Cap. 16 Regolazione dell’espressione genica nei batteri e

batteriofagi. Pp. 465-489

Sintesi 161. Molti geni dell’organismo devono rispondere

(attivandosi o disattivandosi) a variazioni ambientali2. Il processo di attivazione/disattivazione genica in

risposta a stimoli ambientali si chiama regolazione3. Concetto di operon nei procarioti4. Meccanismi di regolazione negativa e positiva

fago λ

Alcuni meccanismi sono molto semplici: fago λ

Alcuni meccanismi sono molto semplici: fago λ

replicazione, ricombinazione

testa, coda

Altri meccanismi sono più complessi

Utilizzo del lattosio in E. coli

Variabilità fenotipica in E. coli: enzimi sintetizzati

Lattosio, glucosio: Glu, non LacLattosio, non glucosio: Lac

sintesi regolabile degli enzimi per Lac: Lac+

Lattosio, glucosio: Glu, non LacLattosio, non glucosio: non Lac

deficit della sintesi degli enzimi per Lac: Lac-

Lattosio, glucosio: Glu, LacLattosio, non glucosio: Lac

sintesi costitutiva degli enzimi per Lac: Lacc

Modello dell’operon: (Monod e Jacob)

Organizzazione dell’operon per il lattosio

Funzionamento dell’operon per il lattosio in assenza di lattosio

Funzionamento dell’operon per il lattosio in presenza di lattosio

Controllo negativo della trascrizione

1. Un repressore controlla negativamente la trascrizione (cioè la disabilita)

2. I geni strutturali Z, Y ed A possono trascrivere solo se viene rimossa l’inibizione rappresentata dal repressore

Traduzione all’operon del lattosio: 1

Traduzione all’operon del lattosio: 2

Sintesi regolabile Sintesi costitutivaa+ a-

Diploidia parziale nello studio dell’operon

Se dipendesse dalla mancanza di una proteina l’eterozigote ce l’avrebbe, e avrebbe fenotipo a+.a- è la mutazione di un sito regolatore del DNA.Questa mutazione mappa a valle del promotore: oc

Due possibilità:

Sintesi costitutiva:

Sintesi regolabile:

L’effetto della regolazione si estende al cromosoma mutato. Ad a- manca una proteina che regola la trascrizione.Questa mutazione mappa a monte del promotore: I-

Mutanti Oc:

Mutanti I-:

Mutanti I-

Il controllo negativo spiega perché i geni per il lattosio non sono espressi in assenza di lattosio

Ma perché non sono espressi quando sono presenti sia lattosio che glucosio?

Controllo positivo: Repressione da catabolita

Lattosio, glucosio: Glu, non Lac

Lattosio, non glucosio: Lac

sintesi regolabile degli enzimi per Lac: Lac+

Un passo indietro

Repressione da catabolitaIn presenza di glucosio, sono bassi i livelli cellulari di cAMP

Riassumendo

1. Glucosio, non lattosio repressore attivo, cAMP basso, poco cAMP-CAP al sito CAP

Nessuna trascrizione all’operon lac

2. Glucosio, lattosio repressore inattivo, cAMP basso, poco cAMP-CAP al sito CAP,

Bassi livelli di trascrizione all’operon lac

3. Non glucosio, lattosio repressore inattivo, cAMP alto, molto cAMP-CAP al sito CAP,

Alti livelli di trascrizione all’operon lac

Regioni regolatrici dell’operon lac

Controllo negativo

Controllo positivo

Biosintesi degli amminoacidi in E. coli

Quando un amminoacido non è presente sul terreno, E. coli attiva i geni per la sua biosintesi; quando è presente sul terreno, E. coli disattiva i geni per la sua biosintesi

L’operon per il triptofano in E. coli

•TrpR è prodotta da un gene distante dall’operon•Da sola non è in grado di legarsi al sito o (aporepressore)•Quando è legata a molecole di trp, si lega al sito o e inibisce la trascrizione (ne riduce i livelli di 70 volte)

Regione leader: trascritta, non tradotta

Attenuazione all’operon per il triptofano in E. coli

Un secondo meccanismo, legato alla regione leader, agisce quando trp è poco e può ridurre di 8-10 volte i livelli di trascrizione

trp-tRNA scarichi:blocco della traduzione

Attenuazione all’operon per il triptofano

L’assenza di membrana nucleare permette che la traduzione cominci a trascrizione in corso.

Questo permette, a sua volta, di regolare la trascrizione in funzione della posizione del ribosoma sul DNA

Attenuazione: nella regione leader degli operoni per la biosintesi di diversi amminoacidi sono presenti in più copie i codoni per lo stesso amminoacido.

Riassumendo

1. Niente trp Bassa affinità dell’aporepressore per o, trp-tRNA scarichi

Alti livelli di trascrizione all’operon trp

2. Poco trp Bassa affinità dell’aporepressore per o, trp-tRNA carichi

Bassi livelli di trascrizione all’operon trp

3. Tanto trp Alta affinità del repressore per o (trp-tRNA carichi, ma non conta)

Nessuna trascrizione all’operon trp

Riassunto•Geni funzionalmente collegati sono spesso localizzati in regioni contigue del cromosoma

•Nei casi più semplici (fago λ) questa contiguità è sufficiente a determinare una regolazione genica

•In altri casi (lac, trp, ars in E. coli) delle proteine (repressori) inibiscono o attenuano la trascrizione: controllo negativo

•Il controllo negativo della trascrizione può avvenire anche grazie a meccanismi legati alla traduzione

•In molti casi (lac, in E. coli)esistono anche controlli positivi che stimolano la trascrizione

Operon per la resistenza all’arsenico in E. coli

3 geni strutturali:

Ars-A: ATPasi Pompa dell’arsenicoArs-B: Unità transmembrana

Ars-C: catalizza la riduzione di anioni in substrati utilizzabili dalla pompa

2 geni regolatori:

Ars-D in competizione con l’arsenico e il tellurioArs-R

Mutazioni polari

Mutazione in Z: galattosidasi alterata, né permeasi né transacetilasiMutazione in Y: permeasi alterata, manca la transacetilasiMutazione in A: transacetilasi alterata

Sintesi regolabile Sintesi costitutivaa+ a-

Diploidia parziale nello studio dell’operon

1. Una mutazione costitutiva che mappa a monte di p: I-

Sintesi regolabile

Dipende dalla mancanza di una proteina, che è presente nell’eterozigote

I - è la mutazione di un gene regolatore

2. Una mutazione costitutiva che mappa a valle di p: oC

Sintesi costitutiva

Se dipendesse dalla mancanza di una proteina l’eterozigote ce l’avrebbe, e avrebbe fenotipo a+

oC è la mutazione di un sito regolatore del DNA