Espressione genica: operone lac

This illustration shows the DNA-double-helix, carrier of the genetic information. The genetic code contains the construction plan of proteins. Watson and Crick discovered this structure in 1953. --Only Italy-- LaPresse --

Introduzione

Qual è la differenza che intercorre tra un neurone e una cellula muscolare? Come fa il nostro organismo ad essere costituito da un’infinità di componenti diverse? Rispondere nel dettaglio a queste domande è sicuramente una delle imprese più difficili della biologia, ma una cosa è certa: ciò che permette al nostro organismo di funzionare, coordinarsi e differenziarsi è l’espressione genica ed in questo articolo ci focalizzeremo principalmente sull’operone lac.

Espressione genica

Oggi sappiamo che alla base del funzionamento di ogni cellula ci sono le proteine. Queste macromolecole di estrema complessità permettono ad una reazione di avvenire, ad un messaggio di venire trasmesso e ad una molecola di essere trasportata. Senza di esse la cellula altro non sarebbe che un inerte compartimento chiuso contenente il DNA; al contrario una cellula contenete tutte le proteine non avrebbe una specifica funzione.

La regolazione genica è ciò che permette di regolare selettivamente la sintesi di proteine e RNA. Essa è alla base del differenziamento, processo dovuto proprio alla sintesi di proteine e RNA diversi in tipi cellulari differenti.

La regolazione genica agisce su più livelli che riguardano sia la trascrizione che la traduzione, oltre che l’organizzazione genomica negli eucarioti. Dei numerosi e complessi meccanismi in questo articolo ne prenderemo in esame solo uno: l’operone lac.

Regolazione per induzione e repressione

Era il 1941 quando lo scienziato e filosofo J. L. Monod (1910-1976), attraverso lo studio di colture di Escherichia coli, osservò un particolare tipo di crescita che prende il nome di crescita diauxica. Egli si accorse che utilizzando un terreno contenente sia lattosio che glucosio il batterio utilizzava dapprima uno zucchero (glucosio) e inseguito, dopo una fase di latenza, l’altro zucchero (lattosio). Ipotizzò quindi l’esistenza di una dipendenza tra enzimi e substrato e di conseguenza la possibilità di spegnere e accendere i geni in risposta a condizioni esterne.

In questo grafico è possibile osservare (in rosso) la crescita  diauxica descritta da Monod.
Figura 2 – In questo grafico è possibile osservare (in rosso) la crescita diauxica descritta da Monod. Dapprima il batterio si replica utilizzando come substrato il glucosio fino al suo esaurimento, dopodiché si osserva un periodo stazionario in cui la crescita è nulla e infine l’utilizzo del lattosio con la conseguente ripresa (Credit immagine: studentidibiologia.it)

Operone lac

Il modello attuato per spiegare la crescita diauxica è il modello dell’operone lattosio (Nobel nel 1965 a Monod, Jacob e Lwoff). Questo modello richiama in sè sia un tipo di regolazione che prende il nome di regolazione per induzione sia un tipo di regolazione chiamata regolazione per repressione.

Per capire come funziona questo meccanismo dobbiamo anzitutto spiegare in cosa consiste un operone. Esso è un tratto di DNA che comprende:

  • un promotore: sito di inizio della trascrizione;
  • un operatore: sito a cui si lega una proteina regolatrice;
  • uno o più geni strutturali: nel caso del lattosio si tratta di tre geni che codificano tre enzimi che attraverso un’azione coordinata permettono l’utilizzo del lattosio (β-galattosidasi, β-galattoside-permeasi, β-galattoside-transacetilasi).

Quando E. coli si trova in assenza di lattosio, una proteina regolatrice che prende il nome di repressore lac si lega all’operatore, impedendo in questo modo alla RNA-polimerasi di trascrivere i geni strutturali. Quando invece il lattosio è presente, esso si lega al repressore sotto forma di alolattosio. Il repressore cosi legato non è in grado di legarsi al DNA e permette quindi la trascrizione dei geni. In questo modo il lattosio induce la sintesi degli enzimi.

Operone lac
Figura 3 – Struttura schematizzata dell’operone lac

Capito il motivo per cui il batterio è in grado di sintetizzare gli enzimi per il lattosio solo se questo è presente, dobbiamo capire perché questo non avviene fintanto che il glucosio è presente.

Il motivo è dovuto alla presenza di una seconda proteina regolatrice: la CRP. Questa proteina legandosi vicino al promotore aumenta la velocità trascrizionale che altrimenti risulterebbe troppo lenta.

La CRP deve essere però attivata da una seconda molecola (AMP ciclico) che è dipendente dalle fonti di carbonio. Mentre infatti la concentrazione di CRP è costante, l’AMP ciclico ha una concentrazione bassa in presenza di glucosio e aumentata quando questo diminuisce. Il glucosio reprime quindi la sintesi degli enzimi.

Conclusioni

Riassumiamo e semplifichiamo ora ciò che è stato detto. Il batterio E. coli in presenza di glucosio e lattosio utilizza dapprima il glucosio e inseguito il lattosio. A regolare questo meccanismo ci sono due diversi regolatori della trascrizione: il repressore lac e la CRP.

Quando il glucosio è presente, la CRP è inattiva e non permette la trascrizione dei geni per il lattosio. Una volta esaurito il glucosio, la CRP si attiva e contemporaneamente la presenza del lattosio inibisce l’azione del repressore lac permettendo quindi la trascrizione. Se non ci fosse questo doppio sistema di regolazione la sola assenza di glucosio porterebbe l’espressione dei geni per il lattosio anche quando questo non è presente, portando così ad uno spreco di risorse.

Capiamo quindi quanto anche un’azione batterica che ci sembra banale in realtà è finemente regolata.

Questo testo è consultabile anche come file audio in formato podcast.

Bibliografia

  • Biologia e microbiologia ambientale e sanitaria (Fiorin)
  • L’essenziale di biologia molecolare della cellula (Alberts)

Commenta per primo

Rispondi