Organizzazione e regolazione dei geni nei procarioti

Organizzazione e regolazione dei geni nei procarioti!

Diversi geni in un organismo sono pensati per la sintesi di diverse proteine ​​che sono necessarie in tempi diversi.

Gli enzimi specifici sono necessari in diversi momenti del ciclo di vita di un organismo. Tuttavia, in ogni momento del ciclo di vita, ogni cellula contiene lo stesso set di geni. È quindi necessario disporre di meccanismi che consentano il funzionamento dei soli geni desiderati in un determinato momento e limitino l'attività di altri geni. Sono ora noti una varietà di meccanismi che regolano l'espressione genica a diversi livelli tra cui trascrizione, elaborazione di mRNA e traduzione.

Regolamento genetico nei procarioti:

Il tasso di espressione dei geni batterici è controllato principalmente a livello della sintesi dell'mRNA (trascrizione). La regolazione può avvenire sia all'inizio che alla fine della trascrizione dell'mRNA.

Regolazione dell'operone lac in E. coli:

Jacob e Monod, due microbiologi francesi, sulla base della loro indagine su E.coli hanno suggerito il primo modello di regolazione genica chiamato modello operone nel 1961. In questo batterio, ci sono tre enzimi che causano la rottura del lattosio, B- galattosidasi, permeasi e transacetilasi.

Quando le cellule di E. coli vengono coltivate su una fonte di carbonio diversa dal lattosio, i livelli intercellulari di queste tre proteine ​​sono estremamente bassi, forse 1/1000 dei livelli che raggiungono quando il lattosio è presente. Si dice quindi che il lattosio sia un induttore di queste proteine. I primi studi hanno stabilito che il processo di induzione implica una sintesi de novo della β-galattosidasi e non l'attivazione di alcuni enzimi preesistenti.

Jacob e Monod hanno presentato un modello di operone per spiegare tale regolazione del gene del lattosio.

Ci sono tre geni strutturali nell'operone lac che include quanto segue:

(i) codici gene lac z (3063 bp) per l'enzima P galattosidasi, che è attivo come tetramero e rompe il lattosio in glucosio e galattosio per essere utilizzato nella cellula;

(ii) codici gene lac y (800 bp) per il permato di galattosio β, che è una proteina legata alla membrana e aiuta nel trasporto dei metaboliti e

(iii) gene lac a (800 bp) che codifica per p galattosio transacetilasi, un enzima che trasferisce un gruppo acetilico da acetil-CoA a P galattosidi.

In sequenza con questi geni e adiacenti ad essi, ci sono geni operatori che non codificano per proteine ​​ma esercitano il controllo sui tre geni strutturali permettendo la trascrizione di mRNA per i tre enzimi. Questo è chiamato come gene dell'operatore 'o'.

Il gene del promotore si trova appena a monte dell'operatore e fornisce il sito di legame per la RNA polimerasi che esegue la trascrizione. Il gene dell'operatore è sotto il controllo di un altro segmento di DNA chiamato un gene regolatore che si trova separato dall'operatore e dai geni strutturali.

Il regolatore sembra specificare una proteina chiamata repressore che si lega con il gene dell'operatore e la rende inattiva. Ciò impedisce agli enzimi legati al promotore di progredire verso i geni strutturali e quindi la trascrizione non può verificarsi. L'operatore, promotore e geni strutturali insieme sono chiamati un operone.

Occasionalmente, le sostanze nel citoplasma chiamate sostanze induttore possono legarsi con le molecole repressive. Nel sistema di Jacob e Monod si è scoperto che il lattosio interagisce in questo modo con il repressore, legandolo e permettendo al gene dell'operatore di "accendere" i geni strutturali che producono quindi mRNA che determina la sintesi di enzimi che catalizzano la rottura del lattosio.

Quando il lattosio viene metabolizzato, le molecole repressive vengono liberate, che si legano all'operatore e la trascrizione dei geni strutturali cessa, cioè vengono "spente". Il gene operatore funge quindi da meccanismo di commutazione per l'intero gruppo di geni strutturali a cui è associato.

Il repressore:

I repressori prodotti dai geni del regolatore sono proteine ​​che si legano ai rispettivi geni dell'operatore e hanno quattro subunità identiche che si uniscono per formare due solchi simmetrici. Apparentemente, i repressori appartengono al gruppo di proteine ​​allosteriche che cambiano la loro forma sull'interazione con molecole specifiche.

Poiché il repressore si lega in modo reversibile sia al DNA lac che allolattosio dell'induttore, sembra che abbia due siti di legame distinti. In assenza di induttore, il sito di legame del DNA è attivo e il repressore si lega al DNA lac.

Ma quando l'allolattosio si lega alla molecola repressore, il sito di legame del DNA viene modificato in uno stato inattivo e il repressore non può più legarsi al DNA lac. Il legame del repressore con il DNA lac impedisce la trascrizione dei geni lac, mentre il suo rilascio dal DNA lac (dopo la sua interazione con l'induttore) ne consente la trascrizione.

Gli effettori o induttori:

L'affinità del legame del repressore con l'operatore è regolata dall'induttore o co-repressore, piccole molecole chiamate anche effettori. Un effettore apparente è il composto che sembra agire come effettore quando è presente in una concentrazione sufficiente.

In molti casi, un effettore apparente può essere cambiato dalla cellula in un altro composto che funge da effettore; un tale effettore è noto come effettore reale. Ad esempio, il lattosio è l'apparente effettore dell'operone lac in E. coli, ma l'effettore effettivo è allolattosio.

Controllo negativo:

Nel controllo negativo, l'associazione di una specifica proteina (repressore) con il DNA dell'operatore impedisce la trascrizione dell'operone. Si ritiene che la trascrizione sia prevenuta a causa di un cambiamento nella configurazione del DNA dell'operatore in modo che l'RNA polimerasi non sia in grado di svolgere la sua funzione.

Dal momento che la regolazione dell'azione dei geni in un tale sistema è ottenuta dalla prevenzione della trascrizione da parte di un repressore, è noto come controllo negativo. Il sistema di controllo negativo è raggruppato in due categorie: (i) inducibile e (ii) repressibile.

Controllo negativo inducibile:

In questo sistema, la produzione di enzimi inizia solo in presenza di un induttore (effettore), generalmente il substrato della via metabolica interessata. In assenza di induttore, la produzione di enzimi viene bloccata, ovvero i geni dell'operone vengono repressi. L'operone lac di E. coli è un operone inducibile e molti altri operoni interessati dall'utilizzo del substrato mostrano induzione.

Controllo negativo reprimibile:

In questo sistema, l'operone è normalmente funzionale, cioè depresso, e gli enzimi interessati e prodotti dalla cellula. La presenza di un co-repressore (effettore) generalmente il prodotto finale del percorso biosintetico in questione arresta la produzione di enzimi, cioè reprime l'operone.

Gli operoni interessati da percorsi biosintetici, ad esempio la sintesi di istidina, triptofano e molti altri amminoacidi, ecc., Mostrano un controllo negativo reprimibile. Il gene regolatore in questo sistema produce un repressore inattivo che non è in grado di legarsi al gene dell'operatore.

Il repressore inattivo, noto anche come aporepresser, diventa un repressore attivo solo quando si lega alla molecola effettore. Il repressore attivo attacca il gene dell'operatore e impedisce la trascrizione dell'operone.

Controllo positivo:

Nel controllo positivo della trascrizione, l'associazione di una specifica proteina, definita come attivatore di un segmento di DNA nel gene promotore o in RNA polimerasi, consente la trascrizione dell'operone. Si ritiene che l'effetto promotore dell'attivatore sia dovuto al suo effetto sulla configurazione del DNA nella regione dell'iniziatore della trascrizione, che diventa quindi più favorevole all'azione della RNA polimerasi. Il controllo positivo è anche inducibile o reprimibile.

Controllo positivo inducibile:

In questo sistema, l'attivatore si trova in uno stato inattivo e non è in grado di collegarsi al DNA del promotore. L'attivatore si lega al promotore solo dopo che interagisce con un induttore specifico che produce un attivatore attivo. Gli operandi catabolici sensibili di E. coli, ad esempio, l'operone che produce enzimi per la degradazione di arabinosio (ara) e galattosio (gal) forniscono esempi di tale controllo.

Controllo positivo reprimibile:

In questo sistema, l'attivatore si lega al gene del promotore permettendo la trascrizione dell'operone. Un'interazione con l'effettore, un corepressor, modifica la configurazione dell'attivatore in modo che non sia in grado di legarsi al promotore causando una repressione dell'operone.