Espressione genica nei batteri: operone, sistema repressore-operatore, attenuatore

MEDICINA ONLINE INVASIVITA VIRUS BATTERI FUNGHI PATOGENI MICROBIOLOGIA MICROORGANISMI CLINICA BIOLOGICA BIOLOGIA MICROBI LABORATORIO ANALISI PARETE INFEZIONE ORGANISMO PATOGENESI MICROBIOLOGY WALLPAPER DNAI batteri normalmente vivono in ambienti che cambiano rapidamente. Per funzionare efficientemente in un ambiente che cambia, i batteri hanno evoluto speciali sistemi per regolare l’espressione genica in risposta alle condizioni ambientali. Generalmente, quando una particolare funzione è necessaria, i geni per questa funzione (per esempio, i geni per l’utilizzo del lattosio quando il lattosio è presente come fonte di carbonio, o  i geni per la biosintesi del triptofano, quando il triptofano è assente dal terreno) vengono trascritti in modo coordinato e vengono prodotti in modo coordinato gli enzimi necessari. Al contrario, quando le condizioni cambiano in modo che la funzione non sia più necessaria, la trascrizione dei geni viene spenta.
In base agli studi sulla regolazione dell’espressione dei tre geni per l’utilizzo del lattosio in E. coli, Jacob e Monod hanno elaborato un modello che è la base per la regolazione dell’espressione genica in molti sistemi di batteri e di batteriofagi. I geni per gli enzimi sono contigui nel cromosoma e, adiacente ad essi, vi è un sito di controllo (un operatore) e un singolo promotore.  Questo complesso costituisce un’unità di trascrizione chiamata “operone“. Un gene regolatore, che può essere vicino o no, è associato con l’operone. L’aggiunta di un particolare induttore alla cellula porta all’induzione coordinata dei geni strutturali dell’operone. Relativamente all’operone lac, l’induzione avviene come segue: il lattosio si lega alla proteina repressore, che è codificata dal gene regolatore, inattivandola e impedendole di legarsi all’operatore. Di conseguenza, l’RNA polimerasi può trascrivere i tre geni in una singola molecola di mRNA poligenico. Finché il lattosio è presente, l’mRNA continua ad essere prodotto e gli enzimi vengono sintetizzati. Quando il lattosio non è più presente, la proteina repressore non è più inattiva e si lega all’operatore, impedendo quindi all’RNA polimerasi di trascrivere i geni lac.
Se è presente glucosio, oltre al lattosio, l’operone lattosio non è indotto, dato che il glucosio è preferito come fonte di carbonio (è necessaria meno energia per metabolizzare il glucosio rispetto al lattosio). Questo fenomeno è chiamato repressione da catabolita e dipende dal livello intramolecolare di cAMP. Infatti, in presenza di lattosio e in assenza di glucosio, il cAMP forma un complesso con la proteina CAP, formando un regolatore positivo necessario per il legame dell’RNA polimerasi al promotore. L’aggiunta di glucosio abbassa il livello di cAMP, di modo che il com-
plesso cAMP-CAP non si forma e, di conseguenza, l’RNA polimerasi non si lega al promotore lac. I geni di numerose vie biosintetiche per la produzione di aminoacidi nei batteri sono organizzati in operoni.

La regolazione dell’espressione di questi operoni avviene attraverso il sistema repressore-operatore o attraverso l’attenuazione a un secondo sito di controllo chiamato attenuatore, o in entrambi i modi. L’operone triptofano è un esempio di operone nel quale sono presenti entrambi i sistemi di regolazione della trascrizione. Il sistema repressore-operatore funziona essenzialmente nello stesso modo che nell’operone lac, tranne che l’aggiunta dell’aminoacido alla cellula attiva il repressore, portando quindi all’inattivazione dell’operone. Ciò risponde al ruolo che i prodotti genici svolgono nella cellula: sintetizzare l’aminoacido. L’attenuatore è localizzato a valle rispetto all’operatore, nella regione leader non tradotta. L’attenuatore è un sito di terminazione della trascrizione, che permette solo a una frazione delle RNA polimerasi di trascrivere l’operone a valle. L’attenuazione si basa sullo stretto accoppiamento fra trascrizione e traduzione, e sulla formazione di particolari strutture secondarie dell’RNA che segnalano se la trascrizione può continuare o no.

Il punto chiave del fenomeno dell’attenuazione è la presenza di numerose copie di codoni per l’aminoacido la cui sintesi è controllata dall’operone. Quando è presente nella cellula una quantità di aminoacido tale per cui i tRNA siano carichi, il ribosoma può leggere i codoni chiave presenti nella regione leader; ciò fa sì che l’RNA, che viene sintetizzato a valle dalla RNA polimerasi, assuma una struttura secondaria che segnala la terminazione della trascrizione. Tuttavia, quando la cellula è carente di tale amino acido, non vi è una quantità sufficiente di tRNA carichi da poter essere utilizzata per i codoni chiave e quindi il ribosoma si arresta in questo punto. Di conseguenza l’RNA a valle assume una struttura secondaria che permette il prosegui mento della trascrizione verso i geni strutturali.

La combinazione della regolazione repressore-operatore e attenuazione permette un alto livello di controllo della trascrizione dell’operone. Gli operoni sono anche molto utilizzati dai fagi per coordinare la sintesi di proteine con funzioni correlate.  Molti dei geni correlati con la produzione di progenie fagica o con l’instaurazione della liso genia, nei fagi temperati, sono organizzati in operoni. Questi operoni, come gli operoni batterici, sono controllati dall’interazione di proteine di regolazione con operatori che si trovano adiacenti al gruppo di geni strutturali. Il fago lambda ha costituito un eccellente modello per lo studio del complicato interruttore genico che controlla la scelta tra ciclo litico e lisogeno nel fago. La scelta coinvolge due proteine di regolazione, il repressore di lambda e la proteina ero, che hanno affinità opposte per tre siti di legame con ciascuno dei principali operatori che controllano il ciclo di crescita di lambda.

In conclusione, gli operoni si trovano normalmente nei batteri e nei virus. Essi costituiscono un modo semplice per coordinare la trascrizione di geni con funzioni correlate. Di solito vi è un’interazione tra una molecola effettore (come il lattosio e il triptofano) e una molecola repressore. Questa interazione può inattivare (lattosio) o attivare (triptofano) il repressore, facendo si che si stacchi o si leghi all’operatore, rispettivamente. Se non vi è repressore legato all’operatore, l’RNA polimerasi può legarsi al promotore adiacente e i geni possono essere trascritti. Gli operoni non sono stati trova-
ti nei sistemi eucariotici.

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