Trascrizione  e  sue  regolazioni  -­‐  II  

Regolazione  della  trascrizione  nei  procario5  

Rif Capitolo 10 Allison Rif Capitolo 10 Amaldi

 

Corso  di  Laurea  Magistrale  in  CTF  aa  2013-­‐2014  

Lezioni  di  Biologia  Molecolare  -­‐  corso  A-­‐L      

La  regolazione  dell’espressione  genica  

La  regolazione  dell’espressione  genica  è  di  grandissima  importanza  anche  nei  procario3.  Non  tuC  gli  enzimi  della  cellula  devono  essere  sinte3zza3  contemporaneamente  e  non  tuC  devono  essere  sinte3zza3  nella  stessa  quan3tà.  La  regolazione  è  fortemente  influenzata  dall’ambiente  proprio  per  perme;ere  al  ba;erio  di  rispondere  in  maniera  efficace  alle  variazioni  nel  mezzo  in  cui  il  ba;erio  si  trova.  L’induzione  e  la  Repressione  rappresentano  due  efficaci  meccanismi  di  regolazione  dell’espressione  genica  opera3  dal  baIerio.  Essi  permeIono  al  baIerio  di  sinte3zzare  gli  enzimi  necessari  soltanto  quando  servono.  

L’organizzazione  dei  geni  nei  procario3  

•  Nei  procario3  i  geni  sono  organizza3  in  operoni  

L’organizzazione  dei  geni  nei  procario3  

•  La  regolazione  degli  operoni  

La  repressione  

Gli  enzimi  che  catalizzano  la  sintesi  di  un  prodoIo  non  vengono  sinte3zza3  se  questo  prodoIo  è  già  presente  nel  mezzo.  La  repressione  dei  sistemi  enzima3ci  deputa3  alla  sintesi  di  un  dato  composto  è  effeIuata  dal  composto  stesso  che,  se  presente  nel  mezzo,  assume  il  ruolo  di  repressore.  La  repressione  è  un  fenomeno  estremamente  diffuso,  ed  è  altamente  specifico.  Il  vantaggio  della  repressione  è  ovvio:  l’organismo  non  spreca  la  propria  energia  per  la  sintesi  degli  enzimi  non  necessari.    

L’induzione  

L’induzione  enzima3ca,  o  semplicemente  induzione,  rappresenta  il  fenomeno  aIraverso  il  quale  la  sintesi  di  un  enzima  è  aCvata  soltanto  quando  il  suo  substrato  è  disponibile.  Un  esempio  è  dato  dagli  enzimi  per  la  degradazione  di  sostanze  energe3che.  Ques3  vengono  prodoC  esclusivamente  se  le  sostanze  da  degradare  sono  presen3  nel  mezzo,  e  possono  quindi  essere  u3lizzate.    • La  sostanza  che  inizia  l’induzione  enzima3ca  è  chiamata  indu.ore  • La  sostanza  che  reprime  la  produzione  di  enzimi  è  chiamata  corepressore  (perché  richiede  l’intervento  di  una  proteina  addizionale  chiamata  repressore)  • Queste  sostanze,  che  di  solito  sono  piccole  molecole,  vengono  colleCvamente  definite  effe.ori  

Induzione  e  Repressione  

Come  fanno  gli  effeIori  ad  influenzare  i  geni  bersaglio  in  maniera  così  specifica?  • Legando  combinandosi  con  proteine  di  regolazione  specifiche  Quando  un  corepressore  lega  una  proteina  di  regolazione  (repressore)  la  rende  capace  di  legarsi  in  una  specifica  regione  di  DNA  a  valle  del  promotore  deIa  operatore.  Il  legame  di  questo  complesso  impedisce  alla  polimerasi  di  proseguire  e  di  sinte3zzare  l’mRNA  dei  geni  a  valle.  I  geni  bersaglio  sono  tuC  posiziona3  a  valle  della  regione  operatore,  vengono  quindi  controlla3  simultaneamente.  Questo  3po  di  organizzazione  viene  chiamata  operone.  

Repressione  

Promotore   Operatore   Gene  1   Gene  2  

RNA  polimerasi  Trascrizione  

repressore  

Promotore   Operatore   Gene  1   Gene  2  

RNA  polimerasi   repressore  

corepressore  

Trascrizione  Bloccata  

Induzione  

Promotore   Operatore   Gene  1   Gene  2  

RNA  polimerasi   repressore  

Promotore   Operatore   Gene  1   Gene  2  

RNA  polimerasi  

repressore  

Trascrizione  Bloccata  

induIore  

Trascrizione  

Il  controllo  posi3vo  

La  repressione  e  l’induzione  sono  meccanismi  di  controllo  nega3vo  dell’espressione  in  quanto  in  entrambi  i  casi  è  coinvolta  una  proteina  regolatrice  specifica,  chiamata  repressore,  che  impedisce  la  sintesi  dei  geni  di  un  operone.    Nel  controllo  posi5vo  una  proteina  regolatrice  promuove  il  legame  della  RNA  polimerasi  agendo  così  in  modo  da  incrementare  la  sintesi  degli  mRNA  regola3.    Le  proteine  regolatrici  che  intervengono  in  questo  processo  sono  chiamate  a;vatori  (o  proteine  di  a;vazione)    I  si3  di  legame  per  gli  aCvatori  possono  talvolta  essere  localizzate  a  distanza  dai  promotori.  In  questo  caso  la  loro  azione  è  mediata  dal  ripiegamento  del  DNA  (secondo  un  modello  simile  a  quello  incontrato  per  gli  enhancer  eucario3ci)  

aCvatore  

Repressione  

Promotore   Operatore   Gene  1   Gene  2  

RNA  polimerasi  

Promotore   Operatore   Gene  1   Gene  2  

RNA  polimerasi  

La  trascrizione  non  ha  inizio  

aCvatore  

induIore  

Trascrizione  

Funzionamento  dell’operone  del  laIosio  

La  trascrizione  nei  procario3  

•  I meccanismi della trascrizione •  Il modello dell’operone •  L’attenuazione

L’aIenuazione  

Un’altra  modalità  di  controllo  nota  come  aIenuazione  è  u3lizzata  in  alcuni  operoni  che  controllano  la  sintesi  degli  aminoacidi.  Il  caso  più  conosciuto  è  quello  della  via  biosinte3ca  dell’aminoacido  triptofano.  L’operone  del  triptofano  possiede  diverse  modalità  di  regolazione,  una  di  queste  è  appunto  l’aIenuazione  che  prevede  la  presenza  di  una  par3colare  sequenza,  chiamata  sequenza  guida,  all’interno  della  quale  è  presente  una  regione  codificante  per  un  polipe3de.  Questo  polipep3de  ha  tre  codoni  per  il  triptofano  consecu3vi.  

L’aIenuazione  

L’aIenuazione,  nell’operone  triptofano,  è  possibile  soltanto  perché  nei  procario3  trascrizione  e  traduzione  sono  accoppiate:  la  traduzione  inizia  prima  che  la  sintesi  dell’mRNA  sia  terminata.  Lo  spostamento  del  ribosoma  sull’mRNA  in  formazione  può  influenzare  il  ripiegamento  dell’mRNA  stesso  nascondendo  delle  regioni  complementari.  La  terminazione  prematura  della  trascrizione  è  influenzata  proprio  dalla  formazione  di  struIure  secondarie  3piche  

L’operone  del  triptofano  

L’operone  triptofano  

• L’operone  del  triptofano  è  sempre  acceso.  •   La  polimerasi  comincia  a  produrre  mRNA  messaggero.  • Il  ribosoma  si  aIacca  e  comincia  a  produrre  il  polipep3de  codificato  dalla  sequenza  dell’aIenuatore  • Se  vi  è  una  elevata  presenza  di  triptofano  la  velocità  del  ribosoma  è  elevata,  il  ribosoma  raggiunge  la  regione  2  e  le  impedisce  di  legarsi,  per  complementarietà,  alla  regione  3.  In  questo  modo  la  regione  3  si  appaia  con  la  regione  4  formando  una  struIura  che  induce  la  terminazione  della  trascrizione  

L’operone  triptofano  

• Se  il  triptofano  è  scarso,  quando  il  ribosoma  arriverà  in  corrispondenza  dei  tre  codoni  per  il  triptofano  effeIuerà  una  pausa.  La  diffusione  degli  aminoacil-­‐tRNA  per  il  triptofano  è  infaC  più  lenta  e  il  ribosoma  deve  aspeIare  che  ques3  arrivino.  • La  sosta  del  ribosoma  nella  zona  1  non  impedisce  alla  zona  2,  che  questa  volta  è  libera,  di  appaiarsi  con  la  regione  3.  Non  potendosi  più  formare  la  struIura  di  terminazione  (perché  la  regione  3  è  impegnata  e  non  disponibile  per  l’appaiamento  con  la  regione  4)  la  trascrizione  con3nua  a  valle  producendo  un  mRNA  con  i  geni  per  la  biosintesi  del  triptofano.