Science is always wrong. It never solves a problem without creating ten more.

George Bernard

Shaw

Reglarea activităţii genelor

Genele sunt secvenţe de ADN care se transcriu în ARN.

Activitatea genelor poate fi reglată la orice nivel de la ADN la proteine.

Elementele reglatoare pot fi: Secvenţe de ADN care nu se transcriu în ARN dar

influenţează exprimarea genelor;

Proteine care se leagă de ADN şi care funcţie de structura lor pot fi grupate în mai multe clase.

Reglarea activităţii genelor la bacterii

Mediul în care bacteriile traiesc şi se reproduc nu este constant.

Prin procese evolutive au apărut şi s-au dezvoltat mecanisme ce compensează modificările ambientale permiţând bacteriilor să supravieţuiască într-o varietate de medii.

Una din căile prin care un organism se poate adapta la un nou mediu de viaţă este modificarea activităţii genelor astfel încât să se sintetizeze produşi adecvaţi noilor condiţii.

Într-o celulă bacteriană, genele a căror produşi participă la aceeaşi cale metabolică sunt grupate într-o unitate transcripţională numită operon.

De regulă un operon cuprinde: câteva gene structurale, un promotor pentru genele structurale şi un operator adică o secvenţă de ADN unde se poate lega produsul unei gene reglatoare.

Genele a căror activitate este reglată ca răspuns la nevoile unei celule se numesc gene reglabile.

Genele a căror produşi sunt necesari pentru creşterea şi diviziunea celulară, indiferent de mediu şi care sunt întotdeauna active sunt definite ca gene constitutive.

Prin legarea proteinelor reglatoare se poate fie activa, fie bloca transcrierea.

Există două tipuri principale de control la nivelul transacrierii:

Control pozitiv-proteina reglatoare (activatorul) se leagă de ADN iniţiind transcrierea;

Control negativ –proteina reglatoare (represorul) se leagă de ADN blocând transcrierea;

Unii operoni sunt inductibili – în mod normal transcrierea este blocată şi trebuie pornită.

Alţi operoni sunt represibili - în mod normal transcrierea este pornită şi trebuie blocată.

Operon inductibil

Operon represibil

Operoni inductibili

Genele a căror exprimare apare numai când în mediu pătrunde o substanţă numită inductor (ex. Lactoza) se numesc inductibile;

E. coli este capabilă să crească pe un mediu simplu ce conţine săruri şi o sursă de carbon precum glucoza.

Energia necesară pentru creştere şi diviziunea bacteriei provine din metabolismul glucozei.

Enzimele necesare metabolismului glucozei sunt codificate de gene constitutive.

Când în loc de glucoză, lactoza este disponibilă ca sursă de carbon, bacteria va sintetiza rapid enzime necesare metabolizării acestui glucid.

Enzimele vor fi sintetizate deoarece genele care le codifică vor fi transcrise şi traduse în prezenţa alolactozei.

Operonul lac la E. coli controlează transcrierea a 3 gene implicate în metabolismul lactozei:

lacZ – codifică β-galactozidaza care determină izomerizarea lactozei în alolactoză dar şi scindarea acesteia în glucoză şi galactoză;

lacY – codifică permeaza necesară pentru transportul lactozei din mediu de creştere în celulă;

lacA – codifică tiogalactozid transacetilaza.

Operonul lac este inductibil: o genă reglatoare produce un represor care se leagă de operator blocând transcrierea unor gene structurale.

Prezenţa alolactozei inactivează represorul permiţând transcrierea genelor structurale ale operonului lac.

În concluzie la operonul lac proteina represoare împiedecă transcrierea genelor structurale prin legarea sa de operator când inductorul nu este prezent.

Represorul exercită un efect negativ asupra exprimării genelor structurale motiv pentru care despre acest operon se spune că este sub control negativ (reglaj negativ).

S-a constatat insă că că există şi un sistem de reglaj pozitiv al operonului lac.

Acest sistem de reglaj pozitiv asigură exprimarea genelor structurale numai dacă lactoza este singura sursă de carbon dar nu şi în situaţia în care glucoza este şi ea prezentă.

Dacă în mediu sunt prezente atât glucoza cât şi lactoza, bacteria va utiliza prefenţial glucoza, iar genele structurale ale operonului lac nu vor fi exprimate.

În aceste condiţii operonul lac este represat datorită concentraţiei reduse a unei molecule ce exercită un reglaj pozitiv prin leagare de operon pentru a facilita transcrierea.

Molecula ce exercită un reglaj pozitiv este un complex format din proteina CAP (catabolite activator proteine) cu cAMP.

Acest complex se leagă de un situs de legare specific din ADN, facilitând ataşarea ARN polimerazei de promotor în prezenţa inductorului.

În prezenţa glucozei se manifestă aşa numitul efect al glucozei sau represia catabolitului.

Un produs de scindare al glucozei (un catabolit) determină o scădere rapidă a cAMP.

Cantitatea insuficientă de complex CAP-cAMP nu va mai facilita legarea ARN polimerazei de promotor.

Acest fapt ce va bloca transcrierea chiar dacă represorul nu este legat de secvenţa operatoare.

Operoni represibili

Aşa cum glucoza poate lipsi din mediu de creştere a bacteriilor, este posibil ca şi unii aminoacizi necesari sintezelor proteice să lipsească.

Dacă un aminoacid liseşte, bacteria posedă operoni capabili să sintetizeze acel aminoacid pentru a putea creşte şi a se putea reproduce.

Fiecare pas în căile de biosinteză a aminoacizilor este catalizat de o enzimă specifică, codificată de o genă specifică.

Când toţi cei 20 de aminoacizi sunt prezenţi, genele care codifică enzimele necesare sintezei lor, sunt inactive transcripţional.

Când un aminoacid lipseşte, transcrierea genelor ce codifică enzimele necesare sintezei lui va fi activată.

Spre deosebire de operonul lac în care activitatea genelor este declanşată când în mediu apare inductorul, în sistemul represibil, activitatea genelor este represtă când în mediu apare o moleculă numită corepresor.

Astfel de operoni se numesc represibili.

Un astfel de operon este trp care controlează sinteza

aminoacidului triptofan la E. coli.

Într-un operon represibil, transcrierea genelor este activa şi trebuie represată.

Represarea se realizează prin legarea triptofanului de represor care astfel devine activ.

Represorul activ se leagă de secvenţa operatoare împiedecând ARN polimeraza să transcrie genele structurale.

Un alt mecanism de reglare al operonului trp este atenuarea.

În atenuare, transcrierea este iniţiată dar este terminată prematur.

Reglajul pozitiv şi negativ la operonul arabinozei

La procariote, reglajul la nivelul transcrierii, nu este adesea, pur pozitiv sau pur negativ.

În multe cazuri par a fi suprapuse sau mixate diferite aspecte ale reglajelor pozitiv şi negativ, în diferite moduri.

Operonul arabinozei reprezintă un astfel de exemplu în care o singură proteină reglatoare ce se leagă de ADN poate funcţiona atât ca represor cât şi ca activator.

În prezenţa arabinozei, proteina AraC se leagă de regiunea araI.

Complexul CAP-cAMP se leagă de un situs adiacent regiunii araI.

Această legare stimulează transcrierea genelor araB, araA şi araD.

În absenţa arabinozei, proteina AraC se leagă atât de regiunea araI cât şi de regiunea araO fapt ce duce la formarea unei bucle de către molecula de ADN.

Această legare împiedecă transcrierea genelor structurale ale operonului.

ARN antisens şi reglajul genetic la procariote

O moleculă de ARN antisens este complementară unei secvenţe dintr-o moleculă de ARN sau ADN.

În celula bacteriană ea poate inhiba traducerea ARNm prin legarea de o secvenţă din regiunea 5’ UTR a ARNm împidecând legarea ARNm de ribozom.

La E. coli două gene, ompF şi ompC, produc proteine ce intră în structura membranei externe şi funcţionează ca pori de difuziune permiţând bacteriei să se adapteze la osmolaritatea externă.

În cea mai mare parte a condiţiilor cele două gene sunt transcrise şi traduse.

Când osmolaritatea mediului creşte, o genă reglatoare numită micF este activată, transcrisă şi ARNm pentru ea va apărea în citoplasmă.

ARN-ul pentru gena micF este de fapt un ARN antisens ce se leagă pe bază de complementaritate de o secvenţă din regiunea 5’ UTR a RNAm pentru gena ompF, împiedecând legarea acestuia de ribozom.