Curs 9 Genetic

REGLAREA ACTIVITII GENICE

Necesitatea reglajului activitii genelor, att n celula procariot ct i n cea eucariot , este

determinat de faptul c la un moment dat funcioneaz numai o mic parte din totalitatea genelor.

Astfel, n celula bacterian se aproximeaz c, n condiii determinate de mediu, nu se sintetizeaz

dect cca 1 % din totalitatea proteinelor structurale i enzimelor pentru care exist informaie genetic

n genom. Ca urmare, cantitatea de proteine i n special de enzime sintetizate n celule nu este

constant n timp, ci se afl sub controlul unui mecanism de reglare genetic. n cazul eucariotelor

superioare, numai cca 7 10 % din secvenele de ADN din genom sunt transcrise n ARN.

Mecanismele de reglare reprezint deci un sistem de coordonare prin care se face selecia

adecvat, n raport cu mediul, a informaiei genetice care urmeaz a fi exprimat fenotipic.

Mesajul selectat reprezint doar o parte din totalul informaiei pstrat i transmis ereditar de

genom, ceea ce nseamn c exist molecule semnal care controleaz rata de transcriere a unor

molecule specifice de ARNm (control transcripional). Dup selecia genelor, urmeaz transcrierea

informaiei genetice purtat de acestea, n vederea sintezelor proteice dup un program codificat de

gene, apoi realizarea echilibrat cantitativ a acestor sinteze i desfurarea reaciilor ce implic

activitatea catalitic a proteinelor sintetizate (control translaional). Reglarea activitii genelor,

intrarea lor n funciune dup un program riguros controlat este evident att la procariote ct i la

eucariote.

La eucariote, dezvoltarea i diferenierea celular este legat de transcrierea selectiv a

informaiei genetice de la nivel celular. La aceste organisme apar diferenieri celulare specifice ce nu

pot fi explicate dect admind faptul c unele gene funcioneaz permanent, n timp ce altele

funcioneaz difereniat, n anumite momente specifice ale ontogenezei.

n sinteza proteinelor exist, n general, dou tipuri de control:

- Controlul adaptativ este dependent de condiiile de mediu care determin activarea unei

anumite pri din mesajul genetic (nefolosit pn n acel moment), fcnd s fie sintetizate

enzimele necesare celulei n acel moment i s fie blocat sinteza enzimelor ce nu sunt

necesare n momentul respectiv;

- Controlul programat este indirect influenat de mediu, conducnd la funcionarea constant

a genelor i la sinteza de proteine n cantitate aproape constant n tot timpul vieii

organismului respectiv.

1

REGLAREA EXPRIMRII GENELOR LA PROCARIOTE

Mecanismele de reglare a activitii genelor au fost cel mai bine studiate la bacterii.

Teoria reglrii genetice la procariote a fost elaborat de geneticienii francezi F. Jacob i J.

Monod, n 1961. Ei au demonstrat experimental i teoretic c sinteza proteinelor i respectiv a

enzimelor celulare, nu este constant n timp ci variaz n funcie de necesitile celulei.

n funcie de mecanismele moleculare i de efectele acestora, procesele de reglare a activitii

genice pot fi grupate n dou mari categorii: reglare pozitiv i reglare negativ.

Reglarea pozitiv - reglarea genetic se realizeaz prin activarea unor gene n prezena unei

molecule efector care poate fi o protein, o molecul activator de mici dimensiuni sau un complex

molecular. Acest sistem , n anumite situaii, necesit prezena AMPc i a proteinei CRP (proteina

de legare, receptor, a AMPc), care iniiaz transcrierea genetic.

n sistemul de reglare negativ n celul este prezent un inhibitor care mpiedic

transcrierea. Acest inhibitor (represor) interacioneaz cu o anumit regiune plasat n faa

genelor reglate. Pentru iniierea transcrierii este necesar prezena unui antagonist al inhibitorului,

numit inductor.

Reglarea operonului lactozei la Escherichia coli (operonul lac)

Cercetrile privind reglarea genetic la procariote, au dus la concluzia c genele care acioneaz

asupra unei ci metabolice nu au o activitate independent ci fac parte din uniti mai mari

denumite operoni ce funcioneaz coordonat.

Un operon este o unitate funcional alctuit dintr-o secven de nucleotide ce include: un promotor, un operator i una sau mai multe gene structurale care sunt transcrise ntr-un

ARNm policistronic (o molecul de ARNm codific pentru mai mult dect o protein).

Un promotor este o secven de ADN, reprezint situsul de recunoatere a enzimei ARN

polimeraza care are rol n procesul de iniiere a transcrierii. n sinteza ARN, promotorul indic

care gene ar trebui utilizate pentru sinteza ARNm, i prin alungire (elongare), controleaz ce

proteine vor fi sintetizate.

Un operator este un segment de ADN, care regleaz activitatea genelor structurale din

cadrul operonului, prin interaciunea cu un represor sau un inductor specific.

Primul operon, descris de ctre F. Jacob, D. Perrin, C. Sanchez and J. Monod n 1960, a fost

operonul lac de la Escherichia coli.

La E. Coli se consider a fi cca 200 de operoni, dintre care numai activitatea unora este mai

bine cunoscut.

2

Astfel, la E. Coli, posibilitatea utilizrii lactozei din mediu i a metabolizrii ei, se realizeaz

cu ajutorul a 3 enzime:

- galactozid permeaza (localizat n membrana celulei bacteriene asigur permeabilizarea

acesteia, facilitnd trecerea lactozei n celula bacterian) si

- galactozidaza (localizat n citoplasma bacterian, cliveaz lactoza la glucoz i galactoz

fig. 1).

n cadrul metabolismului celular mai intervine tiogalactozid transacetilaza (care n mod

normal, are rol de acetilare a lactozei i a altor galactozide cu ajutorul acetil- CoA).

Fig. 1. Lactoza si produsii de clivare

Sinteza acestor 3 enzime este determinat de 3 gene structurale: lac Z codific -

galactozidaza , lac Y codific - galactozid permeaza i lac A- codific tiogalactozid transacetilaza.

n absena lactozei din mediu, genele structurale care determin sinteza celor 3 enzime

sunt inactive.

Dac ns se adaug lactoz n mediu, cele 3 gene sunt rapid activate i ncep sinteza celor

3 enzime. Activitatea celor 3 gene structurale este controlat de o gen reglatoare lac I, care acioneaz

asupra lor prin intermediul unui represor.

n absena lactozei, gena reglatoare sintetizeaz o protein represoare care se cupleaz cu un

segment de ADN denumit operator dispus naintea celor 3 gene structurale, blocnd astfel activitatea

genelor respective.

Operonul lac (fig. 2) este alctuit din cele 3 gene structurale (lac Z, lac Y, lac A) i o serie de elemente reglatoare reprezentate de:

Represor o protein codificat de gena lac I gena reglatoare, situat de regul

separat de operonul a crei activitate o regleaz; are 2 situsuri de recunoatere: unul

pentru lactoz i compuii si i altul pentru operonul lactozei.

3

Promotorul (p) reprezentat de o secven de nucleotide care are rol de loc de

recunoatere pentru enzima ARN polimeraza, determinnd astfel iniierea transcrierii;

Operatorul (o) o secven de nucleotide care servete ca un situs de recunoatere i

de legare pentru represorul specific operonului.

Fig. 2. Operonul lac

Prin transcrierea operonului lac se formeaz o molecul de ARNm ce copiaz informaia de pe

catena sens. Acest ARNm policistronic conine mai multe semnale start pentru iniierea traducerii.

Transcrierea genetic a operonului lac este controlat att pozitiv ct i negativ.

Inducia, represia i retroinhibiia enzimaticCercetrile privind sinteza celular a enzimelor au dus la descoperirea fenomenelor de inducie

i represie enzimatic, fenomene opuse ca aciune (antagoniste) i care controleaz cantitatea de

substane sintetizate.

Inducia enzimatic este declanat de prezena n mediu a substanei ce trebuie metabolizat (Ex. lactoza) denumit n acest caz inductor.

n mod obinuit, operonul lac este nefuncional. El este indus s funcioneze de ndat ce

bacteria este pus pe un mediu cu lactoz. Represorul se combin cu inductorul (substana ce

trebuie metabolizat), devine inactiv i pierde afinitatea pentru regiunea Operatorului. Starea

deblocat a operatorului permite accesul ARN polimerazei la genele structurale care ncep s fie

transcrise sintetizndu-se astfel enzimele corespunztoare (enzime catabolice- ce catalizeaz

metabolizarea sau degradarea- substratului nutritiv) (Fig. 3a).

Represia enzimatic este declanat de absena substratului din mediu ( intervine n momentul n care concentraia substratului din mediu scade). Represorul trece din stare inactiv n

starea activ, se cupleaz cu regiunea operatorului blocnd-o, inhibnd astfel activitatea genelor

structurale care asigur sinteza enzimelor corespunztoare.

n mod normal, represorul este inactiv i genele care asigur sinteza enzimelor implicate n sinteza

unor metabolii eseniali funcioneaz. Atunci cnd ns concentraia unui metabolit esenial depete

4

necesitile celulei, metabolitul (substana sintetizat) formeaz cu represorul un complex activ numit

corepresor, care blocheaz operatorul i genele corespunztoare (Fig. 3b).

a) Sistem inductibil

b) Sistem represibil

Fig. 3. Reglarea operonului lactozei la Escherichia coli

De exemplu, la Salmonella typhimurium, genele din operonul his care specific enzimele ce

intervin n sinteza histidinei, sunt funcionale atunci cnd n celul se afl o concentraie mic de

histidin. Cnd n celul s-a acumulat o cantitate mare de histidin, expresia acestor gene este represat

i sinteza histidinei nceteaz. Corepresorul (histidina n cazul operonului his) se cupleaz cu

represorul (o protein reglatoare) inactiv, care devine activ, blocnd transcrierea operonului his.

5

Retroinhibiia enzimatic denumit i inhibiia prin feedback sau efectul Novick- Szilard, este un alt sistem de control al sintezei proteice prin cantitatea de produs final. Astfel, n cazul

unui anumit lan metabolic n care intervin mai multe enzime, produsul final n cantitate mare inhib

moleculele existente ale enzimei care controleaz prima etap a lanului metabolic. Aceasta spre

deosebire de represia enzimatic care blocheaz sinteza tuturor enzimelor care intervin n lanul

metabolic respectiv.

De exemplu, n calea metabolic a histidinei, prima enzim este pirofosforilaza. Cnd concentraia

histidinei n celul devine prea mare, molecula de histidin se leag la o regiune specific acestei

enzime, schimbndu-i conformaia sa tridimensional, astfel c enzima devine nefuncional. Cnd

concentraia de histidin scade, aceasta prsete enzima, care refcndu-i conformaia spaial

original, redevine activ.

La E coli s-a observat c prin cultivarea pe un mediu ce conine att glucoz ct i lactoz,

bacteriile utilizeaz preferenial mai nti glucoza, lactoza rmne nemetabolizat pn cnd n mediu

nu mai exist glucoza, fenomen numit diauxie. Aceasta nseamn c atta timp ct exist glucoz n

mediu, genele lac sunt inactivate. Acest mecanism reglator a fost denumit represie prin catabolit.

Prin urmare, pentru iniierea transcrierii ARNm policistronic, pe lng prezena inductorului mai

este necesar nc un element. Activitatea acestui element este legat de concentraia glucozei, efectul

inhibitor al glucozei asupra exprimrii genelor lac fiind indirect. Natura elementului suplimentar

necesar iniierii transcrierii operonului lac, a fost stabilit recent, acesta fiind reprezentat de proteine

implicate n reglarea pozitiv a genelor.

De exemplu, n cazul operonului lac, cnd glucoza este absent, n celul exist o cantitate mare

din molecula de reglare AMPc (adenozin-monofosfat ciclic). Acest element exist i n cazul celulelor

eucariote, mai ales la animale, unde regleaz aciunea mai multor hormoni.

Cnd glucoza este prezent n mediu, nivelul AMPc este sczut. Deasemenea, dac n mediu se

afl glicerol sau un alt compus care nu poate intra n calea metabolic a glucozei, nivelul AMPc este

ridicat.

Tulpinile de E.coli (i multe alte specii de bacterii) sunt capabile s sintetizeze o protein

specific ce are rolul de receptor pentru AMPc (proteina CRP) codificat de gena crp.

Proteina CRP, mpreun cu AMPc, formeaz un complex AMPc-CRP care se leag la promotorul

operonului lac, la nivelul unui situs specific i activeaz transcrierea (fig. 4).

Sinteza ARNm are loc doar n absena represorului i n prezena complexului AMPc-CRP legat la

o secven din regiunea promotor.

In celulele ce conin mutaii n genele crp sau cya nu se poate iniia sinteza ARNm chiar dac

respectivele celule conin i mutaii lac I- (deci nu se sintetizeaz represor) sau mutaii la nivelul

regiunii operator care determin sinteza constitutiv a -galactozidazei.

6

Cu toate acestea, s-a dovedit c transcrierea genelor operonului lac se realizeaz i n condiii

bazale, cu o rat foarte sczut dar activitatea maxim a acestuia necesit ndeplinirea condiiilor

menionate anterior

Controlul procesului de traducere al mesajului genetic Cercetrile efectuate asupra operonului lac au evideniat faptul c exist unele diferene n ceea

ce privete traducerea informaiei purtate de ARNm policistronic, ceea ce sugereaz existena

i la procariote a unei reglri la nivelul procesului de tranducere.

Astfel, s-a remarcat faptul c biosinteza celor trei enzime ( -galactozidaz, permeaz i acetilaz) se face n raport molar de 1:1/2:1/5, diferenele datorndu-se reglrii la nivelul

traducerii. Fenomenul se poate realiza pe dou ci in care gena lac Z este tradus prima.

Se pare c, n cazul moleculelor de ARNm policistronic, imediat dup sinteza polipeptidului

codificat de prima gen are loc separarea de ribosomi,

urmnd s se formeze un nou complex de iniiere la nivelul codonului AUG al celei de-a doua

gene.

7

Frecvena cu care se realizeaz acest proces este corelat cu probabilitatea reiniierii la fiecare

codon AUG urmtor.

Astfel, se formeaz un gradient n cantitatea de polipeptide sintetizate de la captul 5 spre cel 3 al

ARNm.

Aceste efect, numit polaritate, se realizeaz n cazul majoritii moleculelor de ARNm

policistronic. Toate moleculele de ARNm sunt degradate la nucleotide dup cteva runde de

traducere.

Degradarea este nceat dar uneori ncepe imediat dup primul eveniment de traducere.

Degradarea ARNm policistronic ncepe, cel mai frecvent, la nivelul genei lac A, apoi continu

cu gena lac Y i, abia la sfrit, cu gena lac Z.

Consecina acestui fenomen este c, la un moment dat, sunt mai multe copii ale genei lac Z

dect lac Y i, evident, cu mult mai multe dect lac A.

8