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 dai 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 a una proteina chiamata co-repressore, il quale può legare il repressore e influenzarne la capacità di legare l’operatore. Generalmente il co-repressore è un composto a basso peso molecolare, è quindi una piccola molecola.

Tipologie di operone

• 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 sì che il repressore non riconosca l’operatore, di conseguenza resta staccato da esso.

Ci si trova in una situazione di stato indotto, motivo per cui si parla di operone inducibile, infatti il co-repressore induce la trascrizione perché fa sì che il repressore non riconosca l’operatore. Quindi l’RNA polimerasi lega il promotore e trascrive l’RNA messaggero policistronico, vengono così trascritti i geni strutturali in maniera coordinata. L’RNA messaggero viene poi tradotto in proteina e quindi i geni strutturali consentono la traduzione delle proteine ad essi associate.

Quindi: in assenza dell’induttore, quindi del co-repressore, il repressore è in forma attiva, ed essendo legato all’operatore impedisce la trascrizione. Quando l’induttore raggiunge, all’interno della cellula, un livello sufficientemente elevato, esso si lega al repressore 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: β-galattosidasi (lacZ), permeasi (lacY) e transacetilasi (lacA).

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 lega l’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, infatti 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 che cambia 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.

• 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 una 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 acquisito dall’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 il fatto 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 a 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 giunge sui 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 sì 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 è limitante significa che non è presente, per questo non può essere trasportato, si forma quindi nel trascritto la struttura secondaria dovuta all’appaiamento delle regioni 2 e 3. Il ribosoma è bloccato sui due codoni del triptofano presenti nella regione 1, questa struttura secondaria è detta sequenza anti-terminatore 2:3 e consente alla trascrizione di procedere. Quindi la sintesi del triptofano avviene, infatti il triptofano è limitante, non è presente e deve per questo essere sintetizzato.

Regolazione dell'espressione genica negli eucarioti

Negli eucarioti è presente una regolazione dell’espressione spazio-temporale, questo perché la trascrizione e la traduzione avvengono in momenti e luoghi differenti, infatti la trascrizione avviene nel nucleo mentre la traduzione...