17 regolazione procarioti
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17 regolazione procarioti 17 regolazione procarioti Presentation Transcript

  • Capitolo 17 Regolazione dell’espressione genica nei batteri e nei batteriofagi Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A http://web.unife.it/progetti/genetica/Guido/index.php?lng=it&p=4
  • Domande 17
    • Non tutti i geni funzionano simultaneamente, e molti devono rispondere (attivandosi o disattivandosi) a variazioni ambientali: come viene regolata l’espressione genica nei procarioti?
    • Come interagiscono fra loro siti del DNA e proteine regolatrici?
    • Succede tutto alla trascrizione, o possono contare anche meccanismi legati alla traduzione?
  • Alcuni meccanismi sono molto semplici: fago λ replicazione, ricombinazione testa, coda integrazione Geni che si esprimono insieme occupano posizioni adiacenti sul cromosoma
  • Figura 17.1 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A Altri meccanismi sono più complessi: geni inducibili
  • Figura 17.2 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A Utilizzo del lattosio in E. coli
  • Variabilità fenotipica in ceppi di E. coli: enzimi sintetizzati Lattosio, glucosio: Glu, non Lac Lattosio, non glucosio: Lac sintesi regolabile degli enzimi per Lac: Lac + Lattosio, glucosio: Glu, non Lac Lattosio, non glucosio: non Lac deficit della sintesi degli enzimi per Lac: Lac - Lattosio, glucosio: Glu, Lac Lattosio, non glucosio: Lac sintesi costitutiva degli enzimi per Lac: Lac c
  • Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A Figura 17.3
    • Nei ceppi selvatici, quando nel terreno è presente solo lattosio vengono sintetizzati:
    • β -galattosidasi: scinde lattosio in glucosio + galattosio
    • permeasi
    • β -galattoside transacetilasi
    I tre geni producono inizialmente un unico messaggero
  • Modello dell’operon: (Monod e Jacob)
  • Figura 17.4 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A Organizzazione dell’operon per il lattosio
  • Figura 17.5 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A Funzionamento dell’operon per il lattosio in assenza di lattosio
  • Figura 17.6 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A Modello molecolare del repressore Lac
  • Modello molecolare del repressore Lac
  • Figura 17.7 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A Funzionamento dell’operon per il lattosio in presenza di lattosio
  • Controllo negativo della trascrizione
    • Un repressore controlla negativamente la trascrizione (cioè la disabilita)
    • I geni strutturali Z, Y ed A possono trascrivere solo se viene rimossa l’inibizione rappresentata dal repressore
  • Traduzione all’operon del lattosio: 1
  • Traduzione all’operon del lattosio: 2
  • Mutazioni polari Mutazione in Z: galattosidasi alterata, né permeasi né transacetilasi Mutazione in Y: permeasi alterata, manca la transacetilasi Mutazione in A: transacetilasi alterata
  • Diploidia parziale nello studio dell’operon A B C D E G F E D
  • Sintesi regolabile Sintesi costitutiva a+ a- Diploidia parziale nello studio dell’operon Dipende dalla mancanza di una proteina, che è presente nell’eterozigote Se dipendesse dalla mancanza di una proteina l’eterozigote ce l’avrebbe, e avrebbe fenotipo a+ I - è la mutazione di un gene regolatore o C è la mutazione di un sito regolatore del DNA 1. Una mutazione costitutiva che mappa a monte di p: I - Sintesi regolabile 2. Una mutazione costitutiva che mappa a valle di p: o C Sintesi costitutiva
  • Figura 17.8 (a) Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A o è un sito del DNA
  • Figura 17.8 (b) Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A o è un sito del DNA
  • Figura 17.9 (a)(b) Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A I è un gene che codifica per una proteina
  • Figura 17.9 (c) Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A I è un gene che codifica per una proteina
  • Figura 17.10 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A Nei mutanti I S non si esprimono i geni per il lattosio, né in presenza né in assenza di lattosio Superrepressione
  • 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? Lattosio, glucosio: Glu, non Lac Lattosio, non glucosio: Lac sintesi regolabile degli enzimi per Lac: Lac + Un passo indietro Controllo positivo: Repressione da catabolita
  • Figura 17.11 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A Repressione da catabolita In presenza di glucosio, sono bassi i livelli cellulari di cAMP
  • Figura 17.12 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A Inattivata in presenza di glucosio nella cellula cAMP tanto poco glucosio poco tanto
  • Riassumendo, in ceppi selvatici
    • 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
  • Figura 17.13 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A Sequenza di Shine-Dalgarno, 9-12 basi a monte dell’AUG. La traduzione comincia da qui. Qui GUG = Met, non Val ! Sequenza del promotore del gene lacI +
  • Figura 17.14 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A Regioni regolatrici dell’operon lac
  • 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
  • L’operon per il triptofano in E. coli Due forme di regolazione: 1. Negativa (con repressore)
    • L’operon è composto da 5 geni strutturali
    • 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)
  • 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 È fondamentale il ruolo di un sito attenuatore , nella regione leader del messaggero L’operon per il triptofano in E. coli Due forme di regolazione: 2. Per attenuazione
  • Figura 17.15 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A L’operon per il triptofano in E. coli
  • Figura 17.16 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A Il messaggero può assumere tre conformazioni diverse a seconda della concentrazione di triptofano. Il cambio di conformazione agisce sui livelli di trascrizione
  • Figura 17.17 (a) Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A Quando il ribosoma si ferma ai codoni UGG la trascrizione continua ai 5 loci strutturali trp-tRNA scarichi: blocco della traduzione, la trascrizione continua
  • Figura 17.17 (b) Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A Attenuazione : quando il ribosoma non si ferma ai codoni UGG si interrompe la trascrizione a monte dei loci strutturali trp-tRNA carichi: prosegue la traduzione, la trascrizione si interrompe
  • Riassumendo Triptofano abbondante . L’aporepressore si lega al trp e così attivato va a occupare il sito o , inibendo la trascrizione Triptofano assente . L’aporepressore non si lega al trp, il sito o è libero e la trascrizione comincia. La traduzione si arresta ai due codoni UGG. Si appaiano le regioni 2 e 3 del trascritto e perciò la RNA P può continuare la trascrizione Basse concentrazioni di Triptofano . L’aporepressore non si lega al trp, il sito o è libero e la trascrizione comincia. La traduzione prosegue oltre i due codoni UGG. Si appaiano le regioni 3 e 4 del trascritto e perciò la RNA P si stacca e si interrompe la trascrizione
  • Riassumendo
    • 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
  • Figura 17.19 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A Attenuazione: nella regione leader degli operoni per la biosintesi di diversi amminoacidi sono presenti in più copie i codoni per lo stesso amminoacido.
  • Figura 17.21 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A I geni che si esprimono insieme sono localizzati in regioni contigue fago λ (cromosoma lineare che si circolarizza all’interno della cellula batterica ospite)
  • Figura 17.22 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A La trascrizione comincia sempre dai promotori precoci P L e P R
  • Figura 17.22 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A La scelta fra ciclo litico e lisogenico dipende dai livelli relativi di cII (che attiva P RE e la conseguente sintesi di integrasi) e Cro (che, tramite Q, stimola la sintesi ai geni tardivi)
  • Sintesi 17
    • 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, 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 (trp, in E. coli )
    • In molti casi (lac, in E. coli ) esistono anche controlli positivi che stimolano la trascrizione