Operone
Qual è la struttura di un operone? Che cos'è un operone Lac?
L'operone è una sequenza genica in cui sono contenute le informazioni per la sintesi di più proteine strutturali nonché sequenze coinvolte a vario titolo nella regolazione dell'espressione di quegli stessi geni; la trascrizione di tutta la sequenza genica è sotto il controllo di un unico sito promotore.
L'organizzazione di geni coinvolti nelle medesime vie metaboliche all'interno di operoni è un tipo di meccanismo di regolazione caratteristico dei procarioti, e presente molto di rado negli eucarioti; negli operoni la disponibilità di determinate molecole dette ligandi è in grado di favorire oppure reprimere la sintesi degli enzimi coinvolti in vie metaboliche in qualche modo connesse alla presenza/assenza della molecola stessa.
Un tipo di risposta di questo tipo è definito a feedback, e può essere di tipo positivo o di tipo negativo.
Struttura generale di operone
Tipicamente l'operone è organizzato con alcune sequenze codificanti per enzimi strutturali, una sequenza definita "promotore" che, posta a monte dei geni strutturali, favorisce il legame dell'RNA-polimerasi e l'inizio della trascrizione; una sequenza definita "operatore" in grado di legare una proteina di regolazione (attivatori o repressori) che determina l'attivazione o la disattivazione del processo trascrizionale.
Gli attivatori/repressori sono sintetizzati dalla cellula e la loro azione è determinata dalla presenza nell'ambiente di molecole dette "ligandi" che hanno funzione di induttori, corepressori o coattivatori.
I meccanismi attraverso cui si determina la regolazione della trascrizione possono essere di tipo positivo o negativo: se la proteina regolatrice è un attivatore parliamo di regolazione positiva, se è un repressore parliamo di regolazione negativa.
Allo stesso modo, si evidenzia anche la differenza tra operoni inducibili e reprimibili, a seconda se la condizione normale, in assenza del ligando, è quella in cui i geni codificanti per le proteine vengano espressi oppure no. In sintesi, quindi, possiamo avere:
- operoni inducibili a regolazione negativa, in cui normalmente i geni non sono espressi perché una molecola con azione di repressore, presente fisiologicamente nella cellula, lega il sito operatore impedendo la trascrizione. La presenza dell'induttore, legando il repressore, ne cambia la conformazione strutturale tridimensionale determinandone il distacco dal sito operatore e permettendo la trascrizione dei geni strutturali
- operoni inducibili a regolazione positiva: come i precedenti, normalmente i geni non sono espressi ma, al contrario di quanto accade nell'esempio di cui sopra, è il legame tra l'induttore e l'attivatore a permettere all'attivatore di legare l'operatore e permettere l'inizio della trascrizione
- operoni reprimibili a regolazione positiva: in questo caso in condizioni normali la proteina attivatore è legata all'operatore e permette la trascrizione. La presenza di un altra molecola altera il processo, andando a legare l'attivatore e determinandone il distacco dal sito operatore
- operoni reprimibili a regolazione negativa: il sito operatore è normalmente libero e le proteine vengono espresse. Il legame tra la molecola repressore e il sito operatore ne blocca il funzionamento.
Operone Lac
Un classico esempio di operone è il cosiddetto operone Lac, o operone lattosio, presente nelle cellule procariotiche e coinvolto nella regolazione del metabolismo del lattosio.
Attraverso l'azione dell'operone Lac quindi la cellula batterica produce gli enzimi necessari alla digestione e al metabolismo di questo zucchero complesso solo nel caso in cui ce ne sia effettivamente bisogno; infatti i batteri utilizzano preferenzialmente il glucosio come fonte energetica primaria, e tendono a utilizzare lattosio solo se nell'ambiente vi è scarsità o assenza di glucosio.
Il meccanismo di regolazione di questo operone è inoltre in grado di regolare anche la quantità di lattosio metabolizzato, producendo più o meno enzimi a seconda delle necessità.
L'operone Lac è organizzato con tre sequenze codificanti per geni strutturali:
- la sequenza Z che codifica per la lattosio permesasi, un enzima coinvolto nella capacità della cellula di far entrare lattosio all'interno della cellula stessa passando attraverso la membrana plasmatica;
- la sequenza Y, che codifica per la β-galattosidasi, enzima capace di scindere il lattosio in zuccheri più semplici mediante idrolisi del legame β-galattosidico;
- la sequenza A, che codifica per la transacetilasi, un enzima che determina l'acetilazione del lattosio.
A monte di queste tre sequenze strutturali sono presenti le sequenze di regolazione: la sequenza I, che codifica per la sintesi del repressore ed è preceduta dal suo promotore (sequenza Pi); a valle della sequenza I c'è la sequenza E, che rappresenta il sito di legame dell'attivatore CRP-CAMP; poi si ritrova il sito P-LAC che rappresenta il promotore dell'operone e due sequenze, dette O1 e O2, che fungono da operatori legando il repressore.
In condizioni normali l'operone non viene trascritto perché il repressore codificato dalla sequenza I lega i due siti O creando un ripiegamento del DNA che impedisce lo scorrimento della polimerasi.
In presenza di lattosio, una parte di quest'ultimo viene convertito in allolattosio; l'allolattosio lega il repressore e ne determina il distacco dai siti operatori, permettendo la trascrizione dell'RNA.
In questa fase, comunque, il trascritto è poco ed è necessario che si verifichi una condizione di scarsità di glucosio nella cellula perché si avvii una trascrizione più rapida.
In questo secondo meccanismo interviene un processo di regolazione positiva in cui la scarsa presenza di glucosio determina la produzione nella cellula di cAMP, che va a legare una molecola detta CRP.
Il complesso CRP-cAMP funge da attivatore, andando a legare il sito E a monte dell'operane e aumentando così di 50 volte la produzione di RNA.
Figura 1: Regolazione dell'operone lattosio in Escherichia coli: la presenza di lattosio e di cAMP determina la sintesi di grandi quantità di enzimi coinvolti nel metabolismo del lattosio stesso.Immagine: wikipedia – modificata. Licenza CC.
Il meccanismo dell'attenuazione
Un altro sistema di regolazione dell'espressione genica degli operoni è definito attenuazione, ed è reso possibile dal fatto che, nei procarioti, trascrizione e traduzione avvengono simultaneamente non essendoci barriere che separano il nucleo cellulare e il resto del citoplasma.
In questo processo, la presenza di regioni dell'mRNA dette attenuatori possono determinare l'arresto della trascrizione in presenza di molecole target.
Un esempio di questo processo è descritto nell'operone triptofano di Escherichia coli: in questo operone infatti, a monte dei geni strutturali, è presente una sequenza detta "leader" il cui mRNA contiene 2 codoni per il triptofano e 4 regioni contenenti sequenze complementari in modo che la sequenza 3 possa appaiarsi con la sequenza 2 e la sequenza 4.
L'appaiamento con la sequenza 2 esclude l'appaiamento con la sequenza 4; l'appaiamento con la sequenza 4 determina la formazione di una forcina di terminazione e quindi l'interruzione della trascrizione.
Ciò che determina quale tipo di appaiamento avvenga è la presenza del triptofano, che è il prodotto finale dell'operone.
In caso di scarsità di triptofano, i ribosomi (che operano la sintesi proteica in contemporanea alla traduzione dell mRNA nei procarioti) si bloccheranno in corrispondenza dei codoni "triptofano" causando l'appaiamento delle sequenze 2-3 e la regolare prosecuzione della trascrizione.
Se invece il triptofano è in abbondanza il ribosoma non si blocca sui codoni "triptofano" ma prosegue fino al codone stop, causando l'appaiamento delle sequenze 3-4 e l'interruzione della trascrizione.
Figura 2: Attenuazione nell'operone triptofano. Alti livelli di triptofano portano all'appaiamento delle sequenze 3 e 4 dell' mRNA leader e lo stop della traduzione. Livelli bassi di triptofano determinano l'appaiamento delle sequenze 2 e 3 e la corretta esecuzione della trascrizione.
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