represor de la lac

El represor lac (LacI) es una proteína de unión al ADN que inhibe la expresión de genes que codifican proteínas implicadas en el metabolismo de la lactosa en bacterias. Estos genes se reprimen cuando la lactosa no está disponible para la célula, asegurando que la bacteria solo invierta energía en la producción de la maquinaria necesaria para la captación y utilización de la lactosa cuando esta está presente. Cuando la lactosa está disponible, la β-galactosidasa ( lacZ ) la convierte primero en alolactosa en las bacterias. La capacidad de unión al ADN del represor lac unido a la alolactosa se inhibe debido a la regulación alostérica , lo que permite la expresión de los genes que codifican las proteínas implicadas en la captación y utilización de la lactosa.

El represor lac (LacI) opera mediante un motivo hélice-giro-hélice en su dominio de unión al ADN , uniéndose de forma específica a la base del surco mayor de la región operadora del operón lac , con contactos de base también realizados por residuos de hélices alfa relacionadas por simetría, las hélices "bisagra", que se unen profundamente en el surco menor. ^{[ 1 ]} Este represor unido puede reducir la transcripción de las proteínas Lac ocluyendo el sitio de unión de la ARN polimerasa o induciendo el bucle del ADN. ^{[ 2 ]} Cuando hay lactosa presente, la alolactosa se une al represor lac , causando un cambio alostérico en su forma. En su estado modificado, el represor lac no puede unirse firmemente a su operador cognado. Por lo tanto, el gen está mayormente apagado en ausencia del inductor y mayormente encendido en presencia del inductor, aunque el grado de expresión génica depende del número de represores en la célula y de la afinidad de unión al ADN del represor. ^{[ 3 ]} El isopropil β-D-1-tiogalactopiranósido (IPTG) es un imitador de alolactosa de uso común que puede utilizarse para inducir la transcripción de genes regulados por el represor lac .

Estructuralmente, la proteína represora lac es un homotetrámero . Más precisamente, el tetrámero contiene dos subunidades de unión al ADN compuestas por dos monómeros cada una (un dímero de dímeros). Cada monómero consta de cuatro regiones distintas: ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]}

• Un dominio de unión al ADN N-terminal (en el que dos proteínas LacI se unen a un único sitio operador).
• Un dominio regulador (a veces llamado dominio central , que se une a la alolactosa, una molécula efectora alostérica)
• Un conector que une el dominio de unión al ADN con el dominio central (a veces llamado hélice bisagra , que es importante para la comunicación alostérica ^{[ 6 ]} ).
• Una región de tetramerización C-terminal (que une cuatro monómeros en un haz de hélices alfa)

La unión al ADN se produce mediante un motivo estructural hélice-giro-hélice N-terminal y se dirige a una de varias secuencias operadoras de ADN (conocidas como O1 _, O2 _y O3 ₎ . La secuencia operadora O1 _se solapa ligeramente con el promotor, lo que aumenta la afinidad de la ARN polimerasa por la secuencia promotora, impidiendo así la elongación y provocando una iniciación abortiva . Además, dado que cada tetrámero contiene dos subunidades de unión al ADN, la unión de múltiples secuencias operadoras por un solo tetrámero induce la formación de bucles en el ADN. ^{[ 7 ]}

Cada monómero tiene 360 ​​aminoácidos, por lo que tiene 1440 aminoácidos en total y 154.520 Dalton de masa atómica. ^{[ 8 ]}

LacI encuentra su ADN operador objetivo sorprendentemente rápido. In vitro, la búsqueda es de 10 a 100 veces más rápida que el límite superior teórico para dos partículas que se buscan mutuamente mediante difusión en tres dimensiones (3D). ^{[ 9 ]} Para explicar la búsqueda rápida, se hipotetizó que LacI y otros factores de transcripción (FT) encuentran sus sitios de unión mediante difusión facilitada, una combinación de difusión libre en 3D y deslizamiento en 1D sobre el ADN. ^{[ 10 ]} Durante el deslizamiento, el represor está en contacto con la hélice del ADN, deslizándose alrededor y siguiendo su surco mayor, lo que acelera el proceso de búsqueda al extender la longitud objetivo cuando el FT se desliza sobre el operador desde un lado. Experimentos in vivo de molécula única con células de E. coli han probado y verificado el modelo de difusión facilitada, y han demostrado que el FT escanea en promedio 45 pb durante cada evento de deslizamiento, antes de que el FT se desprenda espontáneamente y reanude la exploración del genoma en 3D. ^{[ 11 ]} Estos experimentos también sugieren que LacI se desliza sobre el operador O ₁ varias veces antes de unirse, lo que significa que diferentes secuencias de ADN pueden tener diferentes probabilidades de ser reconocidas en cada encuentro con el TF. Esto implica una compensación entre la búsqueda rápida en secuencias no específicas y la unión a secuencias específicas. ^{[ 11 ]} Los experimentos in vivo e in vitro han demostrado que es esta probabilidad de reconocer el operador la que cambia con la secuencia de ADN, mientras que el tiempo que el TF permanece en la conformación unida al operador cambia menos con la secuencia. ^{[ 12 ]} El TF a menudo abandona la secuencia que pretende regular, pero en un sitio objetivo fuerte, casi siempre realiza un viaje muy corto antes de encontrar el camino de regreso. A escala macroscópica, esto parece una interacción estable. Este mecanismo de unión explica cómo las proteínas de unión al ADN logran buscar rápidamente a través del genoma de la célula sin quedarse atascadas demasiado tiempo en secuencias que se asemejan al objetivo verdadero.

Una simulación de dinámica molecular de todos los átomos sugiere que el factor de transcripción encuentra una barrera de 1 kB _T durante el deslizamiento y 12 kB _T para la disociación, lo que implica que el represor se deslizará sobre 8 pb en promedio antes de disociarse. ^{[ 13 ]} El modelo de búsqueda in vivo para el represor lac incluye transferencia intersegmentaria y salto , así como aglomeración por otras proteínas que hacen que el genoma en las células de E. coli sea menos accesible para el represor. ^{[ 14 ]} La existencia de salto, donde la proteína se desliza fuera del surco mayor del ADN para aterrizar en otro surco cercano a lo largo de la cadena de ADN, se ha demostrado más directamente in vitro , donde se ha observado que el represor lac elude operadores, cambia de orientación y rota con un paso más largo que el período de 10,5 pb del ADN mientras se mueve a lo largo de él. ^{[ 15 ]}

El represor lac fue aislado por primera vez por Walter Gilbert y Benno Müller-Hill en 1966. ^{[ 16 ]} Demostraron que in vitro la proteína se unía al ADN que contenía el operón lac , y liberaba el ADN cuando se añadía IPTG (un análogo de la alolactosa).

LacI es el miembro prototípico de la familia LacI/GalR (NF007075, PTHR30146), un grupo de reguladores transcripcionales con una estructura similar del dominio de unión al ADN HTH (IPR000843), un enlazador y un dominio regulador (IPR028082, G3DSA:3.40.50.2300; cd01537; PF13377); la cola de tetramerización no es universal. La mayoría de ellos son represores similares sujetos a moderación alostérica, pero algunos actúan como activadores (a veces además de la represión como CcpA, a veces principalmente/solo activación como en Lactobacillus MalR). ^{[ 17 ]} El número de operones que controlan también varía. ^{[ 6 ]} Se han creado reguladores quiméricos mezclando los dominios HTH y reguladores de diferentes reguladores de la familia. ^{[ 18 ]}

La unión alostérica puede aumentar o disminuir la capacidad de un regulador similar a LacI para unirse al ADN. El efecto puede variar según el ligando específico unido: se conocen inductores (p. ej., alolactosa e IPTG), antiinductores y ligandos neutros (p. ej., ONPG) para LacI tetramérico. ^{[ 6 ]}

GalR, el otro miembro prototípico, es el regulador análogo del operón gal . ^{[ 6 ]} Es menos un represor puro, ya que también puede operar en un dímero con menor capacidad represora, además del tetrámero que forma bucles de ADN. ^{[ 19 ]}

• operón lac

• Represor Lac en los Encabezamientos de Materias Médicas (MeSH) de la Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU.
• Más información sobre la molécula represora lac. Archivado el 28/05/2010 en la Wayback Machine en la base de datos de proteínas.
• Represor Lac en Proteopedia .