Regolazione in Cis e in Trans
La regolazione dell’espressione genica può avvenire attraverso elementi di controllo che agiscono in due modalità spaziali e funzionali distinte, definite rispettivamente in cis e in trans. Queste modalità sono state chiarite storicamente dagli esperimenti di Jacob e Monod sull’operone lac.
Definizioni Generali
1. Regolazione in Trans
- Meccanismo: Si basa su elementi mobili e diffusibili, tipicamente proteine (come fattori di trascrizione, attivatori e repressori) o molecole di RNA non codificante.
- Proprietà: I fattori che agiscono in trans sono sintetizzati da un gene regolatore, vengono rilasciati nel citoplasma (o nucleoplasma) e possono migrare per legarsi e regolare qualsiasi bersaglio genomico compatibile, indipendentemente dal fatto che sia fisicamente unito al gene che li ha prodotti.
2. Regolazione in Cis
- Meccanismo: Si basa su sequenze di DNA bersaglio non codificanti (come promotori, operatori, enhancer e silencer) che non codificano per prodotti diffusibili.
- Proprietà: Gli elementi che agiscono in cis devono essere fisicamente collegati (sullo stesso filamento di DNA/cromosoma) ai geni strutturali sui quali esercitano la propria influenza regolatoria. Una mutazione in un elemento in cis ha effetto esclusivamente sui geni adiacenti posizionati in continuità fisica.
Gli Esperimenti sui Mero-diploidi (Jacob e Monod)
Per mappare il comportamento e la natura degli elementi regolatori dell’operone lattosio, Jacob e Monod utilizzarono dei mero-diploidi (cellule di E. coli parzialmente diploidi), create introducendo nel batterio un plasmide extracromosomico che portava una seconda copia dell’operone lac.
Caso 1: La Mutazione del Gene Regolatore () è Recessiva e agisce In Trans
- Condizione iniziale: Cellule mutanti per il gene del repressore () mostrano un fenotipo costitutivo (producono -galattosidasi in modo continuo, anche in assenza di lattosio).
- Esperimento: Viene introdotto un plasmide contenente il gene wild type e l’operone wild type.
- Risultato: Il repressore funzionale sintetizzato dal plasmide diffonde nel citoplasma ed è in grado di legarsi sia all’operatore del plasmide sia all’operatore dell’operone cromosomico mutato, ripristinando la normale repressione in assenza di lattosio.
- Conclusione: La mutazione è recessiva rispetto a . Il repressore è una proteina diffusibile che agisce in trans.
Caso 2: La Mutazione dell’Operatore () è Dominante e agisce In Cis
- Condizione iniziale: Cellule con mutazione nel sito operatore (, operatore costitutivo), che impedisce il legame del repressore, mostrano espressione costitutiva dei geni.
- Esperimento: Viene introdotto un mero-diploide tramite un plasmide con operatore wild type ().
- Risultato: Il repressore (seppur wild type) non può legarsi all’operatore cromosomico mutato. L’espressione dei geni sul cromosoma batterico rimane costitutiva e incontrollata, mentre i geni sul plasmide vengono regolarmente repressi.
- Conclusione: La mutazione è dominante e agisce esclusivamente in cis sulla sequenza di DNA a cui è legata fisicamente.
⚠️ Indicazioni del docente
- Domanda d’esame tipica: Cosa succede se subisce una mutazione che impedisce il legame dell’induttore (allolattosio)? La mutazione è dominante o recessiva?
- Risposta: Se il repressore non è in grado di legare l’allolattosio (mutazione definita come super-repressore, ), l’operone rimarrà costitutivamente represso (spento) poiché il repressore non si staccherà mai dall’operatore. Si tratta di una mutazione dominante in trans: le proteine del repressore mutato si legheranno a tutti gli operatori disponibili (sia cromosomici che plasmidici) impedendo permanentemente la trascrizione, e l’introduzione di una copia wild-type non potrà risanare la repressione.
Applicazione alla Replicazione del DNA
Il concetto di elementi agenti in cis e in trans trova un’applicazione fondamentale anche nel controllo dell’avvio della replicazione genomica:
- Elementi in Cis: Il replicatore o Origine della Replicazione (ad esempio la sequenza oriC nei batteri o le origini eucariotiche) è una sequenza di DNA localizzata sul cromosoma, che controlla unicamente la replicazione del filamento di DNA a cui è fisicamente connessa.
- Fattori in Trans: Gli iniziatori e le proteine del replisoma (come la proteina DnaA, l’elicasi DnaB o il complesso MCM2-7) sono fattori proteici diffusibili che vengono sintetizzati altrove e migrano per legarsi e attivare le origini di replicazione.
🔗 Collegamenti
- Operone Lac — 🔗 stesso meccanismo / stessa via
- Origine della Replicazione — 🔗 stesso meccanismo / stessa via
- Regolazione della Trascrizione — 📋 fa parte di
- Gene — 📋 fa parte di
- Controlli Sperimentali — 🔬 reperto diagnostico