Scambio del materiale genetico tra batteri

REGOLAZIONE DELL'ESPRESSIONE GENICA NEI BATTERI

In questa immagine sono ritratti 3 scienziati Jacob, Monod e Lwoff che, con i loro esperimenti sui batteri e sui virus, ci hanno fornito gran parte delle attuali conoscenze su questo argomento. In questa immagine vengono riassunte le principali nozioni importanti per capire meglio quanto verrà detto. È schematizzato un gene tipico dei procarioti:

• Al 5' è presente la regione di regolazione della trascrizione che è rappresentata dal promotore (al quale si lega l'RNA polimerasi) e da altre sequenze regolative che sono legate da specifiche proteine coinvolte nel controllo della trascrizione.
• Regione codificante priva di introni.
• Al 3' i segnali di terminazione della trascrizione quali RHO dipendente e RHO indipendente.

A seguito della trascrizione viene generata una molecola di RNA in cui riconosciamo il codone di inizio della traduzione (AUG) preceduto, al 5', da una sequenza detta 5' UTR.

in cui si trovano, sono organizzati in operoni. Gli operoni sono unità funzionali di DNA che contengono più geni correlati e vengono trascritti insieme come un'unica unità. Questo permette ai batteri di regolare l'espressione genica in modo coordinato, adattandosi alle condizioni ambientali. Durante la traduzione, i ribosomi leggono il codice genetico dell'mRNA e sintetizzano la proteina corrispondente. Il codice genetico è composto da triplette di basi chiamate codoni, che corrispondono a specifici amminoacidi. Il processo di traduzione avviene in tre fasi: iniziazione, elongazione e terminazione. Nella fase di iniziazione, il ribosoma si lega all'mRNA all'inizio del codone di inizio (generalmente AUG) e l'anticodone di un tRNA metionina si appaia con il codone di inizio. Questo segna l'inizio della sintesi proteica. Nella fase di elongazione, il ribosoma si sposta lungo l'mRNA, leggendo i codoni e appaiandoli con i tRNA corrispondenti. Ogni tRNA porta con sé un amminoacido che viene aggiunto alla catena proteica in crescita. Questo processo continua fino a quando il ribosoma raggiunge un codone di terminazione (UAA, UAG o UGA). Nella fase di terminazione, il ribosoma riconosce il codone di terminazione e rilascia la proteina completata. L'mRNA e i componenti del ribosoma si separano e possono essere riutilizzati per sintetizzare altre proteine. In conclusione, nei batteri la trascrizione e la traduzione avvengono simultaneamente nel citoplasma. Questa caratteristica permette ai batteri di sintetizzare rapidamente le proteine necessarie per adattarsi alle condizioni ambientali.metabolico e quindi hanno delle funzioni strettamente correlate sono spesso localizzati uno accanto all'altro, uniti in gruppi detti operoni. In figura è schematizzato l'operone triptofano di 201E.Coli che è formato da 5 diversi geni, uno vicino all'altro, indicati con le lettere E,D,C,B,A che codificano per altrettanti enzimi, tutti coinvolti nella biosintesi dell'amminoacido triptofano. La caratteristica dei geni che appartengono ad uno stesso operone è quella di essere sotto il controllo di un singolo promotore e delle stesse sequenze regolative. Quindi, tutti i geni che appartengono al claster vengono trascritti contemporaneamente in un'unica molecola di mRNA che è un mRNA policistronico o poligenico cioè contiene l'informazione per più geni. Ogni gene di questo mRNA poligenico viene tradotto poi in maniera indipendente dagli altri in quanto possiede un proprio sito di legame per il ribosoma e dei propri codoni di

inizio e terminazione dellatraduzione. Al termine della traduzione si ottengono quindi,da un singolo trascritto primario,diverseproteine. Nell’esempio sono proprio i 5 enzimi coinvolti nel processo di sintesi dell’amminoacidotriptofano.

I batteri sono in grado di sintetizzare da soli tutte le molecole che sono necessarie al propriometabolismo quali amminoacidi,nucleotidi,vitamine… Questo perché possiedono,nel lorogenoma,tutte le informazioni che sono necessarie alla sintesi di questi composti. Tuttavia,ilprocesso di biosintesi di questi composti comporta,per il batterio,un dispendio di energia quindi sequeste sostanze sono disponibili nell’ambiente,il batterio non ha la necessità di sintetizzarle e quindipreferisce prelevarle direttamente dal mezzo esterno e utilizzarle per i propri bisogni.

A questoscopo,i batteri hanno sviluppato la capacità di rilevare l’assenza o presenza,nell’ambiente,delcomposto di cui hanno bisogno e poi

di trasferire questa informazione a livello del proprio genoma. In che modo? Mediante un meccanismo di regolazione dell'espressione genica, cioè andando ad attivare la trascrizione di quei geni che codificano per gli enzimi di cui c'è effettiva necessità e reprimere invece la trascrizione di altri geni che codificano per enzimi che non sono necessari in un determinato momento. Ad esempio, se nell'ambiente in cui il batterio vive è presente un determinato amminoacido, il batterio bloccherà l'espressione dell'operone coinvolto nella biosintesi di questo amminoacido ma la potrà immediatamente riattivare nel caso in cui questo stesso amminoacido venga a mancare nel mezzo esterno. Un altro esempio è il metabolismo degli zuccheri. Sappiamo che i batteri possono usare tipi diversi di zucchero per produrre energia, se nell'ambiente è presente solo lattosio come fonte di zucchero, il batterio trascriverà solo

I geni codificanti per gli enzimi necessari al metabolismo del lattosio e reprimerà l'espressione di altri geni che sono coinvolti nel metabolismo di altri zuccheri assenti, in quel momento, nell'ambiente. Ci sono quindi dei geni nel cromosoma batterico che possono essere attivati o disattivati a seconda delle esigenze della cellula. La regolazione di questi geni è sotto il controllo di fattori proteici che sono sintetizzati da altri geni detti geni regolatori. Quindi, un gene regolatore è un gene che codifica per proteine che sono capaci di regolare la trascrizione di altri geni sia in senso positivo che negativo. I geni regolatori si differenziano da quelli detti strutturali che sono quelli che codificano per proteine o enzimi che sono usati nella biosintesi, nel metabolismo o che hanno un ruolo strutturale nella cellula. Alcuni di questi geni, detti costitutivi o housekeeping, codificano per proteine che sono coinvolte in funzioni cellulari essenziali quali gli

enzimi necessari alla sintesi proteica o alla divisione cellulare. Questi geni sono espressi in maniera costitutiva cioè sono sempre trascritti dalla cellula. Altri geni strutturali, invece, sono i geni regolati cioè quelli che possono essere trascritti o non trascritti in risposta alle necessità della cellula.

PRINCIPIO GENERALE DELLA REGOLAZIONE GENICA NEI BATTERI

Abbiamo parlato dell'esistenza dei geni regolatori che sintetizzano proteine dette proteine regolatrici che vanno a riconoscere e legare particolari sequenze presenti in altri geni detti geni bersaglio. Questi sono i geni la cui trascrizione dipende dalle necessità della cellula in determinate condizioni ambientali. Se la proteina regolatrice attiva la trascrizione del gene bersaglio, si dice che la regolazione è di tipo positivo. Se invece blocca la trascrizione, si dice regolazione negativa. Quindi, le proteine regolatrici agiscono come degli interruttori genetici modulando

l'espressione genica in risposta alla variazione delle condizioni ambientali. Nella regolazione positiva la proteina regolatrice viene detta attivatore perché va ad attivare la trascrizione del gene bersaglio. L'attivazione si realizza mediante il legame della proteina regolatrice in corrispondenza di una specifica sequenza di DNA che localizza in prossimità del promotore, cioè del sito in cui si lega l'RNA polimerasi. L'attivatore, quando è legato a questa sequenza, facilita la trascrizione in quanto, fisicamente, aiuta l'RNA polimerasi ad attaccarsi al promotore ed iniziare la trascrizione del gene. In sua assenza, l'RNA polimerasi non riesce a legare il promotore (o se lo fa si distacca velocemente) e quindi non avviene la trascrizione del gene. Nella regolazione negativa la proteina regolatrice è detta repressore perché va a bloccare la trascrizione del gene bersaglio. Anche in questo caso, la proteina regolatrice

(repressore) va a legarsi in corrispondenza di una sequenza di DNA detta operatore che si trova, anch'essa, in prossimità del promotore. Quando il repressore è posizionato sull'operatore impedisce all'RNA polimerasi di legarsi al promotore e quindi di trascrivere il gene. In sua assenza, invece, l'RNA polimerasi può attaccarsi al promotore e quindi dare inizio alla trascrizione.

ALCUNI ESEMPI DI GENI REGOLATI E DELLE DIVERSE MODALITÀ DI REGOLAZIONE DELL'ESPRESSIONE GENICA NEI BATTERI

Operone Lac (lattosio) di E.Coli: è uno degli operoni coinvolti nel metabolismo degli zuccheri. Rappresentano la fonte di carbonio principale con la quale il batterio ricava la propria energia. I ceppi prototrofi di E.Coli possono crescere su terreni minimi contenenti acqua, sali inorganici e una fonte di carbonio (di solito è il glucosio). Questo zucchero viene degradato, per la produzione di ATP, attraverso la via glicolitica. I geni che sono

I geni coinvolti nel metabolismo del glucosio sono di tipo costitutivo, cioè sono sempre trascritti indipendentemente dalla presenza di glucosio nell'ambiente esterno. Tuttavia, i batteri possiedono anche geni coinvolti nel metabolismo di altri zuccheri quali il lattosio, l'arabinosio, il saccarosio, il galattosio, ecc... ma questi geni sono di tipo regolato, cioè vengono attivati solo quando la cellula ne ha bisogno. Ad esempio, se nel terreno di coltura il glucosio viene sostituito con il lattosio, allora subito la cellula inizierà a trascrivere i geni che codificano per gli enzimi coinvolti nel metabolismo di questo zucchero che, in sua assenza, non sono invece trascritti. Gli enzimi di cui E.Coli ha bisogno per il metabolismo del lattosio sono la lattosio permeasi e la β-galattosidasi. La lattosio permeasi è un enzima che si trova sulla membrana citoplasmatica del batterio ed ha il ruolo di trasportare il lattosio, presente nell'ambiente esterno, all'interno della cellula.

La β-galattosidasi, invece, scinde il lattosio nei due zuccheri di cui è composto: glucosio e galattosio. Il glucosio viene direttamente usato per la glicolisi mentre il galattosio viene prima convertito in glucosio e poi metabolizzato per via glicolitica. La β-galattosidasi converte anche il lattosio nel suo isomero allolattosio, cioè una molecola importante nella regolazione dell'operone lac. I geni che codificano per gli enzimi necessari al metabolismo del lattosio fanno parte dell'operone lac, schematizzato in figura. Un operone è costituito da un gruppo di geni che si trovano sotto il controllo di uno stesso promotore e che sono, quindi, trascritti contemporaneamente in un'unica molecola di mRNA policistronico. In figura il promotore è indicato con la lettera P mentre con la lettera O è indicata la regione dell'operatore, cioè la sequenza di DNA a cui si lega il repressore. Di questo operone fanno parte 3 geni.

strutturali che sono il gene lac Z che codifica per la β-galattosidasi, il gene lac Y che codifica per la permeasi e il gene lac A che codifica per una transacetilasi la cui funzione, nel metabolismo del lattosio,