¿Cómo puede el represor CI activar y reprimir el promotor PRMPRMP_{RM} que se encuentra en el fago λλ\lambda?

No existe una regla que diga que un factor de transcripción debe ser un represor o un activador. El represor lambda (CI) es, de hecho, un represor y activador de la transcripción, dependiendo de dónde esté unido y a qué promotor se refiera. Sé que su pregunta no es directamente sobre el fago lambda, pero creo que este mecanismo puede explicarse mejor en el contexto donde se inventó por primera vez: la naturaleza. Así pues, intentaré explicar brevemente cómo el doble papel del represor lambda permite la regulación de su propia expresión y controla la inducción lisogénica.

El gen cI está bajo el control del promotor PRM. El promotor PRM es débil porque la holoenzima del factor sigma de la ARN polimerasa (RNAP) tiene poca afinidad por él. La unión de RNAP a PRM y, por lo tanto, la transcripción desde allí, a un nivel razonable, requiere un activador. También hay otra proteína involucrada en este proceso, llamada Cro, que también puede unirse a los operadores OR. El gen cro está bajo el control del promotor PR. PRM no es un promotor constitutivo porque requiere un activador. He oído llamar a PR constitutivo porque es un promotor fuerte y puede unirse a RNAP sin un activador. Pero, al mismo tiempo, está bajo el control del represor lambda. Supongo que depende de qué definición de 'promotor constitutivo' uses.

Los operadores OR no son idénticos y, por lo tanto, CI y Cro los unen con diferentes afinidades: CI tiene la mayor afinidad por OR1, seguido de lejos por OR2 y OR3, mientras que Cro se une a OR3 con la mayor afinidad. La unión (de dos moléculas cualesquiera) depende tanto de su afinidad entre sí como de su concentración efectiva. En concentraciones más bajas, CI solo puede unirse a OR1 y OR2 de manera cooperativa. Es decir, cada dímero represor lambda se une a otro, formando un tetrámero, con una mitad uniéndose a OR1 y la otra a OR2. La unión de ambos operadores como tetrámero permite una interacción más fuerte. A concentraciones más altas, CI puede unirse a OR3. Además, OR1 y OR2 están ubicados en el promotor PR, mientras que OR3 está ubicado en el promotor PRM.*

La mayoría de los genes lambda están bajo el control, directa o indirectamente, de los promotores PR y PL (PL es similar a PR, pero el promotor en sí no está directamente involucrado en la regulación de cI). Cuando lambda existe como profago, su ADN se integra en el genoma del huésped y se reprime la mayor parte de su expresión génica. Esto requiere la represión de CI de PL y PR. Cuando el ADN viral se integra por primera vez, no hay CI en la célula (porque es un gen de fago). La expresión de cI depende inicialmente de un promotor diferente (PRE), pero no entraré en esto aquí. Una vez que la concentración de CI es lo suficientemente alta, puede unirse a OR1 y OR2 como un tetrámero. La unión aquí bloquea físicamente al promotor de PR y evita la expresión de cro (CI actúa aquí como un represor de PR). También interactúa con RNAP (en realidad, el factor sigma) y facilita la unión al promotor PRM, lo que conduce a una mayor expresión de cI. Este proceso se denomina comúnmente reclutamiento: dado que CI está estrechamente unido al ADN y tiene cierta afinidad por RNAP, puede crear una interacción más fuerte entre el ADN y el complejo RNAP-CI. En pocas palabras, induce el promotor PRM y, por lo tanto, funciona como un activador de la transcripción de cI. A medida que aumenta la concentración de CI, se unirá más a OR3 (que se encuentra en el promotor PRM) y reprimirá el promotor PRM bloqueando físicamente la unión de RNAP. De esta forma, cI puede autorregular su nivel de expresión, tanto positiva como negativamente. induce el promotor PRM y, por lo tanto, funciona como un activador de la transcripción de cI. A medida que aumenta la concentración de CI, se unirá más a OR3 (que se encuentra en el promotor PRM) y reprimirá el promotor PRM bloqueando físicamente la unión de RNAP. De esta forma, cI puede autorregular su nivel de expresión, tanto positiva como negativamente. induce el promotor PRM y, por lo tanto, funciona como un activador de la transcripción de cI. A medida que aumenta la concentración de CI, se unirá más a OR3 (que se encuentra en el promotor PRM) y reprimirá el promotor PRM bloqueando físicamente la unión de RNAP. De esta forma, cI puede autorregular su nivel de expresión, tanto positiva como negativamente.

Cuando el lisógeno se encuentra en algún tipo de condición estresante, los procesos normales del huésped darán como resultado la proteólisis de CI y su dominio de unión a ADN/sigma se escinde de los dominios de dímero y tetramerización. Esto significa que CI ya no puede oligomerizar y ya no puede unirse cooperativamente a OR1 y OR2. El resultado es la pérdida de activación de PRM (que conduce a una expresión de cI muy reducida) y también una pérdida de represión de PR (que conduce a la expresión de cro). Cro puede unirse a OR3 y reprimir PRM. La falta de represión de PR también permite la expresión de genes de fagos tempranos (que están bajo el control de PR).

Tenga en cuenta que ocurre una situación similar en la región promotora de PL, y la unión de CI a OR y OL, así como a la octomerización de CI, es importante en la regulación de profagos, pero eso parece aún más fuera del alcance de su pregunta. Con suerte, puede ver cómo el "represor" lambda funciona realmente como represor y activador de la transcripción. Si este tipo de cosas le interesan, le recomiendo un libro de texto llamado Molecular Biology of the Gene de Watson et al.

*Ver comentarios. Luego de más investigaciones, los promotores PRM y PR se superponen con OR2 (Autorregulación y función de un represor en bacteriófago lambda, Ptashne et al.), como muestra el diagrama en el OP. Parece que la región -35 tanto de PRM como de PR se solapan con OR2 en 2 y 3 pares de bases, respectivamente. Eso me llevó a preguntarme si CI se une a OR2, que está en PRM, ¿no inhibiría físicamente la unión de RNAP y, por lo tanto, reprimiría la transcripción? Bueno, parece que CI interactúa con la misma región de sigma que es responsable de unir la región -35 de PRM (Sustituciones de aminoácidos en el motivo de reconocimiento -35 de sigma 70 que resultan en defectos en la transcripción estimulada por el represor del fago lambda, Kuldell y Hochschild). Entonces, en lugar de bloquear el enlace sigma aquí, lo mejora.

Estoy tentado a decir: "Es complicado".

De hecho, CI actúa como represor y activador. La regulación de la transcripción en el bacteriófago lambda es bastante compleja para un sistema tan pequeño, por lo que es comprensible cierta confusión. Lewis et al. da una descripción aproximada en un artículo relativamente reciente ( 1 ):

La proteína CI autorregula su síntesis. A una concentración de CI celular baja, CI mejora su propia síntesis a partir de PRM; cuando es alto, CI reprime PRM (1, 8, 9). Originalmente se creía que tanto las autorregulaciones positivas como las negativas se lograban exclusivamente por la acción de los dímeros CI en la secuencia PRM-OR-PR del genoma del fago (1, 10) (Fig. 1A), según las siguientes observaciones. (i) Existe una jerarquía de afinidades de unión intrínsecas de un dímero CI a sitios de operadores individuales: OR1 > OR2 > OR3 (11–17); (ii) CI unido al sitio OR2 intrínsecamente débil se fortalece mediante interacciones cooperativas con CI unido al sitio OR1 adyacente más fuerte, y el conjunto de dos dímeros CI en los sitios OR1 ∼ OR2 reprime PR y activa PRM (13, 16) ( figura 1A); (iii) a altas concentraciones de CI, un dímero de CI puede unirse al sitio del operador más débil, OR3, reprimiendo PRM (1, 2) (Fig. 1C). Por cierto, un segundo par de dímeros CI se une cooperativamente a OL1 ∼ OL2 y reprime a PL (7).

La unión de CI afecta la transcripción del ADN del fago lambda a través de varios mecanismos, incluido el bucle de ADN entre los sitios del operador OR en los promotores Prm/Pr y los sitios del operador OL en el promotor Pl. El comportamiento de un sistema de transcripción manipulado derivado del fago Lambda depende, por lo tanto, de si se conserva la posibilidad de bucles de ADN entre estos sitios.

La sección de discusión ofrece una exposición adicional:

Nuestro estudio confirmó varias predicciones de investigadores anteriores discutidas anteriormente sobre el mecanismo de autoactivación y autorrepresión de PRM al medir la transcripción in vitro en plantillas de ADN superenrolladas que contienen diferentes combinaciones de mutaciones de operadores. Nuestros datos de transcripción respaldan el modelo de que la autoactivación requiere la unión de CI a OR2, y que la activación es estimulada por interacciones cooperativas dímero-dímero y tetrámero-tetrámero entre moléculas de CI en OR2 y aquellas unidas a otros subsitios operadores. Primero, las interacciones cooperativas de CI no solo ocurren entre OR1 y OR2 en cis, como se informó anteriormente, sino también entre OR1 ∼ OR2 y OL1 ∼ OL2 en trans, lo que resulta en ocupaciones de sitios individuales a concentraciones de CI más bajas a juzgar por sus efectos en la activación de PRM . La cooperación trans por formación de octámeros requiere sitios de unión de CI adyacentes entre OR1 ∼ OR2∕OL1 ∼ OL2 u OR1 ∼ OR2∕OL2 ∼ OL3 y no OR1 ∼ OR2 y OL1 ∼ OL3 (Fig. S3 F y J). Se infiere una transcooperatividad similar entre OR3 y OL3 a partir de la represión de PRM a concentraciones de CI más bajas. Las interacciones cooperativas conducen a la formación de bucles de ADN cuando se producen entre CI en los sitios OL y OR. PRM es autorreprimido por la unión de CI a OR3 como se informó anteriormente (1-3), y esto es estimulado por interacciones dímero-dímero y tetrámero-tetrámero que ocurren a través del bucle de ADN. Nuestros resultados están de acuerdo con Revet et al. (18) que el bucle per se fortalece la unión de CI a los suboperadores (Fig. 5). Nuestro trabajo proporcionó una evaluación cuantitativa de la contribución de cada operador a la autorregulación.

¡Uf!

Si desea modelar con precisión el sistema descrito por Huang et al., miraría muy de cerca la secuencia del circuito y determinaría qué partes del sistema de fagos lambda están realmente presentes. Es posible que no hayan tenido en cuenta los últimos conocimientos sobre la regulación de los promotores de Pr y Prm al discutir su sistema.

En cuanto a la segunda pregunta: cuando está aislado y sin CI presente, el promotor Prm puede usarse como promotor constitutivo ( 2 ). En tales condiciones, el promotor Prm mostró tasas de transcripción similares a las del promotor constitutivo ptet.