PERCHE I BATTERI HANNO SUCCESSO

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1 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

2 Regolazione dell espressione genica DNA trascrizione RNA traduzione PROTEINE Regolazione a livello della sintesi di RNA Regolazione Posttrascrizionale (stabilità dell mrna e delle proteine) Regolazione della attività enzimatica

3 INDUZIONE di una via catabolica REPRESSIONE di una via anabolica

4 Regolazione dell espressione genica DNA trascrizione RNA traduzione PROTEINE Regolazione a livello della sintesi di RNA Regolazione Posttrascrizionale (stabilità dell mrna e delle proteine)

5 Inizio della trascrizione σ Core RNAP a) b) c) a) Legame RNA polimerasi b) Riconoscimento promotore c) Formazione complesso aperto d) e) σ mrna d) Inizi abortivi e) Elongazione

6 L RNA puo formare strutture secondarie che possono avere varie funzioni TERMINAZIONE DELLA TRASCRIZIONE rho-indipendente

7 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

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9 LIVELLO 2: Regolazione dell espressione attraverso proteine regolatrici I regolatori trascrizionali riconoscono e legano il DNA a livello di specifiche sequenze. Spesso sono proteine omodimeriche che riconoscono sequenze palindromiche

10 Nei procarioti, la maggioranza dei fattori trascrizionali presentano un dominio helixturn-helix di legame al DNA

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12 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)!!!

13 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)!!!

14 LIVELLO 2: Regolazione dell espressione attraverso proteine regolatrici Caso 2: Attivazione Caso 2A Caso 2B

15 ALCUNI REGOLATORI POSSONO COMPORTARSI SIA DA ATTIVATORI CHE DA REPRESSORI Ara C AraC -Ara +Ara reprime PBAD induce PBAD P BAD AraC RNA pol P BAD

16 I SITI DI LEGAME PER GLI ATTIVATORI POSSONO TROVARSI DISTANTI DAL PROMOTORE

17 PROTEINE ACCESSORIE POSSONO CONTRIBUIRE ALLA REGOLAZIONE DI UN PROMOTORE DNA-bending protein (e.g. IHF) Specific binding site

18 SISTEMI A DUE COMPONENTI Stimolo INPUT HK Sensore His ATP P ADP P Asp REC Regolatore BD Risposta trascrizionale

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20 Quorum sensing: comunicazione tra cellule. regolazione di geni in funzione della densità cellulare Molecola segnale Attivatore trascrizionale Gene bersaglio Bassa densità cellulare Alta densità cellulare

21 CURVA DI CRESCITA BATTERICA

22 Repressione da catabolita: curva di crescita diauxica

23 INDUZIONE di una via catabolica

24 ASSENZA DI LATTOSIO La presenza di lattosio non basta ad attivare l espressione dei geni lac La curva diauxica mostra che, se è presente glucosio, il lattosio non viene utilizzato PRESENZA DI LATTOSIO FENOMENO DELLA REPRESSIONE DA CATABOLITA

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26 Il promotore dell operone lac Sito di legame del repressore Sito di legame dell attivatore Sito di legame della RNA polimerasi

27 In assenza di glucosio aumenta l attività dell adenilato ciclasi e quindi i livelli di AMPc

28 PRESENZA DI SOLO GLUCOSIO = PIENA REPRESSIONE LacI Sito di legame del repressore Sito di legame dell attivatore Sito di legame della RNA polimerasi

29 PRESENZA DI SOLO LATTOSIO = PIENA INDUZIONE AMPc CAP LacI Lattosio Sito di legame del repressore Sito di legame dell attivatore Sito di legame della RNA polimerasi

30 PRESENZA DI LATTOSIO E GLUCOSIO=MANCATA ATTIVAZIONE AMPc CAP LacI Lattosio Sito di legame del repressore Sito di legame dell attivatore Sito di legame della RNA polimerasi

31 REPRESSIONE DA CATABOLITA 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 perché CAP non puo attivare L operone è trascritto solo in presenza di lattosio ed assenza di glucosio LA PROTEINA CAP E UN REGOLATORE GLOBALE

32 REPRESSIONE di una via anabolica

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34 L RNA puo formare strutture secondarie che possono avere varie funzioni TERMINAZIONE DELLA TRASCRIZIONE rho-indipendente

35 Nell mrna del peptide leader ci sono delle regioni che possono formare una forcina di terminazione della trascrizione.

36 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

37 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 4 LA TRASCRIZIONE CONTINUA

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39 ATTENUAZIONE

40 Lo stesso regolatore trascrizionale può agire sia da repressore che da attivatore Alta osmolarità OmpC EnvZ Bassa osmolarità OmpF Poro piccolo Poro grande OmpR OmpR lega il DNA solo quando è fosforilata e funziona da attivatore o da repressore a seconda di quali siti occupa sul DNA. La quantità di OmpR fosforilata è determinata dalla percezione della pressione osmotica da parte della kinasi EnvZ. La quantità della proteina OmpR fosforilata nella cellula determina quale proteina tra OmpF e OmpC viene prevalentemente espressa.

41 OmpC BASSA OSMOLARITA (ambiente) EnvZ non è stimolata EnvZ PREVALE OmpF Fosforilazione OmpR a livello basale OmpR OmpC ATTIVAZIONE OmpF Sito di legame a bassa affinità Sito di legame ad alta affinità

42 ALTA OSMOLARITA (intestino) PREVALE OmpC EnvZ stimolata OmpF Fosforilazione ATTIVAZIONE OmpC OmpR REPRESSIONE OmpF Sito di legame ad alta affinità Sito di legame a bassa affinità

43 REGOLAZIONE MEDIATA DA RNA ANTISENSO Alta osmolarità (intestino) OmpC EnvZ Fosforilazione sintesi di OmpC OmpR Temperature elevate Stress ossidativo/tossico 174 b micf RNA mrna per OmpF

44 UNITA TRASCRIZIONALI SINGOLO GENE OPERONE REGULONE/MODULONE REGOLAZIONE GLOBALE

45 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

46 Il regulone per la biosintesi dell arginina Gene o operone arg A arg B-C-E-H arg D arg F arg G localizzazione 60 min 88 min 72.5 min 6 min 68 min Esempio di regulone sottoposto a controllo negativo: tutti i geni per la catena biosintetica dell arginina sono regolati da un repressore

47 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 alternativi risposta SOS repressione da catabolita QUORUM SENSING

48 RETI REGOLATIVE

49 The cyanide operon is an example of complex regulation GacS GacA LasRI Other QS regulators RsaL RhlIR RsmZ/Y ANR RsmA hcnabcd DNA hcnabcd mrna

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