PERCHE’ I BATTERI HANNO SUCCESSO • VERSATILITA’ METABOLICA • VELOCITA’ DI ADATTAMENTO ALLE VARIAZIONI AMBIENTALI Livia Leoni Università Roma Tre Dipartimento Biologia Laboratorio di Biotecnologie Microbiche Stanza 2.3
PERCHE’ I BATTERI HANNO SUCCESSO
• VERSATILITA’ METABOLICA
• VELOCITA’ DI ADATTAMENTO ALLE VARIAZIONI
AMBIENTALI
Livia Leoni
Università Roma TreDipartimento Biologia
Laboratorio di Biotecnologie MicrobicheStanza 2.3
PROTEINERNA
Regolazione dell’espressione genica
traduzionetrascrizione
DNA
Regolazione a livello della sintesi di RNA
Regolazione Post-trascrizionale(stabilità dell’mRNA e delle proteine)
Regolazione della attivitàenzimatica
INDUZIONEdi una via catabolica
REPRESSIONEdi una via anabolica
PROTEINERNA
Regolazione dell’espressione genica
traduzionetrascrizione
DNA
Regolazione a livello della sintesi di RNA
Regolazione Post-trascrizionale(stabilità dell’mRNA e delle proteine)
a) Legame RNA polimerasi
b) Riconoscimento promotore
c) Formazione complesso aperto
d) Inizi abortivi
e) Elongazione
Inizio della trascrizione
Core RNAPσ
σ
mRNA
a)
b)
c)
d)
e)
L’RNA puo’ formare strutture secondarie che possono avere varie funzioni
TERMINAZIONE DELLA TRASCRIZIONE rho-indipendente
Livello 1 : Il fattore sigma determina il riconoscimento specifico del promotore. Il fattore sigma 70 serve a trascrivere la maggioranza dei geni,
ma esistono anche fattori sigma alternativi che servono ad esprimere determinati gruppi di geni in risposta a specifici stimoli ambientali
I regolatori trascrizionali riconoscono e
legano il DNA a livello di specifiche sequenze. Spesso
sono proteine omodimeriche che
riconoscono sequenze
palindromiche
LIVELLO 2:Regolazione dell’espressione
attraverso proteine regolatrici
Nei procarioti, la maggioranza dei fattori trascrizionali
presentano un dominio helix-turn-helix di legame al DNA
LIVELLO 2:Regolazione dell’espressione attraverso proteine regolatrici
Caso 1A: Repressione mediata da induttore
La molecola induttore si lega al repressore e questo provoca una diminuzione dell’affinità di legame del
repressore al DNA (modificazione allosterica)Esempio: lac operone (operone del lattosio) !!!
LIVELLO 2:Regolazione dell’espressione attraverso proteine regolatrici
Caso 1B: Repressione mediata da co-repressore
La molecola co-repressore si lega al repressore e questo provoca un aumento dell’affinità di legame del repressore
al DNA (modificazione allosterica)Esempio: trp operone (operone del triptofano)!!!
LIVELLO 2:Regolazione dell’espressione attraverso proteine regolatrici
Caso 2: Attivazione
Caso 2A
Caso 2B
Ara C
-Ara reprime PBAD
+Ara induce PBAD
RNA pol
PBAD
AraC
AraC
PBAD
ALCUNI REGOLATORI POSSONO COMPORTARSI SIA DA ATTIVATORI CHE DA REPRESSORI
I SITI DI LEGAME PER GLI ATTIVATORI POSSONO TROVARSIDISTANTI DAL PROMOTORE
DNA-bending protein(e.g. IHF)
Specific binding site
PROTEINE ACCESSORIE POSSONO CONTRIBUIRE ALLA REGOLAZIONE DI UN PROMOTORE
SISTEMI A DUE COMPONENTI
Stimolo
PADP
PATP
INPUT HK
His
Sensore
Asp
REC BD
Regolatore
Risposta trascrizionale
Molecola segnale
Gene bersaglio
Attivatore trascrizionale
Bassa densità cellulare Alta densità cellulare
Quorum sensing: comunicazione tra cellule.regolazione di geni in funzione della densità cellulare
CURVA DI CRESCITA BATTERICA
Repressione da catabolita: curva di crescita diauxica
INDUZIONE di una via catabolica
ASSENZA DI LATTOSIO
PRESENZA DI LATTOSIO
La presenza di lattosio non basta ad attivare l’espressione dei geni lacLa curva diauxica mostra che, se è presente glucosio, il lattosio non
viene utilizzato
FENOMENO DELLA REPRESSIONE DA CATABOLITA
Il promotore dell’operone lac
Sito di legame dell’attivatore
Sito di legame della RNA polimerasi
Sito di legame del repressore
In assenza di glucosio aumental’attività dell’adenilato ciclasi e quindi i livelli di AMPc
PRESENZA DI SOLO GLUCOSIO = PIENA REPRESSIONE
Sito di legame dell’attivatore
Sito di legame della RNA polimerasi
Sito di legame del repressore
LacI
PRESENZA DI SOLO LATTOSIO = PIENA INDUZIONE
Sito di legame dell’attivatore
Sito di legame della RNA polimerasi
Sito di legame del repressoreCAP
AMPc LacI
Lattosio
PRESENZA DI LATTOSIO E GLUCOSIO=MANCATA ATTIVAZIONE
Sito di legame dell’attivatore
Sito di legame della RNA polimerasi
Sito di legame del repressoreCAP
AMPc LacI
Lattosio
•I livelli cellulari di AMP ciclico aumentano in assenza di glucosio•AMPc è il co-induttore dell’attivatore CAP•In presenza di lattosio + glucosio i geni lac non sono indotti perchéCAP non puo’ attivare•L’operone è trascritto solo in presenza di lattosio ed assenza diglucosio
REPRESSIONE DA CATABOLITA
LA PROTEINA CAP E’ UN REGOLATORE GLOBALE
REPRESSIONE di una via anabolica
L’RNA puo’ formare strutture secondarie che possono avere varie funzioni
TERMINAZIONE DELLA TRASCRIZIONE rho-indipendente
Nell’mRNA del peptide leader ci sono delle regioni che possono formare una forcina di terminazione
della trascrizione.
Il ribosoma inizia a tradurre il peptide leader,Se c’è Trp sufficiente, il ribosoma prosegue. Nel frattempo la RNAP sintetizza l’mRNA e si forma una forcina di terminazione tra la
regione 3 e 4 dell’ mRNA del peptide leader
Il ribosoma inizia a tradurre il peptide leader,Se NON c’è Trp sufficiente, il ribosoma rallenda e si ferma sulla regione 1. Nel frattempo la RNAP sintetizza l’mRNA e si forma una forcina tra la regione 2 e 3 dell’ mRNA del peptide leader, QUESTO IMPEDISCE LA FORMAZIONE DELLA FORCINA DI TERMINAZIONE TRA LA REGIONE 3 E LA 4LA TRASCRIZIONE CONTINUA
ATTENUAZIONE
EnvZOmpFOmpC
Bassa osmolaritàAlta osmolarità
Poro piccolo Poro grande
OmpROmpR lega il DNA solo quando è fosforilata e funziona da attivatore o darepressore a seconda di quali siti occupa sul DNA.
La quantità di OmpR fosforilata è determinata dalla percezione dellapressione osmotica da parte della kinasi EnvZ.
La quantità della proteina OmpR fosforilata nella cellula determina qualeproteina tra OmpF e OmpC viene prevalentemente espressa.
Lo stesso regolatore trascrizionale può agire sia da repressore che da attivatore
OmpR
EnvZOmpF
BASSA OSMOLARITA’ (ambiente)EnvZ non è stimolata
FosforilazioneOmpR a livello basale
ATTIVAZIONEOmpF
OmpC
Sito di legame ad alta affinità Sito di legame a bassa affinità
OmpCPREVALE
OmpR
EnvZ stimolata
OmpC
OmpC
ALTA OSMOLARITA’ (intestino)
Fosforilazione
ATTIVAZIONE
REPRESSIONEOmpF
Sito di legame ad alta affinità Sito di legame a bassa affinità
OmpFPREVALE
OmpR
mRNA per OmpF
EnvZ
sintesi di OmpC
micF RNA174 b
OmpC
REGOLAZIONE MEDIATA DA RNA ANTISENSO Alta osmolarità (intestino)
Fosforilazione
Temperature elevateStress ossidativo/Tossico
UNITA’ TRASCRIZIONALI
SINGOLO GENE
OPERONE
REGULONE/MODULONE
REGOLAZIONE GLOBALE
Il regulone
Il regulone è l’insieme di più geni o operoni sotto il controllo della stessa proteina regolatrice. I geni che lo costituiscono sono implicati nello stesso
pathway
Gene o operone localizzazionearg A 60 minarg B-C-E-H 88 min
arg D 72.5 minarg F 6 minarg G 68 min
Il regulone per la biosintesi dell’arginina
Esempio di regulone sottoposto a controllo negativo: tutti i geni per la catena biosintetica dell’arginina sono regolati da un repressore
Sistemi di controllo globale dell’espressione genica
Un batterio può regolare molti geni diversi simultaneamente in risposta a cambiamenti ambientali. Spesso più operoni o reguloni diversi possono essere
attivati o disattivati
Il regulone è l’insieme di più geni o operoni sotto il controllo della stessa proteina regolatrice. I geni che lo costituiscono sono implicati nello stesso
pathway
Se geni e operoni appartengono a pathway differenti si parla di moduloni
ESEMPI: regolazione mediante fattori sigma alternativirisposta SOS
repressione da catabolitaQUORUM SENSING
RETI REGOLATIVE
hcnABCD DNA
The cyanide operon is an example of complex regulation
LasRI
RhlIRRsaL
ANR
RsmZ/Y
hcnABCD mRNA
GacAGacSOther QS regulators
RsmA