Reglajul genetic la procariote

Bacteriile nu produc în permanență toate proteinele posibile. Ele își pot regla genele după substanțele disponibile și condițiile mediului. O formă importantă de control apare la transcriere: proteine reglatoare se leagă de ADN și împiedică sau favorizează producerea ARN-ului. Genele care participă la aceeași funcție pot fi grupate într-un operon, sub control comun. Astfel, o bacterie poate economisi resurse când un nutrient lipsește sau poate porni enzime când apare o sursă nouă de hrană.

Operonul lac este un exemplu clasic: genele implicate în folosirea lactozei sunt reglate în funcție de prezența lactozei și a glucozei. Nu înseamnă că bacteria „hotărăște” conștient să mănânce; moleculele modifică activitatea proteinelor reglatoare. Un operon nu este o singură genă, ci o unitate de control a mai multor secvențe. Într-o diagramă, identifică promotorul, operatorul, genele structurale și proteina reglatoare și urmărește când poate ARN-polimeraza să transcrie. Lecția Reglajul genetic la eucariote arată de ce controlul în celulele cu nucleu are niveluri suplimentare. Ambele situații păstrează ideea comună: informația genetică este utilizată selectiv.

Operonul lac este inductibil: în absența lactozei, represorul se leagă de operator și împiedică transcrierea genelor structurale. Când lactoza este prezentă, alolactoza se leagă de represor și reduce afinitatea lui pentru operator. Dacă glucoza este puțină, activarea prin complexul CAP–AMPc favorizează transcrierea intensă. Astfel, simpla prezență a lactozei nu garantează exprimarea maximă.

De exemplu, o bacterie aflată într-un mediu cu glucoză și lactoză crește în două faze (diauxie): consumă mai întâi glucoza, apoi face o pauză în care sintetizează enzimele pentru lactoză și reia creșterea. Operonul trp ilustrează reglarea represibilă: triptofanul disponibil acționează ca un corepresor și reduce sinteza enzimelor necesare producerii sale. Represorul trp este sintetizat într-o formă inactivă; numai legat de triptofan se fixează pe operator și închide operonul, iar când triptofanul se epuizează, represorul se desprinde și enzimele sunt produse din nou. Gena reglatoare codifică proteina represor, iar genele structurale codifică enzimele.

Mecanismul a fost descris de François Jacob și Jacques Monod în 1961 (Premiul Nobel în 1965). Operonul lac cuprinde: promotorul, operatorul (secvența de legare a represorului) și trei gene structurale: lacZ (β-galactozidaza, care scindează lactoza în glucoză și galactoză), lacY (permeaza, care aduce lactoza în celulă) și lacA (transacetilaza). Gena reglatoare lacI, aflată în afara operonului, codifică represorul, produs continuu. Inductorul natural este alolactoza, un izomer al lactozei; în laborator se folosește IPTG, un inductor care nu este metabolizat de celulă. Mutanții lacI⁻ (represor nefuncțional) și lacOᶜ (operator care nu mai leagă represorul) sintetizează enzimele constitutiv, adică fără inductor, iar mutanții lacZ⁻ nu produc β-galactozidază funcțională.

Exemplu rezolvat 1: nivelul β-galactozidazei în patru medii (celulă normală).

1. Fără lactoză, cu glucoză: represorul este legat de operator, deci transcrierea este blocată; nivel foarte scăzut.
2. Cu lactoză, fără glucoză: alolactoza leagă represorul, iar nivelul AMPc este mare și complexul CAP–AMPc stimulează promotorul; nivel foarte ridicat.
3. Cu lactoză și cu glucoză: represorul este inactivat, dar AMPc este scăzut, deci CAP nu stimulează promotorul; nivel scăzut (represie catabolică).
4. Fără lactoză, fără glucoză: represorul blochează operatorul; nivel scăzut.

Exemplu rezolvat 2: prezicerea efectului mutațiilor. Se compară mutanții în absența lactozei.

1. Celulă lacI⁻: nu există represor, deci transcrierea are loc continuu, chiar fără lactoză, iar enzimele sunt produse constitutiv.
2. Celulă lacOᶜ: represorul normal nu se poate lega de operator, deci rezultatul este același, chiar dacă gena lacI este normală; mutația este în cis, adică afectează numai genele de pe aceeași moleculă de ADN.
3. Celulă lacZ⁻: transcrierea poate fi normală, dar nu se formează β-galactozidază funcțională, deci celula nu poate folosi lactoza.

Greșeli frecvente

• Greșit: Un operon este o singură genă.
  Corect: Un operon poate include mai multe gene controlate coordonat.
• Greșit: Reglarea expresiei genice cere obligatoriu schimbarea secvenței ADN.
  Corect: Expresia se poate modifica fără mutarea sau modificarea bazelor.
• Greșit: Lactoza este un represor al operonului lac.
  Corect: Represorul este o proteină; alolactoza (derivat al lactozei) este inductorul, care inactivează represorul.

Înainte și după