I Procarioti regolano l'espressione genica soprattutto a livello di trascrizione per rispondere ai cambiamenti ambientali mediante:
- la subunità sigma,
- la regolazione positiva e negativa della trascrizione: operone,
- il controllo della terminazione.
La subunità sigma
L'RNA polimerasi batterica richiede la subunità σ per iniziare la trascrizione, in quanto ha il compito di riconoscere il promotore. Alcuni gruppi di geni hanno promotori particolari che sono riconosciuti da fattori σ alternativi. Si tratta di geni la cui attivazione è richiesta in condizioni ambientali particolari, come la carenza di azoto o l'esposizione alle alte temperature.
L'operone
Il termine "operone" indica un gruppo di geni adiacenti e controllati in modo coordinato (cioè attivati o inattivati), aventi in comune il promotore e le sequenze regolatrici.
Un operone comprende i seguenti elementi:
- il promotore (P), cioè il sito dove all'inizio si lega la RNA polimerasi;
- l'operatore (O), una sequenza di nucleotidi posta dopo il promotore, al quale si lega un repressore o un attivatore;
- due o più geni strutturali per la sintesi degli enzimi, e si trovano dopo l'operatore;
- un gene regolatore (I), che può trovarsi in qualsiasi punto del cromosoma batterico, il quale codifica per una proteina, il repressore, che si lega all'operatore (in realtà non appartiene propriamente all'operone).
L'operone viene trascritto tutto insieme, formando un unico mRNA che ha segnali di inizio e di fine per delimitare le informazioni relative alle diverse proteine.
Si possono individuare i seguenti tipi di regolazione.
- Regolazione negativa negli operoni inducibili. Una proteina repressore è normalmente legata all'operatore e blocca la trascrizione dei geni strutturali poiché, ostacolando il promotore, impedisce all'RNA polimerasi di legarsi al DNA o, se si lega, non può spostarsi lungo i geni. Se è presente una molecola, chiamata induttore, questa si attacca al repressore e, modificandone la forma, lo inattiva e lo stacca dall'operatore e così si può avviare la trascrizione. Gli operoni inducibili controllano generalmente nelle vie cataboliche, attivate dal substrato.
- Regolazione negativa negli operoni reprimibili. In questo caso i geni strutturali sono normalmente attivi e avviene la trascrizione, mentre il repressore, pur essendo prodotto, è inattivo. Questo si attiva in presenza di una molecola, detta corepressore, la quale, modificando la conformazione del repressore, lo rende capace di legarsi all'operatore e di bloccare quindi la trascrizione. Gli operoni reprimibili controllano in genere le vie anaboliche, attivate dal prodotto.
- Regolazione positiva negli operoni inducibili. Una proteina attivatrice dopo essere stata attivata da alcune molecole (coattivatori), si lega in un sito del DNA a una certa distanza dal promotore e favorisce la trascrizione dei geni strutturali che, in condizioni normali non sono espressi.
- Regolazione positiva degli operoni reprimibili. I geni strutturali sono espressi in condizioni normali. Alcune molecole, legandosi all'attivatore, ne modificano la forma rendendolo inattivo e dunque la trascrizione viene bloccata.
L'operone lac, di Escherichia coli è un caso di regolazione negativa di operone inducibile.
La presenza esclusiva di lattosio nella cellula batterica comporta l'attivazione di tre enzimi diversi per la sua metabolizzazione. I geni che codificano per questi tre enzimi (Z, Y, A) sono allineati e producono proteine correlate dal punto di vista funzionale.
Il gene regolatore (I) produce in continuazione la proteina repressore, che ha due siti di legame: uno per legarsi all'operatore e l'altro al lattosio.
Il repressore è normalmente legato all'operatore e ciò impedisce stericamente all'RNA polimerasi di formare un legame con il promotore, poiché esiste una leggera sovrapposizione tra il promotore e l'operatore e di conseguenza non può iniziare la trascrizione.
Se è presente il lattosio, una di queste molecole si comporta da induttore; questo si lega al repressore il quale, cambiando forma, si stacca dall'operatore; l'RNA polimerasi, non trovando ostacoli, può dare avvio alla trascrizione dei geni che codificano gli enzimi.
Quando tutto il lattosio presente nella cellula è stato demolito, il repressore, non avendo più legato il lattosio, riprende la sua forma e si colloca nuovamente sull'operatore bloccando la trascrizione.
La regolazione negativa di operone reprimibile la possiamo osservare nell'operone trp di Escherichia coli che regola la sintesi di triptofano. Contrariamente all'operone lac, il repressore dell'operone trp è inattivo quando è libero e si attiva in presenza di triptofano, che funziona da corepressore.
L'operone comprende:
- il promotore (P),
- l'operatore (O),
- la regione leader (L), contenente un sito attenuatore (A),
- cinque geni strutturali E, D, C, B, A.
Il gene regolatore (I) produce continuamente il repressore, che ha un sito di legame per l'operatore e uno per il triptofano, ma non è attivo. La cellula perciò trascrive i cinque geni per la produzione degli enzimi necessari alla sintesi del triptofano.
Se però il triptofano è presente nell'ambiente, la cellula smette di produrlo per assorbire quello disponibile. Infatti, il triptofano, agendo da corepressore, modifica la conformazione del repressore, il quale può ora legarsi all'operatore, impedendo l'accesso dell'RNA polimerasi.
Un secondo meccanismo di regolazione del triptofano coinvolge l'attenuatore che si trova nella regione leader. L'operone, in presenza di un prodotto finale (in questo caso il triptofano), provoca alterazioni della struttura secondaria dell'mRNA, portando alla terminazione prematura della trascrizione.
Un caso di regolazione positiva lo abbiamo ancora con l'operone lac. L'RNA polimerasi ha una scarsa affinità con il promotore anche quando l'operatore è privo del repressore perché inattiva. Per questo tipo di situazioni intervengono proteine attivatrici che facilitano l'avvio della trascrizione. Nel caso specifico è la proteina CAP, prodotta da un gene posto a una certa distanza nel genoma, che ha questo ruolo. Per funzionare, la proteina CAP deve a sua volta essere attivata dall'AMP ciclico (cAMP), formando il complesso CAP-cAMP.
Quando vi è scarsità di glucosio, l'cAMP aumenta e può legarsi alla CAP, attivandola. Il complesso si posiziona in un sito del DNA posto prima del promotore, provocandone un ripiegamento che favorisce l'attacco dell'RNA polimerasi al promotore.
Controllo della terminazione
Anche in questa fase ci può essere un controllo dell'espressione genica. In particolari condizioni, la trascrizione già iniziata non viene portata a termine per cui si ottiene un mRNA non in grado di produrre un polipeptide funzionante.