessa perché intervengono molte più proteine ed è fondamentale per lo sviluppo dell'individuo e nel suo differenziamento, e risulta molto più complessa sia per quanto riguarda il numero di geni regolati che per i meccanismi coinvolti nella regolazione. Genetica dello sviluppo (branca specifica).

Regolazione genica nei procarioti

I geni regolati possono essere:

• Indotti (es. utilizzazione di particolari substrati occasionalmente presenti nel terreno di coltura); normalmente non vengono espressi, ma si esprimono solo in particolari condizioni.
• Repressi (es. disattivazione di vie anaboliche in presenza del prodotto, cioè se un aminoacido è presente nel terreno, è inutile che vengano espressi geni per la sua sintesi); normalmente sono espressi, ma l'espressione viene meno in particolari condizioni.

Tali circuiti regolativi hanno lo scopo e il vantaggio di mantenere un equilibrio metabolico nella cellula e attuare un risparmio energetico: le proteine saranno prodotte solo se e quando servono. Esprimere una proteina se non è necessario può essere deleterio.

I batteri vivono spesso in ambienti molto “variabili” (fonti di carbonio, aminoacidi, temperatura, pressione ad es. sul fondale marino). Devono essere capaci di riconoscere le condizioni ambientali, e dunque quali geni devono essere indotti e quali devono essere repressi e, conseguentemente, attivare o reprimere la trascrizione di geni o gruppi di geni opportuni. Generalmente la regolazione genica avviene a livello trascrizionale: se un gene non dev'essere espresso, non si produce mRNA oppure si produce in quantità minima.

Operone

Operone: gruppo di geni adiacenti che vengono coregolati, e dunque coespressi. Comprende un promotore, un operatore e uno o più geni strutturali. Si trovano sotto lo stesso promotore e sotto lo stesso operatore (regione responsabile della regolazione nei procarioti).

RNA policistronico (o poligenico): mRNA trascritto da un unico promotore e che contiene i trascritti di diversi geni dell'operone, che vengono tradotti a dare singole proteine, dunque un RNA su cui si attaccano più ribosomi che sintetizzano diverse proteine.

Geni strutturali: geni che codificano per proteine che svolgono una determinata funzione non correlata alla regolazione. Sono geni per enzimi o per proteine strutturali.

Geni regolatori: geni che codificano per proteine coinvolte nella regolazione genica, per cui regolano l'espressione di geni a valle.

Livelli di regolazione dell'espressione genica

La regolazione dell'espressione genica può avvenire a diversi livelli:

• Trascrizionale: a livello della sintesi dell'mRNA.
• Posttrascrizionale: a livello della stabilità e della maturazione dell'mRNA.
• Traduzionale: a livello della sintesi della proteina.
• Posttraduzionale: a livello di modificazioni della proteina che la rendono attiva o inattiva.

Nei batteri, e anche negli eucarioti inferiori, il principale livello è a livello trascrizionale: è quella più efficace perché è quella che agisce prima, impedendo la sintesi di mRNA garantisce un ottimo risparmio energetico.

Regolazione negativa e positiva

Nella regolazione negativa è presente un repressore, una proteina codificata da un gene regolatore che si lega all'operatore inibendo l'espressione.

Distinguiamo due casi:

• Inducibile: il repressore, in assenza di particolari stimoli, si lega all'operatore, impedendo che l'RNA polimerasi si leghi al promotore o, se si è già legata ad esso, che non effettui la trascrizione. In presenza di un segnale (induttore), questo si lega al repressore, che cambia conformazione, diventando inattivo, per cui non si lega più all'operatore e l'RNA polimerasi può legarsi e procedere con la trascrizione.
• Reprimibile: il repressore è un aporepressore inattivo, quindi incapace di legarsi all'operatore, quindi l'RNA polimerasi è in grado di effettuare la trascrizione. In presenza di un corepressore, questo si lega all'aporepressore, producendo un repressore attivo: questo si lega all'operatore, impedendo all'RNA polimerasi di effettuare la trascrizione.

Nella regolazione positiva il gene regolatore codifica per un attivatore, una proteina coinvolta nel reclutamento dell'RNA polimerasi, quindi ne stimola l'espressione. Distinguiamo due casi:

• Inducibile: il gene regolatore, in assenza di particolari stimoli, produce un attivatore inattivo, per cui l'RNA polimerasi non è in grado di effettuare la trascrizione. In presenza di un induttore, l'attivatore diventa attivo e induce l'espressione.
• Reprimibile: il gene regolatore, in assenza di particolari stimoli, produce un attivatore attivo, quindi è in grado di legarsi al promotore e di reclutare l'RNA polimerasi, che può effettuare la trascrizione. Tuttavia, in presenza di un corepressore, questo rende inattivo il regolatore e lo rende incapace di reclutare l'RNA polimerasi. La trascrizione è repressa.

Domini delle proteine regolatrici

Le proteine regolatrici hanno tre domini, di cui uno di legame al DNA (si riconoscono al promotore o all'operatore, a seconda della loro funzione) e un sito allosterico a cui si lega l'effettore (corepressore o induttore, a seconda che si tratti di regolazione inducibile o reprimibile).

Se la proteina regolatrice è attiva, in assenza dell'effettore si lega al DNA: se il gene è un repressore, inibisce la trascrizione; se è un induttore, la induce. Se si lega l'effettore, esso si lega al sito allosterico, cambia conformazione e perde la sua capacità di legare il DNA.

Se la proteina è un attivatore, non legandosi al DNA non si avrà espressione genica; se è un repressore, comportandosi allo stesso modo, permetterà l'espressione.

È possibile, tuttavia, che la proteina regolatrice inattiva non si leghi al DNA: se è una proteina regolatrice non si avrà espressione genica; se è un repressore, permetterà l'espressione. In presenza dell'effettore, questo si lega al sito allosterico e fa sì che la proteina cambi conformazione, in modo che questa si leghi al DNA: se è una proteina regolatrice non si avrà espressione genica; se è un repressore, permetterà l'espressione.

Operone LAC di Escherichia coli

Sistema necessario per il catabolismo del lattosio studiato da Jacob e Monod nel '61, poi studiato più approfonditamente a livello molecolare. È un esempio di sistema soggetto a doppia regolazione, inducibile a regolazione genica negativa, in cui l'induttore è il lattosio e reprimibile a regolazione genica positiva, in cui i repressori sono dei cataboliti. È in grado di scindere anche altri galattosidi, in cui il galattosio è legato da legami glicosidici ad altre molecole diverse dal glucosio.

Dalle analisi biochimiche è emerso che se un ceppo di E. coli è fatto crescere su un terreno diverso da lattosio, come ad esempio su glucosio, la β-galattosidasi è presente in quantità minime. Se nel terreno è presente lattosio, senza glucosio, la β-galattosidasi ha un'espressione mille volte più elevata: senza di essa, il lattosio non può essere scisso e, quindi, utilizzato. Da queste analisi è emerso, inoltre, che l'enzima è inducibile e il lattosio è un induttore.

Nella prima fase dei loro studi, hanno affrontato la cinetica di induzione. Innanzitutto, hanno cercato di capire se la β-galattosidasi fosse sempre presente e nell'induttore diventasse attiva, oppure se non fosse presente e, in presenza...