LA REGOLAZIONE GENICA NEI PROCARIOTI

1. Dott. Fabio Picciolo VIII ciclo silsis A060 Anno 2007/8 LA REGOLAZIONE GENICA NEI PROCARIOTI Lezioni della prof.ssa Marina Marini Tipologia di istituto: classe III liceo scientifico Modulo didattico: genetica molecolare dei procarioti Durata: 2 ore

2. Prerequisiti Dai moduli precedenti: • Struttura chimica degli acidi nucleici • Struttura delle proteine • Concetto di enzima • Concetto di gene Dallo stesso modulo: • Il codice genetico • Sintesi proteica (trascrizione e traduzione)

3. CONCETTI FONDAMENTALI • Operone • Geni inducubili • Geni reprimibili • Regolazione negativa • Regolazione positiva • Significato adattativo della regolazione genica

4. I ORA

6. Regolazione Genica nei Procarioti Finalità: Rispondere rapidamente ai cambiamenti ambientali Logica: Risparmiare energia; niente mRNA o proteine che non servano subito Base fisiologica: la maggior parte dei geni è espressa costitutivamente pochi geni sono regolati, ognuno con il suo meccanismo individuale, di induzione o di repressione

7. I geni strutturali dei batteri sono organizzati in “cluster” : gruppi di geni codificanti per proteine con funzioni correlate, (es. enzimi di una stessa via metabolica, proteine deputate al trasporto intracellulare ecc), che si trovano sotto il dominio di un unico promotore.

8. OPERONE Unità di trascrizione descritta nel 1961 da François Jacob e Jacques Monod, che per questo furono insigniti del premio Nobel. L’unità completa include: • Geni strutturali: codificano per le proteine di interesse • Operatore: Sito sul DNA riconosciuto dalla proteina repressore • Promotore: Sito sul DNA cui si lega l’RNA polimerasi per iniziare la trascrizione dei geni situati a valle

9. Schema generale dell’operone

10. RNA polimerasi Promotore Repressore Gene 1 Gene 2 Gene 3 Operatore La capacità dell’RNA polimerasi di iniziare la trascrizione dipende dall’assenza di impedimenti a livello del promotore; possono essere presenti dei repressori che impediscono l’inizio della trascrizione. Si parla di regolazione negativa Sono proteine Sono sequenze di DNA

11. Promotore Repressore Gene 1 Gene 2 Gene 3 Operatore Proteina 1 Proteina 2 Proteina 3 Il repressore inattivo non si lega all’operatore. La RNA polimerasi può eseguire la trascrizione. N.B.: il sito operatore non viene trascritto e non codifica per nessuna proteina

12. Promotore Gene 1 Gene 2 Gene 3 Operatore Il repressore attivo si lega all’operatore. La RNA polimerasi NON può eseguire la trascrizione.

13. Da dove viene il repressore ? • La trascrizione dei geni strutturali è spesso controllata dall’attività di un altro gene, detto REGOLATORE • Il gene regolatore codifica per la proteina repressore, che si lega in maniera specifica all’operatore di un operone • Il gene regolatore può trovarsi in qualsiasi punto del DNA batterico, non necessariamente adiacente all’operone

14. RNA polimerasi Promotore Regolatore Repressore Geni Operatore

15. Facciamo un esempio: Escherichia Coli Per trasformare l’ALLOLATTOSIO in glucosio da utilizzare come fonte di energia sono necessari tre enzimi, codificati da tre geni appartenenti allo stesso operone (lac) Per sintetizzare il TRIPTOFANO servono cinque enzimi, codificati da cinque geni appartenenti allo stesso operone (trp)

16. Operone lattosio (lac) Operone triptofano (trp) Geni inducibili Geni reprimibili

17. DOMANDA CHIAVE Cosa permette al repressore di attaccarsi o meno al sito operatore ?

18. Effettore E’ una molecola che si lega in maniera specifica al repressore. Questo legame può rendere attivo o inattivo il repressore.

19. Si lega all’operatore Trascrizione impedita Trascrizione impedita Si lega all’operatore

20. Operone lac: Si tratta di una VIA CATABOLICA, normalmente inattiva (non espressa), che viene attivata (INDOTTA) dalla presenza della molecola da degradare (il lattosio) Induttore Repressore inattivo

21. OPERONE TRP: Si tratta di una VIA ANABOLICA, normalmente attiva (espressa), che viene inattivata o REPRESSA dalla presenza della molecola (il triptofano) che si forma per effetto delle attività enzimatiche. Repressore inattivo Corepressore + repressore

22. In base all’effetto che il complesso EFFETTORE-REPRESSORE produce sulla trascrizione si possono distinguere: • geni inducibili • geni reprimibili Ora sapreste darne una definizione?

23. COMPITO

25. II ORA

26. RIEPILOGO I ORA

29. CORREZIONE COMPITO

31. Regolazione della trascrizione di secondo livello In genere per una buona attivazione del gene non è sufficiente che l’RNA polimerasi non abbia impedimenti a iniziare la trascrizione, perché spesso il promotore è poco efficiente. È necessario anche che una o più proteine favoriscano la trascrizione. Si parla quindi di regolazione positiva.

32. Nella regolazione positiva, una o più proteine, legandosi nel sito attivatore favoriscono la trascrizione dei geni strutturali favorendo l’attacco della RNA polimerasi Nella regolazione negativa, un repressore, legandosi al sito operatore in prossimità del promotore, impedisce la trascrizione dei geni strutturali

33. RNA polimerasi Proteina attivatore Geni Promotore Operatore Attivatore Alcuni sistemi coinvolgono regolatori positivi. L’operone lattosio presenta sia elementi di controllo negativi che positivi. La proteina di attivazione si lega alla sequenza di basi adiacente al sito promotore, consentendo alla RNA polimerasi di legarsi efficientemente e quindi attivare la trascrizione dell’operone.

34. Analogamente a quanto ci siamo chiesti per i repressori nella regolazione negativa, ora dobbiamo chiederci… Nella regolazione positiva cosa permette alla proteina attivatore di attaccarsi o meno al sito attivatore ?

35. + Proteina CAP inattiva 2 cAMP Proteina CAP attiva Il controllo positivo dell’operone lattosio necessita che la cellula avverta l’assenza del glucosio. In assenza di glucosio non può avvenire la glicolisi e si accumula cAMP. Questo accumulo rappresenta il segnale biochimico che deve favorire (attivare) la trascrizione dell’operone lac. La proteina CAP attiva si lega al sito attivatore e favorisce l’aggancio della RNA polimerasi al sito promotore. La trascrizione dell’operone lac viene incentivata. Ovviamente è necessario che, pur in carenza di glucosio, ci sia del lattosio disponibile. Sapreste dire perché ?

36. La regolazione del lac-operon avviene a due livelli la carenza di glucosio induce la sintesi di cAMP e l’attivazione di CAP In assenza di lattosio da metabolizzare Il repressore dell’operone lac impedisce la trascrizione 1° livello: Il repressore Lac opera una regolazione negativa; l’operone è inducibile. 2° livello: Il complesso cAMP-CAP opera una regolazione positiva, inducendo livelli di trascrizione più alti.

38. Ora dovrebbero essere più chiari questi concetti legati alla regolazione genica nei procarioti Finalità: Rispondere rapidamente ai cambiamenti ambientali Logica: Risparmiare energia; niente mRNA o proteine che non servano subito Base fisiologica: la maggior parte dei geni è espressa costitutivamente pochi geni sono regolati, ognuno con il suo meccanismo individuale, di induzione o di repressione

42. La regolazione positiva favorisce la trascrizione. La regione del promotore cui si lega cAMP-CAP è diversa da quella cui si lega la polimerasi

43. Le regioni del lac operon che legano le proteine di regolazione

44. La proteina CAP “sforza” l’elica, ripiegandola. In tal modo favorisce l’inizio della trascrizione a partire dal vicino promotore

45. A volte i regolatori si legano a sequenze poste ad una certa distanza dal promotore; in tal caso, esse interagiscono con la polimerasi grazie alla formazione di un ansa del DNA. Qui è schematizzata una regolazione positiva.

46. La regolazione “di secondo livello” può utilizzare lo stesso attivatore per regolare più operoni. Ad esempio, gli operoni che controllano l’utilizzo di zuccheri diversi dal glucosio sono controllati dai singoli zuccheri per quanto riguarda la regolazione negativa (gli zuccheri inducono la trascrizione rimuovendo il repressore), ma sono regolati tutti dal complesso cAMP-CAP per quanto riguarda la regolazione positiva. CAP si lega al sito attivatore solo se complessata a cAMP, che, a sua volta, viene sintetizzato in caso di carenza di glucosio.

47. Il repressore Trp è un omodimero con simmetria speculare; le due subunità riconoscono tratti quasi identici posti su eliche complementari (palindrome)

48. Il sito di legame di un regolatore omodimerico, come il repressore Trp, è una sequenza palindromica; le due subunità del regolatore dovranno quindi disporsi con una simmetria speculare

49. Il repressore lac è anch’esso un dimero; si lega a due siti distanti tra loro, distorcendo l’elica in modo tale da impedire il legame con l’RNA polimerasi

50. L’ansa formata dal repressore lac