Regolazione genica del metabolismo del rame

Dallo studio del metabolismo del rame nel lievito è stato possibile verificare che i sistemi di trasporto del metallo sono strettamente controllati attraverso meccanismi di regolazione trascrizionale e posttrascrizionale che, nella maggior parte dei casi, coinvolgono il rame stesso. Nella cellula sono presenti una serie di sistemi che rilevano le variazioni nei livelli dei metalli i cui segnali vengono integrati e tradotti dai meccanismi di regolazione dell'espressione genica. Nel lievito si è osservato che, in condizioni di carenza di rame, si ha una regolazione positiva dei geni che codificano per proteine coinvolte nel suo trasporto, tra cui CTR1, CTR3, FRE1 e FRE7. Questi geni sono regolati dal fattore di trascrizione Mac1. Il sito di legame di Mac1 è un elemento di DNA conservato [TTTGC(T,G)C] che è ripetuto nella regione 5' di CTR1, CTR3, FRE1 e FRE7. Non sono ancora ben chiari i meccanismi di inibizione dell'espressione genica da parte del rame mentre si conoscono alcuni aspetti della regolazione dell'espressione. Mac1 è localizzato nel nucleo senza essere influenzato dai livelli di rame nella cellula. Esso ha un dominio di transattivazione regolato dal rame a livello della sua estremità carbossiterminale.

Sembra che il Cu ( I ), legandosi al dominio di attivazione di Mac1 lo mascheri attenuando il legame con il DNA. Mac1 è associato con l'espressione di altri geni legati a diversi processi fisiologici: ad esempio CTT1 codifica per la catalasi citosolica; MT accumula il rame cellulare. In condizioni di eccesso di ioni rameici nella cellula si osserva una inibizione dell'espressione di geni coinvolti nel trasporto del metallo mentre viene indotta l'espressione di geni coinvolti in un ruolo di protezione. I geni attivati sono quelli che codificano per proteine Cup1, Crs5 e Sod1; l'espressione di questi geni nel lievito è regolata dal fattore di trascrizione Ace1. Il processo prevede la formazione di un complesso del Cu ( I ) all'interno del dominio regolatorio di Ace1. Questa modificazione della struttura terziaria della proteina favorisce l'interazione con specifiche sequenze promotrici di DNA, quali le MRE ( metal responsive elements ). Un'altra proteina regolatoria espressa nel lievito è Cup9: un fattore di trascrizione che regola l'espressione di geni coinvolti nell'omeostasi del rame e nella sua distribuzione intracellulare tramite interazione con specifiche sequenze MRE. Le sequenze MRE sono presenti in tutti i promotori eucarioti delle metallotioneine, sebbene siano state evidenziate differenze tra il promotore delle metallotioneine nel lievito e nei mammiferi: 1) Gli MRE del promotore delle metallotioneine in mammifero non risultano simili ai siti di legame per Ace1 e Amt1; 2) la trascrizione dei geni delle metallotioneine in lievito è più sensibile al rame rispetto a quelli nei mammiferi; 3) alcuni promotori delle metallotioneine nei mammiferi (es mMT-1, hMT-II) presentano altri elementi regolatori intercalati alle MRE (SP1, AP-2 e AABS).

Ciò suggerisce che nei mammiferi il rame regola la trascrizione di geni delle metallotioneine coinvolgendo diverse proteine leganti il DNA. Nel lievito, invece sono due i fattori più importanti regolati dal rame: Ace1 che regola l'espressione genica mediata dal rame e Mac1 che regola l'inibizione. Attualmente poche informazioni sono disponibili riguardo la regolazione di geni coinvolti nel metabolismo del rame negli alti eucarioti. Il sistema di trascrizione più studiato è quello del topo nel quale sono stati studiati fattori nucleari che si legano ad una sequenza nel gene delle metallotioneine controllata da metalli.