La regolazione genica nei procarioti

Abbiamo già parlato di controllo genico ma questa volta lo affronteremo nei procarioti.Nei batteri, infatti, il processo di trascrizione consiste nella sintesi di una molecola di RNA messaggero a partire da un filamento di DNA utilizzato come stampo. Il processo inizia quando l’enzima RNA polimerasi, legandosi a un sito specifico del DNA, noto come promotore, provoca l’apertura della doppia elica. Il filamento di mRNA rimane per poco tempo legato allo stampo di DNA mediante legami a idrogeno e si stacca per essere poi tradotto in una sequenza di amminoacidi e formare una proteina.

Nei procarioti il controllo di tutto questo processo può avvenire in almeno tre momenti diversi ma ha luogo prevalentemente proprio a livello della trascrizione. Il controllo prevede la presenza di particolari proteine codificanti dai geni regolatori; queste proteine (fattori di regolazione della trascrizione) si legano in vicinanza del promotore e possono agire o da controllo negativo (repressivo) imponendo la trascrizione dell’mRNA o da controllo positivo (attivatori) favorendo la sua trascrizione.

Nel controllo della trascrizione intervengono anche piccole molecole effettrici che si legano a questi fattori domini (regioni funzionali):

modificando la loro configurazione proteica; esse possono permettere o impedire l’inizio della trascrizione. I fattori di regolazione controllati da queste piccole molecole effettrici possiedono due

·         Nel primo dominio il fattore si lega al DNA;

·         Nel secondo dominio si inserisce una molecola effettrice.

Un segmento di DNA che codifica per un polipeptide è noto come gene strutturale. Spesso i geni strutturali che codificano per polipeptidi con funzioni correlate lavorano in sequenza. Questi gruppi possono contenere due catene polipeptidiche che costituiscono un particolare enzima. I gruppi di geni che codificano per queste molecole vengono trascritti in un singolo filamento di mRNA.

L’estremità 5’ della molecola dell’mRNA presenta una breve sequenza leader e l’estremità 3’ una sequenza trailer. Di solito nei batteri la traduzione può già aver inizio all’estremità 5’ della molecola di mRNA anche se la restante parte della molecola è ancora in fase di trascrizione. In un gruppo di polipeptidi necessari alla cellula nello stesso momento e in uguale quantità può essere sintetizzato contemporaneamente. Il fatto che l’mRNA venga immediatamente tradotto in proteine aumenta l’efficienza di questa strategia di regolazione.

Esistono proteine indispensabili alla cellula durante l’intero arco della sua vita e i geni che le codificano non hanno bisogno di un controllo sofisticato essendo sempre attivi; questi geni sono detti geni costituitivi. Nella maggior parte dei casi le cellule non producono continuamente tutte le proteine possibili, ma solo quelle necessarie e solo nel quantitativo richiesto a seconda dei cambiamenti.

Le nostre conoscenze si basano su un modello noto come operone, proposto da F. Jacob e J. Monod. Un operone è un’unita funzionale che comprende il promotore di uno o più geni strutturali, tutti sotto il controllo di una sequenza di DNA nota come operatore. L’operatore è un insieme di nucleotidi che ha una funzione regolatrice ed è posto fra il gene promotore e i geni strutturali.

La trascrizione dei geni strutturali è controllata anche dall’attività del gene regolatore; questo gene può codificare per un fattore di regolazione della trascrizione (l’attivatore) che promuove la trascrizione, oppure può far avvenire la sintesi di un fattore (il repressore) che ostacola il promotore; in questo caso, la RNA polimerasi non può legarsi alla molecola di DNA o non può spostarsi lungo la molecola. In presenza del repressore non si verifica la trascrizione dell’mRNA.

La capacità del repressore di legarsi all’operatore dipende da una piccola molecola effettrice che attiva o disattiva il repressore di quel particolare operone. Una molecola effettrice che attiva un repressore è detta corepressore,  mentre una che lo disattiva è detta induttore. Se esso è presente nel terreno di coltura, attiva il repressore dell’operone del triptofano; il repressore attivato si lega poi all’operatore e blocca la sintesi degli enzimi non necessari.

Molte piccole molecole effettrici che interagiscono con i repressori degli operoni esercitano i loro effetti modificando la configurazione tridimensionale della molecola di repressore. La manipolazione degli operoni è un importante meccanismo utilizzato nei processi biotecnologici per indurre le cellule batteriche a produrre proteine d’importanza medica, come l’insulina umana.