Espressione genica nei procarioti e negli eucarioti

La regolazione dell'espressione genica nei procarioti

Bisogna per prima cosa definire il concetto di operone, il quale è un insieme di geni strutturali che codificano per proteine che hanno funzioni correlate, sono ad esempio coinvolte nella stessa via metabolica. L'espressione di tali geni è regolata in maniera unica e coordinata.

I geni sono controllati da un unico promotore (P), dopo il promotore segue una sequenza chiamata operatore (O). Lontano dal blocco di sequenze composto da geni strutturali, dal promotore e dall'operatore, è localizzata un'altra sequenza chiamata gene regolatore, che codifica per una proteina detta proteina repressore.

La proteina repressore lega l'operatore e quando vi è legata, la trascrizione dei geni strutturali è bloccata, questo perché la proteina repressore blocca l'azione della RNA polimerasi II che si lega al promotore e consentirebbe la trascrizione dei geni in maniera unica e coordinata.

Si parla di RNA messaggero policistronico, ovvero un’unica molecola di RNA che codifica per più proteine contemporaneamente (codifica per i geni strutturali). La proteina repressore riconosce l’operatore, ma lo riconosce a seconda se la proteina repressore è legata o meno ad una proteina chiamata co-repressore, il quale può legare il repressore ed influenzarne la capacità di legare l’operatore. Generalmente il co-repressore è un composto a basso peso molecolare, è quindi una piccola molecola.

Prendiamo in considerazione due tipologie di esempi di operone:

• L’operone inducibile -> nell’operone inducibile, il repressore da solo, ovvero non legato al co-repressore, è in forma attiva, ciò significa che si lega all’operatore. Quando invece è presente il co-repressore, che funge da induttore, il repressore lega il co-repressore e tale legame fa si che il repressore non riconosca l’operatore,

di conseguenza restastaccato da esso. Ci si trova in una situazione distato indotto, motivo per cui si parla di operoneinducibile, infatti il co-repressore induce latrascrizione perché fa si che il repressore nonriconosca l’operatore. Quindi l’RNA polimerasilega il promotore e trascrive l’RNA messaggeropolicistronico, vengono così trascritti i genistrutturali in maniera coordinata. L’RNAmessaggero viene poi tradotto in proteina equindi i geni strutturali consentono la traduzionedelle proteine ad essi associate.

Quindi: in assenza dell’induttore, quindi del co-repressore, il repressore è in forma attiva, edessendo legato all’operatore impedisce latrascrizione. Quando l’induttore raggiunge,all’interno della cellula, un livellosufficientemente elevato, esso si lega alrepressore e ne modifica la conformazione,passa così dalla forma attiva a quella inattiva,avviene quindi il distacco dall’operatore,

Tale procedimento è chiamato induzione. Il promotore diventa così accessibile all'RNA polimerasi e la trascrizione può avere inizio, momento in cui ci si trova nello stato indotto.

Un esempio di operone inducibile: operone lacZ, è il primo operone inducibile ad essere stato descritto da Jacob e Monod nel 1961 (proposero il modello dell'operone nella regolazione della sintesi delle proteine grazie agli esperimenti fatti sul sistema di utilizzazione del lattosio nel batterio E. coli), consente ai batteri E. Coli di utilizzare il lattosio come fonte di carbonio. Il lattosio è uno zucchero disaccaride costituito da glucosio e galattosio. I geni strutturali, che sono tre, sono lacZ, lacY e lacA, codificano per tre proteine differenti, rispettivamente: (lacZ), permeasi (lacY) e transacetilasi (lacA).

β-galattosidasi

Le proteine codificate sono tre enzimi che consentono di metabolizzare il lattosio come fonte di energia e quindi di carbonio.

I tre geni sono

controllati da un promotore unico, dopo il quale è posto l'operatore. Il co-repressore dell'operone lacZ è l'allolattosio, è quindi quella molecola a basso peso molecolare che lega il repressore e che consente la trascrizione. In assenza del co-repressore, quindi dell'allolattosio, il repressore è attivo e si lega all'operatore, quindi la sintesi degli enzimi è repressa. Quando invece la cellula utilizza lattosio come fonte di energia significa che è presente il co-repressore, ovvero l'allolattosio. In questa situazione il repressore si stacca dall'operatore, l'RNA polimerasi si lega al promotore e sintetizza l'mRNA policistronico. Vengono quindi sintetizzati i tre enzimi necessari per utilizzare il lattosio. Se il lattosio non fosse presente non sarebbe necessario, e non avrebbe senso far attivare i tre enzimi. Sia il lattosio che l'allolattosio sono composti da glucosio e galattosio, ciò checambia è il legame che lega le due molecole, infatti nel lattosio il legame è 1-4 glicosidico, mentre nell'allolattosio il legame è 1-6 β glicosidico. - L'operone reprimibile -> nell'operone reprimibile, rispetto all'operone inducibile cambia l'azione del repressore, l'operone reprimibile viene infatti represso. Il repressore da solo è in forma inattiva, cioè non è in grado di legare la sequenza dell'operatore, il promotore è quindi accessibile all'RNA polimerasi, che trascrive l'RNA messaggero policistronico. L'RNA messaggero viene tradotto e vengono sintetizzate le proteine codificate da ciascuno dei geni strutturali. Generalmente questa tipologia di operoni consente la produzione di enzimi che lavorano in una via metabolica di tipo anabolica (a differenza dell'operone inducibile che lavora in un a via catabolica), ovvero di sintesi di una biomolecola, i prodotti dei geni.

strutturali saranno degli enzimi che catalizzano gli step necessari per sintetizzare una molecola. Il prodotto finale di questa via anabolica, catalizzata dagli enzimi prodotti dai geni strutturali, è il co-repressore, che lega il repressore andando ad attivarlo, in questo modo il repressore nella sua forma attiva è in grado di legare l'operatore. Quindi: il repressore da solo è in forma inattiva e si trova nel citoplasma. I geni dell'operone biosintetico sono trascritti e tradotti, gli enzimi della via metabolica sintetizzano il prodotto finale, ci si trova quindi in uno stato depresso. Il prodotto finale della via metabolica è il co-repressore: se la sua concentrazione all'interno della cellula raggiunge un livello sufficientemente elevato, esso si lega al repressore, andando ad attivarlo, si parla quindi di repressione. Un esempio di operone reprimibile è l'operone trp (il triptofano è un amminoacido, che oltre ad essere

acquisitodall'ambiente può essere sintetizzato dalla cellula). Se il triptofano è presente, il co-repressore lega il repressore che si attiva, legando così l'operatore e la trascrizione viene bloccata. Infatti, se il triptofano è già presente non ha senso produrre degli enzimi per sintetizzare ulteriore triptofano, la trascrizione può essere bloccata anche quando il triptofano raggiunge un certo livello. Domanda: come avviene il meccanismo di blocco o di attivazione dei geni che catalizzano la sintesi del triptofano? L'operone triptofano prevede la sintesi di 5 geni strutturali. Prima dell'inizio della sequenza del primo dei geni strutturali è posta una sequenza di DNA chiamata sequenza leader, costituita da 141 nucleotidi, separa la fine dell'operatore e l'inizio dei geni strutturali. Tale sequenza viene trascritta in mRNA e viene tradotta in un peptide leader molto corto, lungo circa 14 amminoacidi. Importante è ilfatto che il peptide leader contiene due amminoacidi triptofano. Nell'ambito della sequenza leader sono presenti quattro regioni, ovvero quattro blocchi di sequenza, chiamate regione 1, regione 2, regione 3 e regione 4. Tali regioni, se trascritte, formano delle strutture secondarie dovute ad una parziale complementarietà di sequenza, tra di loro formano delle forcine, ovvero dei ripiegamenti che costituiscono le strutture secondarie. La regione 1 può appaiarsi con la regione 2, la regione 2 può appaiarsi con la regione 3 e la regione 3 può appaiarsi con la regione 4. Il ribosoma inizia a tradurre i 14 amminoacidi, partendo da AUG, codone di inizio, quando la sequenza trascritta dalla RNA polimerasi forma la struttura secondaria dovuta all'appaiamento delle regioni 1 e 2 c'è un blocco momentaneo dell'RNA polimerasi. Dopo di che si possono presentare due situazioni: - triptofano in eccesso -> se il triptofano è in eccesso il ribosoma

giungesui due codoni del triptofano (UGG e UGU) e procede nella traduzione del peptide leader senza fermarsi, si forma così una struttura secondaria del trascritto, dovuta all'appaiamento delle regioni 3 e 4. La trascrizione e la traduzione sono andate avanti, infatti nei procarioti questi due passaggi avvengono contemporaneamente, non è infatti presente il nucleo. Di conseguenza, non si forma la regione di anti-terminazione 2:3 ma si forma la regione terminatore 3:4, dovuta all'appaiamento per complementarietà del trascritto delle regioni 3 e 4. Tale struttura secondaria fa si che l'RNA polimerasi II smetta di trascrivere, questo accade proprio perché il triptofano è in eccesso e non c'è quindi motivo di sintetizzarne una quantità ulteriore, non è quindi necessario continuare la trascrizione dei geni strutturali che codificano per gli enzimi necessari per sintetizzare il triptofano. - triptofano limitante -> se il triptofano

'espressione genica più complessa rispetto ai procarioti. Questa regolazione avviene a diversi livelli, tra cui la regolazione trascrizionale, post-trascrizionale e traduzionale. Nella regolazione trascrizionale, vengono coinvolti fattori di trascrizione che si legano al DNA e possono attivare o reprimere la trascrizione di un gene. Questi fattori di trascrizione possono essere influenzati da segnali cellulari o da molecole segnale presenti nell'ambiente. Nella regolazione post-trascrizionale, gli RNA messaggeri (mRNA) subiscono modificazioni come il taglio, la poliadenilazione e la splicing alternativa. Queste modificazioni possono influenzare la stabilità dell'mRNA e la sua capacità di essere tradotto in proteina. Nella regolazione traduzionale, l'mRNA viene tradotto in proteina dai ribosomi. Questo processo può essere influenzato da molecole regolatrici come i microRNA, che possono legarsi all'mRNA e impedire la sua traduzione. Inoltre, negli eucarioti, l'organizzazione del DNA all'interno del nucleo può influenzare l'accessibilità dei geni e quindi la loro espressione. Ad esempio, la cromatina può essere condensata o rilassata attraverso modificazioni chimiche delle proteine istoniche che la compongono. Complessivamente, la regolazione dell'espressione genica negli eucarioti è un processo molto intricato e coinvolge numerosi meccanismi che permettono alle cellule di adattarsi e rispondere ai cambiamenti dell'ambiente e alle necessità metaboliche.