L’operone lac – un sistema inducibile

Il primo sistema di controllo per la produzione di enzimi elaborato a livello molecolare descriveva il controllo degli enzimi che vengono prodotti in risposta alla presenza dello zucchero lattosio nella cellula E. coli. Il lavoro fu eseguito da Jacob e Monod per il quale ricevettero il premio Nobel. Il seguente è il percorso che porta alla produzione di glucosio e galattosio.

Lactose -----------------------------------> Glucose + Galactose
ß-galactosidase

Diverse proteine coinvolte nel metabolismo del lattosio nella cellula E. coli.Esse sono:

  • ß-galattosidasi – converte il lattosio in glucosio e galattosio
  • ß-galattoside permeasi – trasporta il lattosio nella cellula
  • ß-galattoside transacetilasi – funzione sconosciuta

La ricerca con questo sistema è stata notevolmente aggiunta dalla disponibilità di mutanti costitutivi. Un mutante costitutivo è un mutante in cui il prodotto genico è prodotto continuamente, cioè non c’è controllo sulla sua espressione. In questi mutanti, le proteine di cui sopra sono state prodotte tutto il tempo in confronto al tipo selvaggio dove le proteine apparivano solo in presenza di lattosio. Quindi in questi mutanti, la mutazione deve essere un gene diverso da quelli responsabili dei geni strutturali. Insieme formano un operone. La struttura genetica dell’operone è la seguente.

Circuito di controllo dell’operone lac

 I P O || Z | Y | A |_________________________________________________________
Controlling || Structural genes
Region
Gene dell’operone lac Gene Funzione

I

Gene della proteina repressore

P

Promotore

O

Operatore

lac Z

Gene per ß-galattosidasi

lac Y

Gene per la ß-galattoside permeasi

lac A

Gene per la ß-galattoside transacetilasi

Operone – un gruppo di geni strutturali che sono espressi in gruppo e il loro promotore e operatore associato

Come funziona il sistema? Senza lattosio nella cellula, la proteina repressore si lega all’operatore e impedisce la lettura della RNA polimerasi nei tre geni strutturali. Con il lattosio nella cellula, il lattosio si lega al repressore. Questo causa un cambiamento strutturale nel repressore e perde la sua affinità per l’operatore. Così la RNA polimerasi può legarsi al promotore e trascrivere i geni strutturali. In questo sistema il lattosio agisce come una molecola effettrice.

Molecola effettrice – una molecola che interagisce con il repressore e influenza l’affinità del repressore per l’operatore

Con le informazioni di cui sopra, possiamo ora prevedere l’effetto che vari mutanti avranno sull’espressione del gene operone lac.

gene lac mutante Fenotipo mutante

I-

espressione costitutiva perché l’operatore non è mai chiuso

O-

espressione costitutiva perché la proteina repressore non può legarsi

P-

nessuna espressione dell’operone perché la RNA polimerasi non può legare

lac Z-

nessuna produzione di glucosio o galattosio dal lattosio

lac Y-

nessuna induzione perché il lattosio non sarà preso nella cellula

Repressione del catabolita dell’operone lac

Il lattosio non è la fonte di carboidrati preferita da E. coli. Se sono presenti lattosio e glucosio, la cellula utilizzerà tutto il glucosio prima che l’operone lac sia attivato. Questo tipo di controllo è definito repressione del metabolismo. Per prevenire il metabolismo del lattosio, esiste un secondo livello di controllo dell’espressione genica. Il promotore dell’operone lac ha due siti di legame. Un sito è il luogo in cui si lega la RNA polimerasi, il secondo è il sito di legame per un complesso tra la proteina cataboliteactivator (CAP) e l’AMP ciclico (cAMP). Il legame del complesso CAP-cAMP al sito del promotore è richiesto per la trascrizione dell’operone lac. La presenza di questo complesso è strettamente associata alla presenza di glucosio nella cellula. Quando la concentrazione di glucosio aumenta, la quantità di cAMP diminuisce. Quando il cAMP diminuisce, la quantità di complesso diminuisce. Questa diminuzione del complesso inattiva il promotore e l’operone lac si spegne. Poiché il complesso CAP-cAMP è necessario per la trascrizione, il complesso esercita un controllo positivo sull’espressione dell’operone lac.