17 regolazione procarioti

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17 regolazione procarioti

  1. 1. 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
  2. 2. Domande 17 <ul><li>Non tutti i geni funzionano simultaneamente, e molti devono rispondere (attivandosi o disattivandosi) a variazioni ambientali: come viene regolata l’espressione genica nei procarioti? </li></ul><ul><li>Come interagiscono fra loro siti del DNA e proteine regolatrici? </li></ul><ul><li>Succede tutto alla trascrizione, o possono contare anche meccanismi legati alla traduzione? </li></ul>
  3. 3. Alcuni meccanismi sono molto semplici: fago λ replicazione, ricombinazione testa, coda integrazione Geni che si esprimono insieme occupano posizioni adiacenti sul cromosoma
  4. 4. Figura 17.1 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A Altri meccanismi sono più complessi: geni inducibili
  5. 5. Figura 17.2 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A Utilizzo del lattosio in E. coli
  6. 6. 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
  7. 7. Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A Figura 17.3 <ul><li>Nei ceppi selvatici, quando nel terreno è presente solo lattosio vengono sintetizzati: </li></ul><ul><li>β -galattosidasi: scinde lattosio in glucosio + galattosio </li></ul><ul><li>permeasi </li></ul><ul><li>β -galattoside transacetilasi </li></ul>I tre geni producono inizialmente un unico messaggero
  8. 8. Modello dell’operon: (Monod e Jacob)
  9. 9. Figura 17.4 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A Organizzazione dell’operon per il lattosio
  10. 10. Figura 17.5 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A Funzionamento dell’operon per il lattosio in assenza di lattosio
  11. 11. Figura 17.6 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A Modello molecolare del repressore Lac
  12. 12. Modello molecolare del repressore Lac
  13. 13. Figura 17.7 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A Funzionamento dell’operon per il lattosio in presenza di lattosio
  14. 14. Controllo negativo della trascrizione <ul><li>Un repressore controlla negativamente la trascrizione (cioè la disabilita) </li></ul><ul><li>I geni strutturali Z, Y ed A possono trascrivere solo se viene rimossa l’inibizione rappresentata dal repressore </li></ul>
  15. 15. Traduzione all’operon del lattosio: 1
  16. 16. Traduzione all’operon del lattosio: 2
  17. 17. Mutazioni polari Mutazione in Z: galattosidasi alterata, né permeasi né transacetilasi Mutazione in Y: permeasi alterata, manca la transacetilasi Mutazione in A: transacetilasi alterata
  18. 18. Diploidia parziale nello studio dell’operon A B C D E G F E D
  19. 19. 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
  20. 20. Figura 17.8 (a) Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A o è un sito del DNA
  21. 21. Figura 17.8 (b) Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A o è un sito del DNA
  22. 22. Figura 17.9 (a)(b) Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A I è un gene che codifica per una proteina
  23. 23. Figura 17.9 (c) Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A I è un gene che codifica per una proteina
  24. 24. 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
  25. 25. 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
  26. 26. 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
  27. 27. 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
  28. 28. Riassumendo, in ceppi selvatici <ul><li>Glucosio, non lattosio </li></ul><ul><li>repressore attivo, cAMP basso, poco cAMP-CAP al sito CAP </li></ul><ul><li>Nessuna trascrizione all’operon lac </li></ul><ul><li>2. Glucosio, lattosio </li></ul><ul><li>repressore inattivo, cAMP basso, poco cAMP-CAP al sito CAP, </li></ul><ul><li>Bassi livelli di trascrizione all’operon lac </li></ul><ul><li>3. Non glucosio, lattosio </li></ul><ul><li>repressore inattivo, cAMP alto, molto cAMP-CAP al sito CAP, </li></ul><ul><li>Alti livelli di trascrizione all’operon lac </li></ul>
  29. 29. 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 +
  30. 30. Figura 17.14 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A Regioni regolatrici dell’operon lac
  31. 31. 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
  32. 32. L’operon per il triptofano in E. coli Due forme di regolazione: 1. Negativa (con repressore) <ul><li>L’operon è composto da 5 geni strutturali </li></ul><ul><li>TrpR è prodotta da un gene distante dall’operon </li></ul><ul><li>Da sola non è in grado di legarsi al sito o (aporepressore) </li></ul><ul><li>Quando è legata a molecole di trp, si lega al sito o e inibisce la trascrizione (ne riduce i livelli di 70 volte) </li></ul>
  33. 33. 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
  34. 34. Figura 17.15 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A L’operon per il triptofano in E. coli
  35. 35. 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
  36. 36. 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
  37. 37. 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
  38. 38. 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
  39. 39. Riassumendo <ul><li>Niente trp </li></ul><ul><li>Bassa affinità dell’aporepressore per o, trp-tRNA scarichi </li></ul><ul><li>Alti livelli di trascrizione all’operon trp </li></ul><ul><li>2. Poco trp </li></ul><ul><li>Bassa affinità dell’aporepressore per o, trp-tRNA carichi </li></ul><ul><li>Bassi livelli di trascrizione all’operon trp </li></ul><ul><li>3. Tanto trp </li></ul><ul><li>Alta affinità del repressore per o (trp-tRNA carichi, ma non conta) </li></ul><ul><li>Nessuna trascrizione all’operon trp </li></ul>
  40. 40. 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.
  41. 41. 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)
  42. 42. 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
  43. 43. 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)
  44. 44. Sintesi 17 <ul><li>Geni funzionalmente collegati sono spesso localizzati in regioni contigue del cromosoma </li></ul><ul><li>Nei casi più semplici (fago λ) questa contiguità è sufficiente a determinare una regolazione genica </li></ul><ul><li>In altri casi (lac, trp, in E. coli ) delle proteine (repressori) inibiscono o attenuano la trascrizione: controllo negativo </li></ul><ul><li>Il controllo negativo della trascrizione può avvenire anche grazie a meccanismi legati alla traduzione (trp, in E. coli ) </li></ul><ul><li>In molti casi (lac, in E. coli ) esistono anche controlli positivi che stimolano la trascrizione </li></ul>

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