Operone
In biologia si definisce operone un insieme di geni che vengono regolati insieme. L'organizzazione dei geni in operoni è un elemento fondamentale nella regolazione genica dei procarioti: gli operoni contengono infatti, oltre ai geni che devono essere trascritti, sequenze particolari, denominate siti di controllo, che con vari meccanismi regolano l'espressione dei geni dell'intero operone. Gli operoni sono comuni alla maggior parte dei procarioti, ma sono assenti negli eucarioti, che possiedono meccanismi di regolazione diversi.
Esempio di operone: l'operone lac
Il primo operone a essere studiato fu l'operone lattosio, o operon lac, del batterio Escherichia coli. Questo operone è un buon modello per illustrare la struttura e il funzionamento generale di una grande maggioranza di operoni.
Struttura dell'operone lac
L'operone lac produce gli enzimi necessari per l'utilizzazione del lattosio da parte del batterio E. coli: tali enzimi vengomo codificati da tre geni strutturali adiacenti: LacZ, LacY e LacA, anche chiamati più semplicemente z, y e a.
- LacZ, o semplicemente z, codifica per l'anzima β-galattosidasi, che scinde il lattosio, un disaccaride, in due monosaccaridi più semplici che possono essere utilizzati dal batterio.
- LacY, o semplicemente Y, codifica per la lattosio permeasi, un enzima che permette al lattosio di attraversare la membrana cellulare del batterio.
- LacA, che codifica per l'enzima transacetilasi, la cui funzione non è ancora chiara.
Questi geni sono adiacenti all'interno dell'operone, e vengono trascritti in un solo mRNA, detto mRNA poligenico o policistronico, che viene poi tradotto nei tre enzimi. I geni strutturali sono poi preceduti, nell'ordine, dalle sequenze p1, p2 e o, e queste sono precedute a loro volta dalla sequenza LacI.
- p1 viene chiamato anche sito CAP, ed è il luogo in cui la proteina CAP, detta anche CRP, si lega (vedi sotto).
- p2 è il promotore dell'operone: il sito a cui si lega la RNA polimerasi, l'enzima che effettua la trascrizione.
- LacO, o semplicemente o, è definito gene operatore e ha la capacità di legare una particolare proteina, detta proteina repressore, che impedisce la trascrizione dell'operone.
- LacI, o semplicemente i, è il gene regolatore: esso sintetizza la proteina repressore, che legandosi al gene operatore impedisce la trascrizione dell' operone.
Questi elementi interagendo tra di loro permettono la regolazione della trascrizione dei geni dell'operone, permettendo in definitiva alla cellula batterica di controllare l'espressione dei propri geni.
Regolazione dell'operone lac
E. coli è un batterio capace di utilizzare come fonte di carbonio sia il glucosio che il lattosio. Tuttavia, lo zucchero più adatto al suo metabolismo è il glucosio, tanto che se il batterio cresce in un substrato che presenta entrambi gli zuccheri, utilizza unicamente il glucosio. Tuttavia, se il batterio si trova a crescere in un ambiente in cui è presente unicamente il lattosio, immediatamente sintetizza gli enzimi necessari a metabolizzarlo. Il batterio possiede perciò un meccanismo di regolazione che consente l'espressione di alcuni geni solo quando ne avverte il bisogno, e impedisce la produzione di enzimi e proteine non strettamente necessarie.
Le sequenze p1, p2, o e i dell'operone di E. coli hanno un ruolo fondamentale in questo processo. La sequenza p2 serve per l'attacco della Rna polimerasi, l'enzima che effettua la trascrizione. Questa, dopo essersi legata, scorre a valle e, giunta all'inizio del gene z, comincia a trascrivere i tre geni strutturali in un mRNA. In assenza di glucosio, tuttavia, la trascrizione non avviene: il gene i (che non è adiacente) produce a ritmo costante una proteina, il repressore, che quando si lega al gene operatore o impedisce alla polimerasi di trascrivere l'operone.
Quando però nell'ambiente è presente il lattosio, questo si lega alla proteina repressore impedendone il legame con l'operatore: è così possibile la trascrizione dell'operone.
Anche in presenza di lattosio, la trascrizione dell'operone è scarsa finché è presente in quantità il glucosio, lo zucchero più facilmente utilizzabile da parte di E. coli. Quando il glucosio scarseggia viene prodotto AMP ciclico (cAMP), una molecola che in tutti gli organismi funziona come segnale di carenza energetica. Il cAMP legandosi alla Crp (proteina recettrice del cAmp) -chiamata in inglese proteina CAP (Catabolite Activator Protein) la rende in grado di legarsi, tra l'altro, alla sequenza p1 stimolando notevolmente la trascrizione dell'operone. Riassumiamo le situazioni possibili:
- In presenza di glucosio e lattosio, il repressore è inattivo ma lo è anche la cRp, per cui vi è una trascrizione moderata.
- In presenza di glucosio ma non di lattosio, il repressore è attivo e la cRp inattiva, per cui non vi è trascrizione.
- In assenza di glucosio e di lattosio, il repressore e la cRp sono entrambi attivi e non vi è trascrizione.
- In presenza di lattosio e assenza di glucosio, il repressore è inattivo e la cRp è attiva, per cui l'operone viene espresso al massimo.
La regolazione dell'operone lac, in cui la presenza di una determinata sostanza induce la produzione di determinati enzimi in risposta è detta regolazione positiva, o a feedback positivo.
Altri operoni sono regolati in modo più o meno diverso. Ad esempio, loperone istidina, che contiene i geni degli enzimi per la biosintesi dell'amminoacido in questione, ha un repressore che viene attivato dal legame con l'istidina: in questo modo non viene sintetizzata una sostanza quando è già presente in quantità adeguata (regolazione negativa o a feedback negativo).