Regolazione dell’espressione genica e operone lac

Tutte le cellule di un organismo hanno lo stesso DNA, eppure un neurone e una cellula epatica sono diversissimi. La spiegazione è nella regolazione dell’espressione genica: ogni cellula accende e spegne i geni giusti al momento giusto. Il modello più limpido di questo controllo è l’operone batterico.

Accendere e spegnere i geni

L’espressione di un gene — dalla trascrizione alla traduzione — consuma risorse. Sarebbe uno spreco produrre un enzima quando il suo substrato non c’è. Le cellule hanno quindi evoluto sistemi che regolano quanto e quando un gene viene trascritto, in risposta alle condizioni ambientali.

L’operone: geni coordinati da un solo interruttore

Nei batteri i geni che servono a uno stesso compito sono spesso raggruppati in un operone: una fila di geni strutturali sotto il controllo di un unico promotore e di una sequenza regolatrice, l’operatore. Così tutti i geni dell’operone si accendono e si spengono insieme. Il modello, descritto da Jacob e Monod, è il primo esempio chiarito di regolazione genica.

L’operone lac: il substrato accende i propri enzimi

L’operone lac controlla gli enzimi che metabolizzano il lattosio. In assenza di lattosio una proteina repressore si lega all’operatore e impedisce alla RNA polimerasi di trascrivere: i geni sono spenti. Quando compare il lattosio, un suo derivato (l’induttore) si lega al repressore cambiandone la forma e staccandolo dall’operatore: la trascrizione parte e la cellula produce gli enzimi solo quando servono.

repressore + induttore (lattosio) → repressore inattivo → trascrizione ON

È un sistema logico ed economico: il bersaglio del metabolismo — il lattosio — è esso stesso il segnale che accende gli enzimi che lo demoliscono.

Controllo negativo e positivo

L’operone lac combina due livelli. Il repressore esercita un controllo negativo (la sua presenza spegne). Ma c’è anche un controllo positivo: una proteina attivatrice (CAP), sensibile alla disponibilità di glucosio, potenzia la trascrizione solo quando il glucosio — combustibile preferito — scarseggia. Così la cellula usa il lattosio solo se conviene davvero.

Operoni inducibili e reprimibili

L’operone lac è il prototipo di un operone inducibile: normalmente spento, viene acceso dalla comparsa del substrato. Esiste però anche la logica opposta, quella degli operoni reprimibili, il cui esempio classico è l’operone del triptofano. Qui i geni servono a sintetizzare un amminoacido, e ha senso che siano normalmente accesi: la cellula li spegne solo quando il prodotto finale — il triptofano stesso — è già abbondante. In questo caso il prodotto agisce da correpressore, attivando il repressore che blocca la trascrizione. È un esempio di controllo a feedback: il risultato della via metabolica ne regola la propria produzione, evitando sprechi. La differenza fra i due schemi è istruttiva: un operone che gestisce la degradazione di un nutriente conviene tenerlo spento e accenderlo alla bisogna (inducibile); uno che gestisce la biosintesi di una molecola essenziale conviene tenerlo acceso e spegnerlo solo in caso di abbondanza (reprimibile). In entrambi i casi il principio è lo stesso: adeguare l’espressione genica alle reali necessità della cellula.

Dai batteri agli eucarioti

Negli eucarioti la regolazione è molto più complessa: non esistono operoni, e intervengono l’impacchettamento del DNA nella cromatina, numerosi fattori di trascrizione e sequenze potenziatrici anche lontane dal gene. Ma il principio scoperto con l’operone resta valido: l’espressione genica è finemente regolata in risposta ai segnali, ed è questa regolazione — non il contenuto del DNA — a rendere diverse le cellule di uno stesso organismo.

Nelle cellule complesse i geni si accendono e spengono anche senza cambiare il DNA: è l’epigenetica.

Domande frequenti

Che cos’è la regolazione dell’espressione genica?

È l’insieme dei meccanismi con cui la cellula controlla quali geni vengono trascritti e tradotti, in quale quantità e in quale momento. È ciò che permette a cellule con lo stesso DNA di specializzarsi e di rispondere all’ambiente, evitando di sprecare risorse per produrre proteine inutili.

Che cos’è un operone?

È un’unità genetica batterica in cui più geni strutturali correlati sono controllati insieme, a partire da un unico promotore e da una regione operatrice. In questo modo geni che servono a uno stesso compito (per esempio metabolizzare il lattosio) vengono accesi e spenti in modo coordinato.

Come funziona l’operone lac?

In assenza di lattosio una proteina repressore si lega all’operatore e blocca la trascrizione, tenendo spenti i geni. Quando il lattosio è presente, un suo derivato (l’induttore) si lega al repressore e lo stacca dall’operatore: la RNA polimerasi può trascrivere e la cellula produce gli enzimi per il lattosio solo quando ce n’è bisogno.

Che differenza c’è fra controllo negativo e positivo?

Nel controllo negativo una proteina (il repressore) blocca la trascrizione, che riparte quando viene rimossa. Nel controllo positivo una proteina attivatrice (come CAP nell’operone lac) aumenta la trascrizione quando le condizioni lo richiedono. L’operone lac usa entrambi, integrando l’informazione su lattosio e glucosio.

Gli eucarioti hanno gli operoni?

No: gli operoni sono tipici dei batteri. Negli eucarioti la regolazione è più complessa e coinvolge l’impacchettamento del DNA nella cromatina, molti fattori di trascrizione e sequenze regolatrici anche distanti. Il principio generale — accendere e spegnere i geni in risposta ai segnali — resta però lo stesso scoperto con l’operone.