Riassunti di Biologia Molecolare Modulo 3 - Il codice genetico e la Regolazione dell'Espressione Genica

Orepressore e interazione con il DNA

Orepressore di per esempio, stabilisce altri contatti per mezzo delle estremità N-terminali. Queste girano attorno al DNA ed interagiscono con il solco minore sull'altra faccia della doppia elica. Sebbene poi in molti casi, come visto precedentemente, il legame della proteina non modifichi la struttura del DNA, in alcuni casi, però, nel complesso proteina-DNA si possono osservare delle distorsioni: per esempio, CAP introduce un'importante curvatura nel DNA che si avvolge, parzialmente, attorno alla proteina. Ciò è mediato da altre regioni del fattore regolativo, esterne al dominio elica-giro-elica, che interagiscono con sequenze diverse da quelle riconosciute dal motivo strutturale tipico.

Quando il lattosio entra nella cellula, una piccola parte viene convertito in allolattosio dalla galattosidasi, uno dei geni strutturali dell'operone (deputato alla scissione del dimero del lattosio).

Università di Catania LUIGI FIORENTINO

Facoltà di Scienze Biologiche, L-13 nei monomeri costitutivi glucosio e galattosio), quindi questo composto risulta essere il vero induttore della risposta fisiologica all’utilizzo dellattosio, nonché (piuttosto che il lattosio stesso) deputato al controllo del repressore lacI (Fig. sopra). Giustamente vien da chiedersi come sia possibile che anche quando represso per via della presenza del repressore, tale gene possa essere espresso; la risposta sta nel fatto che vi è sempre una bassa e non preventivata espressione dei geni lac: infatti, anche quando questi sono repressi, ogni tanto viene sintetizzato un trascritto perché ogni tanto l’RNA polimerasi riesce a legarsi al promotore al posto del repressore Lac. Questo livello di trascrizione occasionale (non si può definire nemmeno basale in quanto non si tratta di un livello basso e costitutivo di espressione dei geni, cosa che si può ottenere solo in completa assenza di proteine E regolatrici) garantisce.DNA. Questo significa che il legame dell'allolattosio al repressore non interferisce con la sua capacità di legare il DNA, ma altera la sua struttura in modo che non possa più esercitare il suo effetto repressivo sui geni lac. Inoltre, quando l'allolattosio si lega al repressore, si forma un complesso che può essere riconosciuto e legato da un'altra proteina chiamata attivatore CAP (catabolite activator protein). L'attivatore CAP, a sua volta, si lega a una regione specifica del DNA chiamata sito CAP, che si trova vicino al promotore dei geni lac. La formazione di questo complesso attivatore-repressore-CAP permette l'attivazione dei geni lac e l'inizio della trascrizione del messaggero dell'enzima β-galattosidasi. In conclusione, la presenza di lattosio o allolattosio nella cellula influenza l'attività dei geni lac attraverso l'interazione del repressore Lac, dell'allolattosio e dell'attivatore CAP. Questo meccanismo di regolazione genica consente alla cellula di adattarsi alle variazioni nella disponibilità di lattosio nell'ambiente.

DNA. L'attività della proteina CAP è regolata in modo simile (Fig. sopra): la presenza di glucosio abbassa la concentrazione intracellulare di una piccola molecola, il cAMP, l'effettore allosterico per CAP ed in questi casi cAMP non può legarsi a CAP. Infatti solo quando CAP è complessata con il cAMP, la proteina adotta una conformazione che le consente di legare il DNA (si spiega così anche il nome alternativo della CAP, ovvero CRP); e così, solo quando i livelli di glucosio sono bassi (e quindi i livelli di cAMP saranno elevati), CAP lega il DNA e attiva i geni lac.

Un aspetto importante da sottolineare è, come risalta anche dall'immagine, la presenza dei diversi domini all'interno di ciascun monomero, ognuno dei quali con funzione specifica: il dominio DBD (DNA binding domain) è il dominio con il quale la proteina sottoforma di

di regolazione negativa (presenza di glucosio). La presenza di lattosio induce la sintesi di CAP, che a sua volta lega il cAMP e si lega al DNA per attivare la trascrizione dei geni dell'operone lac. D'altra parte, la presenza di glucosio inibisce la sintesi di cAMP, riducendo così l'attività di CAP e la trascrizione dei geni dell'operone lac. In conclusione, il dimero CAP è una proteina che svolge un ruolo chiave nella regolazione dell'operone lac, interagendo con il DNA e il cAMP per attivare la trascrizione dei geni in presenza di lattosio e inibire la trascrizione in presenza di glucosio.diÆregolazione negativa (presenza di glucosio repressione da catabolita); inoltre l’attività dell’attivatore e del repressore sono controllate allostericamente dai loro stessi segnali; il repressore lac attivo segnala quindi l’assenza di lattosio, ma ancor più di allolattosio, il vero induttore della de-repressione. Soltanto quando mancano infatti mancano l’allolattosio e il lattosio, il repressore LacI è attivo e l’operone è represso. CAP invece segnala l’assenza di glucosio in quanto solo quando il glucosio è assente, la proteina è attiva e legandosi al suo sito specifico sul DNA può stimolare la sintesi dell’operone lac. Quindi, per trascrivere i geni lac, due requisiti devono essere soddisfatti: (1) il livello di AMP ciclico deve essere sufficientemente alto affinché la proteina CRP si leghi al sito CAP (controllo positivo), e (2) l’allolattosio, l’induttore, deve essere

presente in concentrazione tale che il repressore dellattosio (proteina LacI) non blocchi la trascrizione legandosi all'operatore (controllo negativo). I geni lac forniscono un esempio di integrazione di segnali: la loro espressione è controllata da due segnali, ognuno dei quali viene comunicato ai geni tramite un regolatore separato, rispettivamente il repressore LacI e la proteina CAP.

Se si considera un altro set di geni E. coli, i geni gal, questi geni codificano enzimi coinvolti nel metabolismo del galattosio e come con i geni lac, tale gruppo di geni è espresso solo quando lo zucchero substrato, in questo caso il galattosio, è presente mentre la fonte di energia preferita, il glucosio, è assente. Ancora una volta, analogamente a quanto visto per l'operone lac, i due segnali vengono comunicati ai geni tramite due regolatori - un attivatore e un repressore. Il repressore GalR, codificato dall'omonimo gene galR, funziona diversamente da

quanto visto per il repressore lacI il quale invece esercita una modalità di repressione per ingombro sterico. Il repressore GalR infatti, in assenza di galattosio (l'induttore), tiene i geni spenti ed in queste condizioni, il repressore interagisce con la polimerasi in un modo tale da inibire la transizione da chiuso ad aperto complesso. Questo vuol dire che, in questo caso, la fase limitante la velocità non è il legame della polimerasi al promotore, ma la transizione da complesso chiuso ad aperto (l'isomerizzazione), ed è in questa fase che si esercita la regolazione mediata dal repressore. Con questo si vuole tornare a ricordare che esistono quindi anche altri modi in cui i repressori possono esercitare la loro azione: alcuni repressori, come lo stesso GalR, ad esempio esercitano i loro effetti legandosi a siti che non si sovrappongono al promotore e tali repressori non bloccano il legame con la polimerasi, ma legandosi nei pressi dei siti contattati.da essa, interagiscono con l'Università di Catania LUIGI FIORENTINO Facoltà di Scienze Biologiche, L-13polimerasi legata a quel promotore e inibiscono l'inizio della trascrizione. GalR tuttavia reagisce in maniera simile a LacI quando è presente l'induttore, il galattosio (nel senso che l'induttore anche in questo caso, come nel caso dei geni lac, quando presente in abbondante quantità, si lega al repressore inducendo un cambio conformazionale tale da non consentire al repressore stesso di legarsi al DNA) ed anche in questo caso l'attivatore dei geni gal è ancora una volta CAP. Pertanto, uno stesso regolatore positivo (CAP) lavora insieme a diversi repressori di diversi geni, questo è un esempio di controllo combinatorio. Nel infatti, CAP agisce su oltre 100 geni in E. coli, spesso lavorando con una serie di partner differenti. Finora si è tacitamente assunto che il glucosio sia la fonte di carbonio preferita neibatteri ma non si è chiarito tale concetto: spesso i batteri possono trovare disponibili molti zuccheri diversi all'interno dell'ambiente in cui vivono e pur tuttavia si nota come ad essere per primo utilizzato è il glucosio. Sarebbe inutile sintetizzare enzimi per l'uso di altri zuccheri quando il glucosio è disponibile, perché E. coli cresce più rapidamente sul glucosio che su altre fonti di carbonio. La repressione da catabolita è nei fatti un meccanismo di controllo globale che regola l'uso delle fonti di carbonio quando ne sono presenti più di una e che sta alla base del controllo dei geni lac: quando le cellule di E. coli vengono coltivate in un mezzo che contiene glucosio, la sintesi di enzimi necessari per il metabolismo di altre fonti di carbonio (come il lattosio o il maltosio) viene repressa, anche se effettivamente sono presenti nel terreno; perciò, la presenza di una fonte di carbonio favorita reprime.

L'induzione di percorsi che catabolizzano altre fonti di carbonio. La repressione da catabolita è talvolta chiamata "effetto glucosio" perché il glucosio è stata la prima sostanza che ha mostrato di causare questa risposta. Ma la repressione da catabolita non è sempre legata al glucosio; il punto chiave è che il substrato preferito è sempre la migliore fonte di carbonio e di energia rispetto ad altre fonti di carbonio disponibili; quindi, la repressione catabolita assicura che l'organismo utilizzi la migliore fonte di carbonio ed energia tra quelle eventualmente presenti nel terreno per prima.

In E. coli e altri organismi per i quali il glucosio è la migliore fonte di energia, la repressione catabolita impedisce l'espressione della maggior parte degli altri operoni catabolici purché sia presente glucosio. Dozzine di operoni catabolici sono interessati, compresi quelli per lattosio, maltosio, una miriade di...

altri zuccheri e la maggior parte delle altre fonti di carbonio ed energia comunemente usate da E. coli. Inoltre, i geni per la sintesi di f