regolazione geni e operoni mappa concettuale

Approfondisci

La regolazione genica consente alle cellule di esprimere solo i geni necessari in un dato momento. Nei procarioti il meccanismo classico è l'operone, un gruppo di geni co-trascritti sotto il controllo di un unico promotore. Questo schema copre l'operone lac, l'operone trp, il ruolo di proteine regolatrici, induttori e co-repressori, oltre ai livelli di controllo della trascrizione e della traduzione nei batteri.

Come funziona l'operone lac
L'operone lac di Escherichia coli contiene geni per il metabolismo del lattosio, tra cui lacZ, lacY e lacA. In assenza di lattosio, la proteina repressore LacI si lega all'operatore e impedisce la trascrizione. Quando il lattosio è disponibile, una sua forma isomerica, l'allolattosio, si lega al repressore e ne cambia la conformazione: il repressore si stacca dall'operatore e la RNA polimerasi può trascrivere i geni. Il sistema è quindi inducibile, perché un substrato ambientale induce l'espressione dei geni necessari per utilizzarlo, evitando sprechi energetici quando il lattosio manca.

Operone trp e attenuazione
L'operone trp controlla la biosintesi del triptofano e funziona in modo opposto all'operone lac: è reprimibile. Quando il triptofano è abbondante, esso agisce come co-repressore legandosi alla proteina repressore, che così si lega all'operatore e blocca la trascrizione. Quando il triptofano scarseggia, il repressore resta inattivo e i geni per la sintesi dell'amminoacido vengono trascritti. Nei batteri esiste inoltre un secondo livello di controllo chiamato attenuazione, basato sulla velocità di traduzione di una sequenza leader: se il triptofano è abbondante, la trascrizione termina prematuramente.

Regolazione positiva e negativa
Nella regolazione negativa una proteina repressore blocca la trascrizione: è il caso sia dell'operone lac sia dell'operone trp. Nella regolazione positiva una proteina attivatore favorisce il legame della RNA polimerasi al promotore. Un esempio è la proteina CAP (o CRP) di E. coli: in assenza di glucosio, il cAMP aumenta, CAP si lega al DNA e potenzia la trascrizione dell'operone lac. Questo meccanismo spiega la preferenza del batterio per il glucosio: solo quando il glucosio si esaurisce l'operone lac viene espresso in modo pieno, fenomeno noto come diauxia.

Differenze con i eucarioti
Nei eucarioti non esistono operoni veri e propri: ogni gene ha generalmente il proprio promotore e la trascrizione produce mRNA monocistronici. La regolazione agisce su più livelli: l'accessibilità della cromatina, le modifiche degli istoni, la metilazione del DNA, l'azione di fattori di trascrizione e di sequenze di controllo distanti come gli enhancer. Si aggiungono controlli post-trascrizionali, come lo splicing alternativo, la stabilità dell'mRNA e la regolazione da parte di microRNA. Questa complessità riflette il differenziamento cellulare: cellule con lo stesso DNA esprimono set di geni diversi.