11_Regolazione genica procarioti

Controllo dell’espressione genica nei procarioti
Geni costitutivi
Geni regolati
Geni inducibili (es. operone Lac)
Geni reprimibili (es. operone Trp)
Nella regolazione genica le cellule batteriche devono
soddisfare due condizioni:
1. Devono poter attivare o inattivare in modo reversibile la
trascrizione di ogni specifico gene o gruppo di geni.
2. Devono essere capaci di riconoscere le condizioni ambientali
che richiedono l’attivazione o la repressione di determinati
geni
L’operone lac di E. coli
Un operone è una singola unità di trascrizione che
comprende una serie di geni strutturali e le relative
sequenze di regolazione della trascrizione
Il metabolismo del lattosio
Regolazione della trascrizione
Modello dell’operone lac in E. coli
Il repressore dell’operone Lac
Il repressore dell’operone lac è una proteina con due siti
legame: un sito per il legame dell’induttore e un sito per
il legame dell’operatore
Il repressore dell’operone lac è una proteina allosterica
poiché il legame con l’induttore causa una transizione
allosterica ossia il passaggio da una conformazione ad
un’altra che abbassa l’affinità del repressore per
l’operatore
Controllo positivo
del lac operon
Repressione da
cataboliti
CAP: Catabolite Activator Protein
Attività della proteina CAP
Tipi di regolazione della trascrizione
In presenza di lattosio
In assenza di lattosio
In presenza di glucosio
In assenza di glucosio
Controllo positivo e negativo dell’operone lac
L’operone Trp di E. coli
Operoni inducibili e reprimibili a
controllo positivo o negativo
Tipo di
controllo
Di norma la
trascrizione è
Proteina
regolatrice
Effetto della
proteina
regolatrice
Azione del
modulatore
Inducibile
negativamente
Spenta
Repressore
attivo
Inibisce la
trascrizione
Il substrato
inattiva il
repressore
Inducibile
positivamente
Spenta
Attivatore
inattivo
Stimola la
trascrizione
Il substrato
attiva
l’attivatore
Reprimibile
negativamente
Accesa
Repressore
inattivo
Inibisce la
trascrizione
Il prodotto
attiva il
repressore
Reprimibile
positivamente
Accesa
Attivatore
attivo
Stimola la
trascrizione
Il prodotto
inattiva
l’attivatore
Relazione genotipo-fenotipo
recessiva
dominante
Il significato degli esperimenti di
Jacob e Monod (1961)
La scoperta dei geni regolati
La scoperta dell’operone, l’unità fondamentale
del controllo della trascrizione genica nei batteri
Le mutazioni dell’operone lac e
i diploidi parziali di E. coli
● Mutazioni nei geni strutturali: lacZ, lacY, lacA
● Mutazioni che alterano la regolazione dell’espressione genica:
lacI, lacO, lacP
Mutazioni nei geni strutturali
β-GALATTOSIDASI (Z)
PERMEASI (Y)
Non indotta Indotta
Non indotta
Indotta
Z+ Y+
−
+
−
+
Z– Y+
−
−
−
+
Z+ Y+/Z− Y−
−
+
−
+
Z− Y+/Z+ Y−
−
+
−
+
Genotipo
Mutazioni nel gene regolatore: lacI –
β-GALATTOSIDASI (Z)
Non indotta
Indotta
PERMEASI (Y)
Non indotta
Indotta
Genotipo
Fenotipo
I+ Z+ Y+
−
+
−
+
inducibile
I− Z+ Y+
+
+
+
+
costitutivo
I− Z+ Y+/ I+ Z− Y−
−
+
−
+
inducibile
I+ Z− Y+/ I− Z+ Y−
−
+
−
+
inducibile
Il gene selvatico lacI+ è dominante sul mutante lacI−
I+ agisce in trans poiché regola anche i geni lacZ e Y presenti
su un’altra molecola di DNA
Mutazioni nel gene regolatore: lacIs
β-GALATTOSIDASI (Z)
Non indotta
Indotta
PERMEASI (Y)
Non indotta
Indotta
Genotipo
Fenotipo
I+ Z+ Y+
−
+
−
+
inducibile
Is Z+ Y+
–
–
–
–
represso
Is Z+ Y+/ I+ Z+ Y+
−
–
–
–
represso
Is Z− Y+/ I− Z+ Y−
−
–
–
–
represso
La mutazione lacI s è dominante sul mutante lacI− e sul
selvatico lacI+
Mutazioni lac Oc
β-GALATTOSIDASI (Z)
Non indotta
Indotta
PERMEASI (Y)
Non indotta
Indotta
Genotipo
Fenotipo
O+ Z+ Y+
−
+
−
+
inducibile
Oc Z+ Y+
+
+
+
+
costitutivo
O+ Z+ Y+/Oc Z+ Y+
+
+
+
+
costitutivo
O+ Z− Y+/Oc Z+ Y−
+
+
−
+
Z costitutivo/
Y inducibile
La mutazione lacOc è dominante sul selvatico lacO+
L’operatore agisce in cis poiché regola solo i geni lacZ e Y
presenti sulla stessa molecola di DNA
Mutazioni nel promotore: lacP –
β-GALATTOSIDASI (Z)
Non indotta
Indotta
PERMEASI (Y)
Non indotta
Indotta
Genotipo
Fenotipo
P+ Z+ Y+
−
+
−
+
inducibile
P – Z+ Y+
–
–
–
–
represso
P+ Z+ Y+/P+ Z− Y+
−
+
−
+
inducibile
P+ Z− Y+/P – Z+ Y−
−
−
−
+
Z represso/
Y inducibile
La mutazione lacP – agisce in cis
Concetti da acquisire
• Geni costitutivi e geni regolati
• Operone
• Repressore e attivatore
• Sistema inducibile e sistema reprimibile
• Controllo positivo e controllo negativo
• Diploidi parziali
• Cis e trans
• Dominante e recessivo