I principi della regolazione genica trascrizionale

Esistono meccanismi che regolano l'espressione genica, ovvero, meccanismi che aumentano o diminuiscono l'espressione di uno specifico gene una volta che viene a cambiare la richiesta del suo prodotto. Ci sono due stadi in cui l'espressione di un gene può essere regolata. Il più comune è l'inizio di trascrizione ma vi sono anche passaggi successivi a quest'ultimo come l'antiterminazione della trascrizione e la regolazione della traduzione.
I geni sono spesso controllati da segnali extracellulari: nel caso dei batteri, si tratta tipicamente delle molecole presenti nel mezzo di crescita. Questi segnali vengono comunicati ai geni da proteine regolative, che possono essere di due tipi: i regolatori positivi, o attivatori e quelli negativi, o repressori. In genere questi regolatori sono delle proteine che legano il DNA, capaci di riconoscere specifiche sequenze sui geni che controllano, o nelle loro vicinanze. Un attivatore aumenta la trascrizione del gene regolato; mentre, i repressori diminuiscono o aboliscono quella trascrizione. Come abbiamo visto, inizialmente, la RNA polimerasi si lega al promotore in un complesso chiuso (in cui i due filamenti di DNA restano appaiati). Il complesso promotore-polimerasi, quindi, subisce una transizione a complesso aperto in cui il DNA a livello del sito d'inizio di trascrizione è svolto e la polimerasi è posizionata in maniera tale da iniziare la trascrizione. A questo passaggio segue quello di rilascio del promotore in cui l'enzima lascia il promotore ed inizia a trascrivere. In assenza di proteine regolatrici, l'RNA polimerasi si lega debolmente a molti promotori. Questo porta ad un basso livello di espressione costitutiva, detto livello basale. In questo caso è il legame dell'RNA polimerasi a costituire il passaggio limitante. Per controllare l'espressione di un simile promotore, un repressore ha solo bisogno di legarsi ad un sito che si sovrappone alla regione legata dalla polimerasi. In questo modo il repressore blocca il legame dell'RNA polimerasi al promotore, impedendo la trascrizione. Il sito sul DNA su cui si lega un repressore è detto operatore. Per attivare la trascrizione a partire da questo promotore, invece, un attivatore deve soltanto aiutare la polimerasi a legarvisi. Per questo, l'attivatore usa una regione per legare un sito sul DNA vicino al promotore; con una diversa superficie, contemporaneamente, interagisce con l'RNA polimerasi, portando l'enzima sul promotore. Questo meccanismo spesso definito come reclutamento è un esempio del legame cooperativo delle proteine al DNA. Una volta posizionato, l'enzima isomerizza spontaneamente nel complesso aperto, e la trascrizione inizia. Non tutti i promotori però sono caratterizzati dallo stesso passaggio limitante. Se prendiamo in considerazione, ad esempio, un promotore opposto al precedente, ovvero un promotore su di cui si lega stabilmente l'RNA polimerasi senza bisogno di alcun aiuto che però non riesce a trasformarsi spontaneamente in un complesso aperto, su questo promotore un attivatore deve stimolare la transizione tra complesso chiuso ad aperto, perché proprio in questa transizione risiede il passaggio limitante.  Gli attivatori che stimolano questo tipo di promotore lavorano inducendo un cambiamento conformazionale o nell'RNA polimerasi o sul DNA. Questo meccanismo è un esempio di allosteria.

Fino ad ora abbiamo visto proteine, sia soppressori che attivatori che agiscono su siti vicini. D'altro canto alcune proteine interagiscono tra loro anche quando sono legate a siti piuttosto lontani sul DNA. Per permettere questa interazione, il DNA compreso tra questi siti di interazione si estroflette formando un'ansa e portando i suddetti siti uno vicino all'altro. Un modo per aiutare due siti distanti di avvicinarsi (e quindi permettere la formazione di un'ansa) consiste nel legame di altre proteine a sequenze comprese tra i due siti in questione. Nei batteri esistono dei casi in cui una proteina si lega tra il sito di legame di un attivatore ed il promotore, aiutando l'attivatore ad interagire con l'RNA polimerasi, mediante l'induzione di una curvatura sul DNA, per questi sono detti fattori “architettonici”, utili anche nella ricombinazione sito-specifica, come abbiamo visto.
Inoltre, le sequenze coinvolte nella regolazione trascrizionale sono distinguibili in trans-agenti e cis-agenti. Una sequenza genica il cui prodotto diffonde e va ad agire in un’altra regione genica viene definita trans-agente. Una sequenza che, invece, non viene convertita in altra forma, ma agisce esclusivamente come sequenza di DNA e influenza solo il DNA fisicamente contiguo è detta cis-agente. Comunque, i sistemi di controllo possono essere suddivisi in positivo e negativo e sono definiti dalla risposta dell'operone quando non è presente una proteina regolatrice. Le caratteristiche dei due sistemi sono speculari. I geni sotto controllo negativo sono espressi a meno che non siano spenti da un repressone. Di solito un repressore proteico si lega al DNA per impedire all'RNA polimerasi d iniziare la trascrizione o si lega all'mRNA per impedire a un ribosoma di iniziare la traduzione. L'espressione dei geni sotto controllo positivo, invece, è possibile soltanto quando è presente una proteina regolatrice attiva. In questo controllo, la proteina interagisce con il DNA e la RNA polimerasi per facilitare l'evento di inizio (come ad esempio l'uso dei fattori sigma). Un regolatore positivo che corrisponde ad una piccola molecola si chiama di solito attivatore.