Regolazione procarioti. Introduzione e operoni catabolici 1

REGOLAZIONE GENICA NEI PROCARIOTI

I 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.

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 che i .

GENI STRUTTURALI 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 si 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.

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 che se si lega ad un

CO-REPRESSORE

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. E' 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 se si lega ad un attivatore inattivo lo attiva, se si lega ad un repressore attivo

INDUTTORE

lo inattiva. Gli induttori sono molecole che determinano la produzione degli enzimi capaci di metabolizzarle.

►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

. Di solito le proteine che si legano così interagiscono tra di loro con una forza di

“APPICCICOSE/ADESIVE”

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 perché inducono

“ISTRUTTIVE”

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