Genetica 16

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Cap. 16 Regolazione dell’espressione genica nei batteri e batteriofagi. Pp. 465-489

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Cap. 16 Regolazione dell’espressione genica nei batteri e

batteriofagi. Pp. 465-489

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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

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fago λ

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Alcuni meccanismi sono molto semplici: fago λ

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Alcuni meccanismi sono molto semplici: fago λ

replicazione, ricombinazione

testa, coda

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Altri meccanismi sono più complessi

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Utilizzo del lattosio in E. coli

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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

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Modello dell’operon: (Monod e Jacob)

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Organizzazione dell’operon per il lattosio

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Funzionamento dell’operon per il lattosio in assenza di lattosio

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Funzionamento dell’operon per il lattosio in presenza di lattosio

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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

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Traduzione all’operon del lattosio: 1

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Traduzione all’operon del lattosio: 2

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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-

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Mutanti Oc:

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Mutanti I-:

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Mutanti I-

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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

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

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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

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Regioni regolatrici dell’operon lac

Controllo negativo

Controllo positivo

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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

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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)

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Regione leader: trascritta, non tradotta

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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

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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

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

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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

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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

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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

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Mutazioni polari

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

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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